JP5454828B2 - Crystal manufacturing method and crystal manufacturing apparatus using supercritical solvent - Google Patents

Crystal manufacturing method and crystal manufacturing apparatus using supercritical solvent Download PDF

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Description

本発明はソルボサーマル法による結晶製造方法および結晶製造装置に関し、詳細には、特に固体状の鉱化剤を用い、アンモニアなどの窒素含有溶媒を用いて窒化ガリウム(以下、窒化ガリウムの化学式「GaN」をもって同義の用語として使用する)に代表される周期表第13族元素(以下「第13族元素」という)窒化物などの結晶成長を行うアモノサーマル法等による結晶性に優れた結晶を製造することのできる結晶製造方法および結晶製造装置に関する。   The present invention relates to a crystal manufacturing method and a crystal manufacturing apparatus by a solvothermal method, and in particular, using a solid mineralizer and a nitrogen-containing solvent such as ammonia, gallium nitride (hereinafter referred to as the chemical formula “GaN” A crystal having excellent crystallinity by an ammonothermal method or the like for crystal growth of a nitride such as a group 13 element (hereinafter referred to as “group 13 element”) of the periodic table represented by The present invention relates to a crystal manufacturing method and a crystal manufacturing apparatus that can be manufactured.

ソルボサーマル法は超臨界状態および/または亜臨界状態の溶媒を用いた結晶製造方法の総称であり、使用する溶媒の種類によりハイドロサーマル法(水熱合成法)やアモノサーマル法などと称される。   The solvothermal method is a general term for crystal manufacturing methods using a solvent in a supercritical state and / or a subcritical state, and is called a hydrothermal method (hydrothermal synthesis method) or ammonothermal method depending on the type of solvent used. The

前記ソルボサーマル法は、原料、溶媒、種結晶および鉱化剤等を含んだ高温高圧の系に温度差を設け、この温度差により溶媒への原料の結晶溶解度の差を利用して結晶成長を行うものである。ソルボサーマル法で結晶性の良い単結晶成長を行うためには、結晶の適切な成長速度を維持する必要がある。結晶の成長速度については、溶媒に溶解した鉱化剤の濃度が影響することが知られている(例えば、非特許文献1参照)。係る知見によれば、溶媒中の鉱化剤の濃度が大きいと原料の溶解度が大きくなり結晶成長速度も増大する。   In the solvothermal method, a temperature difference is provided in a high-temperature and high-pressure system containing raw materials, a solvent, a seed crystal, a mineralizer, and the like, and crystal growth is performed by utilizing the difference in crystal solubility of the raw materials in the solvent due to this temperature difference. Is what you do. In order to perform single crystal growth with good crystallinity by the solvothermal method, it is necessary to maintain an appropriate crystal growth rate. It is known that the concentration of the mineralizer dissolved in the solvent affects the crystal growth rate (see, for example, Non-Patent Document 1). According to such knowledge, when the concentration of the mineralizer in the solvent is large, the solubility of the raw material is increased and the crystal growth rate is also increased.

前記ハイドロサーマル法は、予め鉱化剤を溶媒に溶解した酸またはアルカリ溶液を使用する。また、ハイドロサーマル法においては、溶解している鉱化剤が純粋に触媒として寄与するため、結晶成長開始から成長終了の間まで、鉱化剤の濃度が大きく変化することがなく、安定した結晶の成長速度を持続することが可能である。   The hydrothermal method uses an acid or alkali solution in which a mineralizer is previously dissolved in a solvent. In the hydrothermal method, since the dissolved mineralizer contributes purely as a catalyst, the concentration of the mineralizer does not change greatly from the start of crystal growth to the end of growth, and stable crystals are obtained. It is possible to sustain the growth rate.

一方、ソルボサーマル法の中でも、例えば、アモノサーマル法では、固体の鉱化剤が使用される。鉱化剤を固体でオートクレーブに設置するアモノサーマル法の場合、オートクレーブ等の反応容器内に原料を充填した後、結晶の成長開始までの昇温、昇圧時等に鉱化剤の溶解が始まる。しかし、アモノサーマル法では鉱化剤の溶解速度によって溶媒中の鉱化剤の濃度が変化することから、係る濃度に影響される原料の溶解度をコントロールすることが困難である。   On the other hand, among the solvothermal methods, for example, in the ammonothermal method, a solid mineralizer is used. In the case of the ammonothermal method in which the mineralizer is placed in an autoclave as a solid, the raw material is charged into a reaction vessel such as an autoclave, and then the mineralizer starts to dissolve at the time of temperature rise or pressure increase until the start of crystal growth. . However, in the ammonothermal method, since the concentration of the mineralizer in the solvent changes depending on the dissolution rate of the mineralizer, it is difficult to control the solubility of the raw material affected by the concentration.

例えば、鉱化剤の溶解速度が遅い場合には、これに伴って原料の溶解速度も遅くなり原料も溶解しにくくなる。このため、十分な結晶成長速度を得られなくなってしまう。一方、極端に鉱化剤の溶解速度が早い場合には、原料を溶解速度が速くなり、結晶の成長速度も促進される。この際、原料の溶解速度の向上に伴って、種結晶の溶解も促進される。しかし、鉱化剤の溶解速度が速すぎると、種結晶を必要以上に溶解することになり、いわゆる種結晶を必要以上にメルトバックすることになる。メルトバックが行き過ぎると種結晶の消失や収率の低下を招いてしまう。ここで、メルトバックとは、種結晶を使用した結晶成長の際に種結晶、種結晶表面の傷、不純物を除去し、良好な結晶を成長するために、種結晶表面をわずかにエッチングすることをいう。   For example, when the dissolution rate of the mineralizer is slow, the raw material dissolution rate is slowed accordingly, and the raw material becomes difficult to dissolve. For this reason, a sufficient crystal growth rate cannot be obtained. On the other hand, when the dissolution rate of the mineralizer is extremely high, the dissolution rate of the raw material is increased, and the crystal growth rate is also promoted. At this time, the dissolution of the seed crystal is promoted with the improvement of the dissolution rate of the raw material. However, if the dissolution rate of the mineralizer is too fast, the seed crystals will be dissolved more than necessary, and so-called seed crystals will be melted back more than necessary. If the meltback goes too far, the seed crystal disappears and the yield decreases. Here, meltback means that the seed crystal surface is slightly etched in order to remove the seed crystal, scratches on the surface of the seed crystal, and impurities during crystal growth using the seed crystal, and to grow a good crystal. Say.

また、アモノサーマル法の場合には、原料にGaN以外に金属ガリウム(Ga)などを使用することが可能である。この場合、金属Gaが鉱化剤中の窒素と反応してGaNを形成するが、この反応の際、鉱化剤自体も消費されていくことが知られている(例えば、特許文献1参照)。即ち、原料に金属Gaを使用した場合、結晶成長開始から成長終了までの間、鉱化剤の消費により、溶媒中の鉱化剤の濃度が変化する。結果として、結晶成長速度をコントロールすることが困難であり、このような方法においては結晶性の良い単結晶を得るのが困難であった。   In the case of the ammonothermal method, metal gallium (Ga) or the like can be used as a raw material in addition to GaN. In this case, metal Ga reacts with nitrogen in the mineralizer to form GaN, and it is known that the mineralizer itself is consumed during this reaction (see, for example, Patent Document 1). . That is, when metal Ga is used as a raw material, the concentration of the mineralizer in the solvent changes from the start of crystal growth to the end of growth due to consumption of the mineralizer. As a result, it is difficult to control the crystal growth rate, and it has been difficult to obtain a single crystal with good crystallinity by such a method.

上述のような問題は、固体状の鉱化剤を用いたアモノサーマル法等に固有の問題であり、鉱化剤を常温常圧で溶媒に溶解した状態(酸、アルカリの溶液として)使用するハイドロサーマル法では、このような問題が生じなかった。また、このようなアモノサーマル法等に用いられるオートクレーブ等について、固体状の鉱化剤の充填方法や鉱化剤充填部の構成について改善する余地があった。
特開2004−2152号公報 鉱物学雑誌 Vol.8 No.6 383〜396頁(1968)
The problems described above are problems inherent to the ammonothermal method using a solid mineralizer, and the mineralizer is dissolved in a solvent at normal temperature and pressure (as an acid or alkali solution). In the hydrothermal method, such a problem did not occur. Further, there is room for improvement in the filling method of the solid mineralizer and the configuration of the mineralizer filling portion of the autoclave used for such ammonothermal method.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-2152 Mineralogical Journal Vol. 8 No. 6 pages 383-396 (1968)

本願発明は、以上のような従来技術における課題である固体状の鉱化剤の溶媒に対する溶解速度を制御し、溶媒中の鉱化剤の溶解度をコントロールすることで、結晶の成長速度を好適に維持し、鉱化剤や種結晶等の寿命を延ばすことができる結晶製造方法および結晶製造装置を提供することを目的とする。   The present invention controls the dissolution rate of the solid mineralizer, which is a problem in the prior art as described above, in the solvent, and controls the solubility of the mineralizer in the solvent, so that the crystal growth rate is suitably adjusted. An object of the present invention is to provide a crystal production method and a crystal production apparatus capable of maintaining and extending the lifetime of mineralizers, seed crystals, and the like.

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、鉱化剤の溶媒に対する接触面積を反応容器の内部水平断面積に対して一定の範囲とすることで、鉱化剤の溶解速度を制御することができることを見出し本発明に到達した。本発明の要旨は下記の通りである。   As a result of intensive investigations to solve the above-mentioned problems, the present inventors set the contact area of the mineralizer to the solvent within a certain range with respect to the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel. The present invention has been found. The gist of the present invention is as follows.

(1) 反応容器中で、超臨界状態および/または亜臨界状態の溶媒、原料、並びに、固体状の鉱化剤を用い、結晶を成長させる結晶製造方法であって、
前記鉱化剤の前記溶媒との全接触面積の合計が、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%となるように、前記鉱化剤を前記反応容器内に配置した状態で前記結晶を成長させることを特徴とする結晶製造方法。
(1) in a reaction vessel, a solvent in a supercritical state and / or subcritical state, the raw material, and, using a solid-like of mineralizer, a crystal manufacturing method for growing crystals,
In the state in which the mineralizer is arranged in the reaction vessel so that the total contact area of the mineralizer with the solvent is 2 to 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel. A method for producing a crystal, characterized in that:

(2) 前記反応容器は、容器内に前記鉱化剤を充填する鉱化剤充填部を有することを特徴とする前記(1)に記載の結晶製造方法。 (2) The crystal production method according to (1), wherein the reaction vessel has a mineralizer filling portion for filling the mineralizer in the vessel.

(3) 前記鉱化剤充填部の開口面積の合計が、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%であることを特徴とする前記(2)に記載の結晶製造方法。 (3) The method for producing a crystal according to (2), wherein the total opening area of the mineralizer filling portion is 2 to 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel.

(4) 前記鉱化剤充填部の水平断面積が、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%であることを特徴とする前記(2)または(3)に記載の結晶製造方法。 (4) The crystal production method according to (2) or (3), wherein a horizontal cross-sectional area of the mineralizer filling portion is 2 to 80% of an internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel.

(5) 前記鉱化剤充填部が前記反応容器の容器内底部と一体に設けられていることを特徴とする前記(2)〜(4)のいずれかに記載の結晶製造方法。 (5) The crystal production method according to any one of (2) to (4), wherein the mineralizer filling part is provided integrally with a container inner bottom part of the reaction container.

(6) 前記鉱化剤充填部が、前記反応容器内に別に設置されたるつぼであることを特徴とする前記(2)〜(4)のいずれかに記載の結晶製造方法。 (6) The crystal production method according to any one of (2) to (4), wherein the mineralizer filling part is a crucible separately installed in the reaction vessel.

(7) 前記鉱化剤が成形されていることを特徴とする前記(1)〜(6)のいずれかに記載の結晶製造方法。 (7) The crystal production method according to any one of (1) to (6), wherein the mineralizer is formed.

(8) 得られる結晶が単結晶であることを特徴とする前記(1)〜(7)のいずれかに記載の結晶製造方法。 (8) The crystal production method according to any one of (1) to (7), wherein the obtained crystal is a single crystal.

(9) 得られる結晶が周期表第13族元素窒化物であることを特徴とする前記(1)〜(8)のいずれかに記載の結晶製造方法。 (9) The crystal production method according to any one of (1) to (8), wherein the obtained crystal is a periodic table group 13 element nitride.

(10) 前記溶媒が窒素含有溶媒であることを特徴とする前記(1)〜(9)のいずれかに記載の結晶製造方法。 (10) The crystal production method according to any one of (1) to (9), wherein the solvent is a nitrogen-containing solvent.

(11) 前記反応容器がオートクレーブであることを特徴とする前記(1)〜(10)のいずれかに記載の結晶製造方法。 (11) The crystal production method according to any one of (1) to (10), wherein the reaction vessel is an autoclave.

(12) 反応容器を備え、前記反応容器中で、超臨界状態および/または亜臨界状態の溶媒、原料、並びに、固体状の鉱化剤を用い、結晶を成長させる結晶製造装置であって、
前記反応容器は、容器内に前記鉱化剤を充填する鉱化剤充填部を有しており、
前記結晶の成長時に、前記鉱化剤充填部に充填した前記鉱化剤の前記溶媒との全接触面積の合計が、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%となるように設計されていることを特徴とする結晶製造装置。
(12) comprises a reaction vessel, in the reaction vessel, the supercritical state and / or solvent subcritical state, the raw material, and, using a solid-like of mineralizer, a crystal manufacturing apparatus for growing a crystal ,
The reaction vessel has a mineralizer filling part for filling the mineralizer in the vessel,
The total contact area of the mineralizer filled in the mineralizer filling portion with the solvent during the growth of the crystal is designed to be 2 to 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel. The crystal manufacturing apparatus characterized by the above-mentioned.

(13) 前記反応容器は、容器内に前記鉱化剤を充填する鉱化剤充填部を有することを特徴とする前記(12)に記載の結晶製造装置。 (13) The crystal production apparatus according to (12), wherein the reaction vessel includes a mineralizer filling unit that fills the vessel with the mineralizer.

(14) 前記鉱化剤充填部の開口面積の合計が、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%であることを特徴とする前記(13)に記載の結晶製造装置。 (14) The crystal manufacturing apparatus according to (13), wherein the total opening area of the mineralizer filling portion is 2 to 80% of the internal horizontal sectional area of the reaction vessel.

(15) 前記鉱化剤充填部の水平断面積が、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%であることを特徴とする前記(13)または(14)に記載の結晶製造装置。 (15) The crystal manufacturing apparatus according to (13) or (14), wherein a horizontal cross-sectional area of the mineralizer filling portion is 2 to 80% of an internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel.

(16) 前記鉱化剤充填部が前記反応容器の容器内底部と一体に設けられていることを特徴とする前記(13)〜(15)のいずれかに記載の結晶製造装置。 (16) The crystal production apparatus according to any one of (13) to (15), wherein the mineralizer filling part is provided integrally with a container inner bottom part of the reaction container.

(17) 前記鉱化剤充填部が、前記反応容器内に別に設置されたるつぼであることを特徴とする前記(13)〜(15)のいずれかに記載の結晶製造装置。 (17) The crystal manufacturing apparatus according to any one of (13) to (15), wherein the mineralizer filling unit is a crucible separately installed in the reaction vessel.

(18) 前記反応容器がオートクレーブであることを特徴とする前記(12)〜(17)のいずれかに記載の結晶製造装置。 (18) The crystal production apparatus according to any one of (12) to (17), wherein the reaction vessel is an autoclave.

本発明の結晶製造方法および結晶製造装置により、固体状の鉱化剤の溶媒に対する溶解速度を制御し、溶媒中の鉱化剤の溶解度をコントロールすることで、結晶の成長速度を好適に維持し、鉱化剤や種結晶等の寿命を延ばすことができる。これにより、結晶性に優れた結晶を効率良く製造することができる。   By controlling the dissolution rate of the solid mineralizer in the solvent and controlling the solubility of the mineralizer in the solvent by the crystal production method and the crystal production apparatus of the present invention, the crystal growth rate is suitably maintained. In addition, the lifetime of mineralizers and seed crystals can be extended. Thereby, the crystal | crystallization excellent in crystallinity can be manufactured efficiently.

以下において、本発明の結晶製造方法および結晶製造装置について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。   Hereinafter, the crystal production method and the crystal production apparatus of the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

本発明は、反応容器中で、(1)超臨界状態および/または亜臨界状態の溶媒、並びに、(2)固体状の鉱化剤を用い、前記鉱化剤の前記溶媒との全接触面積の合計を、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%とすることを特徴とする。本発明の結晶製造方法およびこれに用いられる結晶製造装置は、鉱化剤の溶媒に対する接触面積を反応容器の内部水平断面積の2〜80%とすることで、固体状の鉱化剤の溶媒に対する接触面積を小さくすることができる。このため、鉱化剤の溶媒に対する溶解速度を抑制することができ、これに伴って溶媒中の鉱化剤の溶解濃度を制御することができる。このように、溶媒中の鉱化剤の溶解濃度を制御することで、目的とする結晶(特に単結晶)を形成する原料の溶媒に対する溶解速度を所望の範囲に維持することができ、これにより、結晶の成長速度を好適に維持することができる。さらに、結晶の成長速度を維持することで、多核核発生を防止することができ、結晶性に優れた単結晶を製造することができる。   In the reaction vessel, the present invention uses (1) a supercritical and / or subcritical solvent, and (2) a solid mineralizer, and the total contact area of the mineralizer with the solvent Is 2 to 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel. The crystal production method of the present invention and the crystal production apparatus used in the method are as follows. The contact area of the mineralizer with respect to the solvent is 2 to 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel. The contact area with respect to can be reduced. For this reason, the melt | dissolution rate with respect to the solvent of a mineralizer can be suppressed, and the melt | dissolution density | concentration of the mineralizer in a solvent can be controlled in connection with this. Thus, by controlling the dissolution concentration of the mineralizer in the solvent, the dissolution rate of the raw material for forming the target crystal (especially a single crystal) in the solvent can be maintained within a desired range. The crystal growth rate can be suitably maintained. Furthermore, by maintaining the crystal growth rate, the generation of polynuclear nuclei can be prevented, and a single crystal having excellent crystallinity can be produced.

本発明は、ソルボサーマル法の中で、固体状の鉱化剤を使用する方法に好適であり、特にアモノサーマル法に好適に使用することができる。また、本発明における反応容器は、超臨界状態および/または亜臨界状態の溶媒(以下、「超臨界溶媒」と称する)を用いた結晶成長に適用できるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、オートクレーブであることが好ましい。   The present invention is suitable for a method using a solid mineralizer in the solvothermal method, and particularly suitable for an ammonothermal method. The reaction vessel in the present invention is not particularly limited as long as it can be applied to crystal growth using a solvent in a supercritical state and / or a subcritical state (hereinafter referred to as “supercritical solvent”). For example, an autoclave is preferable.

まず、本発明の結晶製造装置および本発明の製造方法に用いられる装置としてオートクレーブを用いた場合を例に図1および図2を用いて本発明における基準について説明する。但し、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。   First, the reference in the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 taking as an example the case where an autoclave is used as the crystal manufacturing apparatus of the present invention and the apparatus used in the manufacturing method of the present invention. However, the present invention is not limited to these embodiments.

図1は、るつぼを用いた本発明の結晶製造装置を示す断面図であり、図2は、本発明における鉱化剤の溶媒に対する接触面積と反応容器の内部水平断面積とを示す説明図である。図1において、結晶製造装置1は、アモノサーマル法に使用されるオートクレーブを有するものであり、反応容器(オートクレーブ)2と、導管3とから構成される。反応容器2は、結晶成長領域4と、原料充填領域5とを有し、その境界にはバッフル板6が設けられている。反応容器2の内部には、結晶充填領域5に固体状の鉱化剤7が充填された2つのるつぼ8Aおよび8Bが載置されており、さらに、製造目的となる結晶の原料(多結晶原料)10がるつぼ8Aおよび8Bの間を埋めるように充填されている。また、反応容器2の結晶成長領域4には、複数の種結晶9が備えられている。尚、図1および図2において、反応容器2、るつぼ8Aおよび8Bは円柱状であるものとする。また、以降の図において紙面上方から下方が重力方向となる。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a crystal production apparatus of the present invention using a crucible, and FIG. 2 is an explanatory view showing a contact area of a mineralizer with a solvent in the present invention and an internal horizontal cross-sectional area of a reaction vessel. is there. In FIG. 1, a crystal production apparatus 1 has an autoclave used for an ammonothermal method, and is composed of a reaction vessel (autoclave) 2 and a conduit 3. The reaction vessel 2 has a crystal growth region 4 and a raw material filling region 5, and a baffle plate 6 is provided at the boundary. Inside the reaction vessel 2, two crucibles 8A and 8B in which a solid mineralizer 7 is filled in a crystal filling region 5 are placed, and further, a crystal raw material (polycrystalline raw material to be manufactured) ) 10 is filled to fill between crucibles 8A and 8B. The crystal growth region 4 of the reaction vessel 2 is provided with a plurality of seed crystals 9. 1 and 2, the reaction vessel 2 and the crucibles 8A and 8B are assumed to be cylindrical. In the following drawings, the direction from the top to the bottom of the page is the direction of gravity.

反応容器2の外側には、高温高圧の系に温度差を設けるために、その近傍に複数のヒーター11、および、熱電対12が備えられている。オートクレーブ1は、ヒーター11および熱電対12によって反応容器2を複数のゾーンに分けて温度制御可能なように構成されており(図1では、紙面に対し上下2つのゾーンに分かれている)、ゾーン毎に出力を変更することができる。この温度差は、溶解度曲線が正の傾きを持つ(温度を高くすると溶解度が大きくなる)場合には、オートクレーブ1の上部に行くに従って、より低温になるように設定される。   A plurality of heaters 11 and thermocouples 12 are provided in the vicinity of the outside of the reaction vessel 2 in order to provide a temperature difference in the high-temperature and high-pressure system. The autoclave 1 is configured such that the temperature can be controlled by dividing the reaction vessel 2 into a plurality of zones by a heater 11 and a thermocouple 12 (in FIG. 1, it is divided into two zones, upper and lower with respect to the paper surface). The output can be changed every time. This temperature difference is set so that the solubility curve becomes a lower temperature as it goes to the upper part of the autoclave 1 when the solubility curve has a positive slope (the higher the temperature, the higher the solubility).

オートクレーブ1は、図1に示す状態から真空脱気後に導管3を介してNH3等の超臨界溶媒を反応容器2内に充填させ、高圧下で結晶成長領域4および原料充填領域の間に温度差をつけながら昇温させる。更に、反応容器2の温度が所定の温度に達した後、一定時間保持することで、種結晶状に所望の単結晶を析出させることができる。 In the autoclave 1, after vacuum degassing from the state shown in FIG. 1, a supercritical solvent such as NH 3 is filled into the reaction vessel 2 through the conduit 3, and the temperature is increased between the crystal growth region 4 and the raw material filling region under high pressure. Raise the temperature while making a difference. Furthermore, after the temperature of the reaction vessel 2 reaches a predetermined temperature, a desired single crystal can be deposited in the form of a seed crystal by holding for a certain period of time.

本発明の結晶製造方法においては、鉱化剤7の溶媒との全接触面積の合計を、反応容器2の内部水平断面積の2〜80%とする。鉱化剤の接触面積の合計が、反応容器の内部水平断面積の2%未満であると、鉱化剤の溶解速度が遅くなり過ぎ、結果として、原料の溶解速度が低下して原料が溶媒に溶解しにくくなるため、十分な原料の結晶成長速度を得ることができない。また、鉱化剤の接触面積の合計が、反応容器の内部水平断面積の80%を超えると、鉱化剤の溶解速度が速くなりすぎ、原料のみならず種結晶の溶解が促進され、種結晶の過剰なメルトバックや種結晶の消失を招き、結晶の収率が低下してしまう。   In the crystal production method of the present invention, the total contact area of the mineralizer 7 with the solvent is 2 to 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel 2. If the total contact area of the mineralizer is less than 2% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel, the dissolution rate of the mineralizer becomes too slow, and as a result, the dissolution rate of the raw material decreases and the raw material becomes a solvent. Therefore, a sufficient crystal growth rate of the raw material cannot be obtained. Further, if the total contact area of the mineralizer exceeds 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel, the dissolution rate of the mineralizer becomes too fast, and the dissolution of not only the raw material but also the seed crystal is promoted. An excessive meltback of crystals and disappearance of seed crystals are caused, and the yield of crystals is lowered.

鉱化剤の接触面積の合計は、鉱化剤の溶媒への溶解の観点から、反応容器の内部水平断面積に対して、下限は好ましくは10%であり、更に好ましくは20%であり、一方、上限は好ましくは70%であり、更に好ましくは50%である。   From the viewpoint of dissolution of the mineralizer in the solvent, the total contact area of the mineralizer is preferably 10%, more preferably 20%, with respect to the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel. On the other hand, the upper limit is preferably 70%, more preferably 50%.

ここで、「鉱化剤の溶媒との全接触面積の合計」とは、反応容器内において鉱化剤の溶媒と接触する面積を意味し、複数の鉱化剤が設置されている場合には、これらの接触面積の合計を意味する。例えば、鉱化剤を鉱化剤充填部に充填して反応容器内に設置する場合には、充填剤充填部の開口部においてのみ溶媒と接触することになるため、かかる充填剤充填部の開口面積の合計が鉱化剤の接触面積の合計にほぼ該当することになる。特にるつぼなど紙面上方においてのみ開口部を有している場合、即ち、鉱化剤の接触面積を、鉱化剤を紙面上方から観察した際における表面積のみと見なすことができる場合には、鉱化剤の水平断面積を基準に全接触面積の合計を算出してもよい。   Here, “the sum of the total contact area with the solvent of the mineralizer” means an area in contact with the solvent of the mineralizer in the reaction vessel, and when a plurality of mineralizers are installed. Means the sum of these contact areas. For example, when the mineralizer is filled in the mineralizer filling portion and installed in the reaction vessel, it comes into contact with the solvent only at the opening of the filler filling portion. The total area corresponds to the total contact area of the mineralizer. Mineralization, especially when an opening is provided only above the paper surface, such as a crucible, that is, when the contact area of the mineralizer can be regarded as only the surface area when the mineralizer is observed from above the paper surface. You may calculate the sum total of all the contact areas on the basis of the horizontal cross-sectional area of an agent.

また、「反応容器の内部水平断面積」とは、反応容器の原料充填領域の最大内径において重力方向に対して水平方向にカットした際における、その内径の水平断面積を意味する。   The “inner horizontal cross-sectional area of the reaction vessel” means the horizontal cross-sectional area of the inner diameter when the reaction vessel is cut in the horizontal direction with respect to the direction of gravity at the maximum inner diameter of the raw material filling region of the reaction vessel.

即ち、図1においては、反応容器2の鉱化剤7が設置されている任意の部位(例えば、破線L1〜L3)において反応容器を重力方向に対して水平方向にカットした場合における、鉱化剤の水平断面積の合計と反応容器の内部水平断面積とが本発明の基準となる。   That is, in FIG. 1, the mineralization in the case where the reaction vessel is cut in the horizontal direction with respect to the direction of gravity at any portion (for example, broken lines L1 to L3) where the mineralizer 7 of the reaction vessel 2 is installed. The sum of the horizontal cross-sectional areas of the agent and the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel are the criteria of the present invention.

具体的には、図1における破線L1の位置で反応容器2を水平方向にカットした場合、鉱化剤7の接触面積の合計は、矢印SA1および矢印SA2のそれぞれを直径とする図2に示す円S1およびS2の面積の合計となる。円S1およびS2は、るつぼ8Aおよび8Bの開口面積にそれぞれ該当する。一方、図1の破線L1の位置における反応容器2の内部水平断面積は、矢印SB1を直径とする図2に示す円SBの面積となる。   Specifically, when the reaction vessel 2 is cut in the horizontal direction at the position of the broken line L1 in FIG. 1, the total contact area of the mineralizer 7 is shown in FIG. 2 where each of the arrows SA1 and SA2 has a diameter. This is the sum of the areas of the circles S1 and S2. Circles S1 and S2 correspond to the opening areas of crucibles 8A and 8B, respectively. On the other hand, the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel 2 at the position of the broken line L1 in FIG. 1 is the area of a circle SB shown in FIG. 2 having the diameter of the arrow SB1.

また、図1においては反応容器2およびるつぼ8Aおよび8Bは円柱状であることから、破線L2およびL3で反応容器2を水平方向にカットした場合であっても、それぞれ、鉱化剤7の接触面積の合計は円S1およびS2の面積の合計となり、反応容器2の内部水平断面積は円SBの面積となる。   Further, in FIG. 1, since the reaction vessel 2 and the crucibles 8A and 8B are cylindrical, even when the reaction vessel 2 is cut in the horizontal direction along the broken lines L2 and L3, the contact with the mineralizer 7 respectively. The total area is the sum of the areas of the circles S1 and S2, and the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel 2 is the area of the circle SB.

即ち、図1および図2に示す結晶製造装置においては、円S1および円S2の面積の合計を、円SBの面積の2〜80%とすることで、鉱化剤の溶解速度を好適に維持することができる。尚、図1および図2においては、円柱状の反応容器およびるつぼを用いたため、いずれの位置においても鉱化剤の接触面積および反応容器の内部水平断面積は同じであったが、部位によってこれらの面積が異なる形状を採用した場合には、他の全ての部位において本発明の要件を満たすことが必要である。   That is, in the crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1 and FIG. 2, the dissolution rate of the mineralizer is suitably maintained by setting the total area of the circle S1 and the circle S2 to 2 to 80% of the area of the circle SB. can do. In FIGS. 1 and 2, since the cylindrical reaction vessel and the crucible were used, the contact area of the mineralizer and the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel were the same at any position. When shapes having different areas are adopted, it is necessary to satisfy the requirements of the present invention in all other parts.

また、図3に示すように本発明の結晶製造装置1は、鉱化剤充填部13が反応容器2の容器内底部と一体に設けられている態様であってもよい。図3は、一体された鉱化剤充填部を備えた本発明の結晶製造装置を示す断面図である。この場合、鉱化剤7の接触面積の合計は矢印SA3を直径とする円の面積に該当し、反応容器2の内部水平断面積は矢印SB1を直径とする円の面積に該当する。   Moreover, as shown in FIG. 3, the crystal production apparatus 1 of the present invention may have a mode in which the mineralizer filling portion 13 is provided integrally with the inner bottom portion of the reaction vessel 2. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the crystal manufacturing apparatus of the present invention having an integrated mineralizer filling portion. In this case, the total contact area of the mineralizer 7 corresponds to the area of a circle whose diameter is the arrow SA3, and the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel 2 corresponds to the area of the circle whose diameter is the arrow SB1.

さらに、図4に示すように本発明の結晶製造装置1は、ペレタイズした鉱化剤を積み上げた積層体を用いてもよい。図4は、ペレタイズされた鉱化剤を用いた本発明の結晶製造装置を示す断面図である。図4において、結晶製造装置1の反応容器2の底部には、ペレタイズされた鉱化剤の積層体14が載置されている。この態様の場合、鉱化剤の積層体14は、鉱化剤の接触面積の合計は矢印SA4を直径とする円の面積と側面の面積の和に該当し、反応容器2の内部水平断面積は矢印SB1を直径とする円の面積に該当する。   Furthermore, as shown in FIG. 4, the crystal manufacturing apparatus 1 of the present invention may use a laminate in which pelletized mineralizers are stacked. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a crystal production apparatus of the present invention using a pelletized mineralizer. In FIG. 4, a pelletized mineralizer laminate 14 is placed on the bottom of the reaction vessel 2 of the crystal production apparatus 1. In this embodiment, the total contact area of the mineralizers in the laminate 14 of the mineralizer corresponds to the sum of the area of the circle having the diameter of the arrow SA4 and the area of the side surface, and the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel 2 Corresponds to the area of a circle having the diameter of the arrow SB1.

以下、本発明について、アンモニア等の窒素含有溶媒を用いて第13族窒化物結晶を成長するアモノサーマル法を例に適宜図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate, taking as an example an ammonothermal method of growing a group 13 nitride crystal using a nitrogen-containing solvent such as ammonia.

[結晶製造装置]
(反応容器)
本発明の結晶製造装置は、少なくとも本発明における反応容器を有する。前記反応容器としてはオートクレーブが好適である。
オートクレーブ(本発明における反応容器)の構造について説明する。オートクレーブは、通常、蓋体と容体のように分離されており、ガスケット等を用いて封止されている。また、熱電対等を挿入するための凹部を有していてもよい。尚、図1に示すように、本発明における反応容器には、導管を有するオートクレーブも含まれる。
[Crystal production equipment]
(Reaction vessel)
The crystal production apparatus of the present invention has at least the reaction vessel of the present invention. An autoclave is suitable as the reaction vessel.
The structure of the autoclave (reaction vessel in the present invention) will be described. The autoclave is usually separated like a lid and a container and sealed with a gasket or the like. Moreover, you may have a recessed part for inserting a thermocouple etc. As shown in FIG. 1, the reaction vessel in the present invention includes an autoclave having a conduit.

オートクレーブは昇温反応中に超臨界溶媒(例えば、超臨界アンモニア)の超高圧に相当する圧力に耐え得るものであることが好ましい。オートクレーブを形成する材料としては、耐圧性を有し、耐浸食性を有するものであれば特に制限はなく用いることができる。特に、高温高圧に耐え、かつ、アンモニアに対する高い耐浸食性を示すNi系の合金、ステライト(デロロ・ステライト・カンパニー・インコーポレーテッドの登録商標)等のCo系合金を用いることが好ましく、Ni系の合金を用いることが特に好ましい。具体的な材料としては、Inconel625(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標。以下同じ)、Nimonic90(Nimonicはスペシャル メタルズ ウィギン リミテッドの登録商標。以下同じ)、RENE41等が挙げられる。   The autoclave is preferably capable of withstanding a pressure corresponding to the ultrahigh pressure of a supercritical solvent (for example, supercritical ammonia) during the temperature rising reaction. The material for forming the autoclave is not particularly limited as long as it has pressure resistance and erosion resistance. In particular, it is preferable to use a Ni-based alloy that can withstand high temperature and high pressure and has high erosion resistance against ammonia, and a Co-based alloy such as Stellite (registered trademark of Deloro Stellite Company, Inc.). It is particularly preferable to use an alloy. Specific examples of the material include Inconel 625 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same applies hereinafter), Nimonic 90 (Nimonic is a registered trademark of Special Metals Wiggin Limited, the same applies hereinafter), RENE41, and the like.

これらの合金の組成比率は、系内の溶媒の温度・圧力の条件および系内に含まれる前記各種の鉱化剤およびそれらの反応物との反応性および/または酸化力・還元力、pHの条件に従い、適宜選択すればよい。これらをオートクレーブの内面を構成する材料として用いる方法としては、オートクレーブ自体をこれらの合金を用いて製造する方法や、内筒として薄膜を形成してオートクレーブ内に設置する方法でもよく、任意のオートクレーブの材料の内面にメッキ処理を施す方法でもよい。   The composition ratio of these alloys depends on the temperature / pressure conditions of the solvent in the system, the reactivity with the various mineralizers contained in the system and their reactants, and / or the oxidizing power / reducing power, pH. What is necessary is just to select suitably according to conditions. As a method of using these as a material constituting the inner surface of the autoclave, a method of manufacturing the autoclave itself using these alloys, a method of forming a thin film as an inner cylinder and installing it in the autoclave may be used. A method of plating the inner surface of the material may also be used.

オートクレーブの耐浸食性をより向上させるため、貴金属の優れた耐浸食性を利用して、貴金属をオートクレーブの内表面にライニングまたはコーティングしてもよい。また、オートクレーブの材質自体を貴金属とすることもできる。前記貴金属としてはPt、Au、Ir、Ru、Rh、Pd、Ag、Osならびにこれらの貴金属を主成分とする合金が挙げられ、中でも優れた耐浸食性を有するPtを用いることが好ましい。   In order to further improve the erosion resistance of the autoclave, the inner surface of the autoclave may be lined or coated using the superior erosion resistance of the noble metal. Further, the material of the autoclave itself can be a noble metal. Examples of the noble metal include Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, and alloys containing these noble metals as main components. Among them, it is preferable to use Pt having excellent erosion resistance.

オートクレーブの内表面を貴金属でライニングまたはコーティングする場合、内表面全てをライニングまたはコーティングすることが困難である場合には、オートクレーブの上部の一部および/または下部の一部にライニングまたはコーティングすることができない部分が存してもよい。   When the inner surface of the autoclave is lined or coated with a noble metal, if it is difficult to line or coat the entire inner surface, it may be lined or coated on the upper part and / or the lower part of the autoclave. There may be parts that cannot be done.

オートクレーブは、所要に応じて、内部にバッフル板(図1におけるバッフル板6)を設置して、GaN多結晶窒化物等からなる原料を充填した原料充填領域とGaN等の種結晶を配置する結晶成長領域とに区画される。尚、以下、原料として、GaN多結晶窒化物を、種結晶としてGaNを用いた場合を例に本発明について説明されることがあるが、本発明はこれに限定されるものではない。   The autoclave is a crystal in which a baffle plate (baffle plate 6 in FIG. 1) is installed inside as required, and a raw material filling region filled with a raw material made of GaN polycrystalline nitride or the like and a seed crystal such as GaN are arranged. It is divided into growth regions. Hereinafter, the present invention may be described by taking GaN polycrystalline nitride as a raw material and GaN as a seed crystal as an example, but the present invention is not limited to this.

(鉱化剤充填部)
本発明においては、反応容器内に鉱化剤を充填する鉱化剤充填部を設けることができる。鉱化剤充填部は、反応容器の容器内底部と一体に設けられていてもよいし、鉱化剤充填部をるつぼとして、反応容器内に、反応容器とは別に(一体ではなく)設置してもよい。また、鉱化剤充填部は、1つだけ設けてもよいし、2以上の鉱化剤充填部を設けてもよい。さらに、鉱化剤充填部のサイズおよび容量は目的に応じて適宜選択することができる。
(Mineralizer filling part)
In this invention, the mineralizer filling part which fills a mineralizer with a reaction container can be provided. The mineralizer filling portion may be provided integrally with the bottom of the reaction vessel, or the mineralizer filling portion may be installed in the reaction vessel as a crucible separately from the reaction vessel (not integrally). May be. Moreover, only one mineralizer filling portion may be provided, or two or more mineralizer filling portions may be provided. Furthermore, the size and capacity of the mineralizer filling portion can be appropriately selected according to the purpose.

また、鉱化剤充填部の開口部の部位およびその数は特に限定されないが、上方に一つの開口部を有するものが好ましい。また、鉱化剤充填部の形状は特に限定されないが、円筒状であることが好ましい。更に、鉱化剤充填部の断面形状は、多角形でも円形でもよいが、正円であることが好ましい。また、原料充填領域に鉱化剤を設置後、上から鉱化剤を押すなどして圧縮し、鉱化剤間の空隙を無くしても良い。   Moreover, although the site | part and the number of the opening part of a mineralizer filling part are not specifically limited, What has one opening part upwards is preferable. Moreover, the shape of the mineralizer filling portion is not particularly limited, but is preferably cylindrical. Furthermore, the cross-sectional shape of the mineralizer filling portion may be polygonal or circular, but is preferably a perfect circle. Moreover, after installing a mineralizer in a raw material filling area | region, it compresses by pushing a mineralizer from the top etc., and you may eliminate the space | gap between mineralizers.

鉱化剤充填部を反応容器内底部に一体に設置する場合、例えば、オートクレーブを作製する段階で、その底部の内径をオートクレーブ上部よりも小さくして凹部状部分を設けたり、底面状に凹状のくぼみを1以上設けてもよい。   When the mineralizer filling part is integrally installed at the bottom of the reaction vessel, for example, at the stage of producing the autoclave, the inner diameter of the bottom is made smaller than the top of the autoclave to provide a concave part, or the bottom part has a concave shape. One or more indentations may be provided.

また、鉱化剤充填部としてるつぼを用いる場合、るつぼの数は特に限定されず、目的に応じて1または複数のるつぼを用いることができる。また、るつぼの材質としては、超臨界アンモニア等の超臨界溶媒に対して耐触性を有するものであれば特に限定されず、例えば、pBN(Pyrolitic Boron Nitride)、白金、イリジウムなどが挙げられる。るつぼの形状は特に限定されないが、円筒状であることが好ましい。更に、るつぼの断面形状は、多角形でも円形でもよいが、正円であることが好ましい。   Moreover, when using a crucible as a mineralizer filling part, the number of crucibles is not specifically limited, According to the objective, 1 or several crucibles can be used. The material of the crucible is not particularly limited as long as it has contact resistance to a supercritical solvent such as supercritical ammonia, and examples thereof include pBN (Pyrolitic Boron Nitride), platinum, and iridium. The shape of the crucible is not particularly limited, but is preferably a cylindrical shape. Furthermore, the cross-sectional shape of the crucible may be polygonal or circular, but is preferably a perfect circle.

更に、るつぼは、鉱化剤の粒径よりも小さい孔を有するバスケット(かご状)のものであってもよいが、好ましくは、開口部を一つ有する箱状のものが好ましい。   Further, the crucible may be a basket (cage shape) having pores smaller than the particle size of the mineralizer, but a box shape having one opening is preferable.

(バッフル板)
本発明の結晶製造装置は、結晶成長領域と原料充填領域とを区画するために少なくとも1枚のバッフル板を備えていてもよい。前記バッフル板としては、その開孔率が2〜10%のものが好ましい。バッフル板の開孔率を制御することにより、超臨界溶媒の対流を制御し、結晶成長領域と原料充填領域とに温度差を形成し、成長条件下における結晶成長領域でのGaNの過飽和度を適正に制御することが容易になる。
(Baffle plate)
The crystal manufacturing apparatus of the present invention may include at least one baffle plate to partition the crystal growth region and the raw material filling region. The baffle plate preferably has a hole area ratio of 2 to 10%. By controlling the aperture ratio of the baffle plate, the convection of the supercritical solvent is controlled, a temperature difference is formed between the crystal growth region and the raw material filling region, and the supersaturation degree of GaN in the crystal growth region under the growth conditions is increased. Proper control becomes easy.

ここで、「過飽和」とは、溶解量が飽和状態より以上に増加した状態をいい、「過飽和度」とは、下記式(1)に表わされるように、過飽和状態の溶解量と飽和状態の溶解量との比をいう。溶液成長法においては、原料充填領域からの対流によるGaNの輸送により過飽和状態になっている結晶成長領域のGaNの溶解量と、結晶成長領域の飽和状態でのGaNの溶解量との比をいう。   Here, “supersaturation” means a state in which the amount of dissolution has increased more than the saturation state, and “supersaturation degree” means that the amount of dissolution in the supersaturated state and the saturation state as expressed in the following formula (1). The ratio to the amount dissolved. In the solution growth method, it refers to the ratio between the amount of GaN dissolved in the crystal growth region that is supersaturated by GaN transport by convection from the raw material filling region and the amount of GaN dissolved in the saturation state of the crystal growth region. .

Figure 0005454828
なお、本発明において、過飽和度は、原料窒化物の充填量、バッフル板の開孔率、原料充填領域と結晶成長領域との温度差等を適宜変更・選定することにより制御できる。
Figure 0005454828
In the present invention, the degree of supersaturation can be controlled by appropriately changing and selecting the filling amount of the raw material nitride, the baffle plate opening ratio, the temperature difference between the raw material filling region and the crystal growth region, and the like.

前記バッフル板は、前記オートクレーブと同様の材質で構成されていてもよいが、さらに耐浸食性をもたせ、結晶を高純度化するためにバッフル板の表面を、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)またはpBNで構成することが好ましい。より好ましくはイリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、金(Au)等の貴金属であり、最も好ましくは白金(Pt)である。   The baffle plate may be made of the same material as that of the autoclave. However, the surface of the baffle plate is made of nickel (Ni) or tantalum (Ta) in order to provide further erosion resistance and to refine the crystal. , Titanium (Ti), niobium (Nb) or pBN. More preferred is a noble metal such as iridium (Ir), palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au), and most preferred is platinum (Pt).

[結晶製造]
アモノサーマル法の場合、製造する対象となる結晶は第13族窒化物結晶であり、原料中の第13族元素に依存する。製造の対象となる結晶は、主としてB、Al、Ga、In等の第13族元素の単独金属の窒化物の結晶または合金の窒化物(例えば、GaInN、GaAlN)の結晶であることが好ましく、窒化ガリウム結晶および窒化アルミニウムであることがさらに好ましい。
[Crystal production]
In the case of the ammonothermal method, the crystal to be manufactured is a group 13 nitride crystal, which depends on the group 13 element in the raw material. It is preferable that the crystal to be manufactured is mainly a crystal of a single metal nitride of a group 13 element such as B, Al, Ga, In or a crystal of an alloy nitride (for example, GaInN, GaAlN), More preferred are gallium nitride crystals and aluminum nitride.

また、製造される結晶は単結晶である。アモノサーマル法で得られる単結晶の大きさは、オートクレーブのサイズや種結晶のサイズ等の条件により異なるが、内径100mmのオートクレーブの場合φ3インチの大きさのものを得ることが可能である。   In addition, the manufactured crystal is a single crystal. The size of the single crystal obtained by the ammonothermal method depends on conditions such as the size of the autoclave and the size of the seed crystal, but an autoclave having an inner diameter of 100 mm can have a size of φ3 inches.

(原料)
目的物が第13族窒素化合物結晶の場合、その原料としては、通常、第13族窒化物結晶の多結晶原料が用いられる。前記原料としては、窒化ガリウムを含有する原料が好ましい。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によっては、第13族元素がメタルの状態(すなわちゼロ価)である金属成分を含有してもよく、例えば、結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。
(material)
When the target product is a Group 13 nitrogen compound crystal, a polycrystalline material of Group 13 nitride crystal is usually used as the material. As the raw material, a raw material containing gallium nitride is preferable. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and depending on the conditions, the group 13 element may contain a metal component in a metal state (that is, zero valence). For example, the crystal is gallium nitride. In some cases, a mixture of gallium nitride and metal gallium may be mentioned.

原料となる多結晶原料の製造方法は特に制限されず、例えば、アンモニアガスを流通させた反応容器内で、金属またはその酸化物もしくは水酸化物をアンモニアと反応させることにより生成した窒化物多結晶を用いることができる。また、より反応性の高い金属化合物原料として、ハロゲン化物、アミド化合物、イミド化合物、ガラザンなどの共有結合性M−N結合を有する化合物などを用いることができる。さらに、Gaなどの金属を高温高圧で窒素と反応させて作製した窒化物多結晶(例えばGaN)を用いることもできる。   The production method of the polycrystalline raw material to be the raw material is not particularly limited. For example, a nitride polycrystalline produced by reacting a metal or its oxide or hydroxide with ammonia in a reaction vessel in which ammonia gas is circulated. Can be used. In addition, as a metal compound raw material having higher reactivity, a compound having a covalent MN bond such as a halide, an amide compound, an imide compound, or galazan can be used. Furthermore, nitride polycrystal (for example, GaN) produced by reacting a metal such as Ga with nitrogen at a high temperature and a high pressure can also be used.

前記多結晶原料は、これを結晶成長させて高品質の結晶を得るために、できるだけ水や酸素の混入を回避すべきである。そのために、多結晶原料中の酸素含有量は、通常5質量%以下、好ましくは2質量%以下、特に好ましくは0.5質量%以下である。多結晶原料への酸素の混入しやすさは、水分との反応性または吸収能との関連がある。多結晶原料の結晶性が悪いほど表面等にNH基などの活性基が多く存在し、それが水と反応して一部酸化物や水酸化物が生成する可能性があるためである。このため、多結晶原料としては、通常、できるだけ結晶性が高いものを使用することが望ましく、該結晶性は粉末X線回折の半値幅で見積もることができる。好ましい多結晶原料は、(100)の回折線(ヘキサゴナル型窒化ガリウムでは2θ=約32.5°)の半値幅が、通常0.25°以下、好ましくは0.20°以下、さらに好ましくは0.17°以下である。   In order to obtain a high quality crystal by crystal growth of the polycrystalline raw material, mixing of water and oxygen should be avoided as much as possible. Therefore, the oxygen content in the polycrystalline raw material is usually 5% by mass or less, preferably 2% by mass or less, and particularly preferably 0.5% by mass or less. The ease with which oxygen is mixed into the polycrystalline raw material is related to the reactivity with water or the absorption capacity. This is because the worse the crystallinity of the polycrystalline raw material, the more active groups such as NH groups exist on the surface and the like, and this may react with water to generate some oxides or hydroxides. For this reason, it is generally desirable to use a polycrystalline material having as high crystallinity as possible, and the crystallinity can be estimated by the half-value width of powder X-ray diffraction. The preferred polycrystalline raw material has a half-width of (100) diffraction line (2θ = about 32.5 ° for hexagonal gallium nitride), usually 0.25 ° or less, preferably 0.20 ° or less, more preferably 0. .17 ° or less.

前記多結晶原料の2次粒子の平均粒径は、好ましくは、5μm以下である。このような平均粒径が小さい範囲にある場合は、比表面積が大きくなり、溶媒との反応性が良くなる。よりよい態様の多結晶原料の粒径としては、平均粒径の小さい、すなわち溶解速度の大きいGaN多結晶原料を用いることである。この場合、望ましいGaN多結晶原料の平均粒径は1μm以上である。1μm未満の平均粒径を有する多結晶原料を用いた場合は、これが熱対流により結晶成長領域に輸送され、種結晶上に付着する恐れがある。   The average particle size of the secondary particles of the polycrystalline raw material is preferably 5 μm or less. When such an average particle diameter is in a small range, the specific surface area is increased and the reactivity with the solvent is improved. The grain size of the polycrystalline raw material in a better mode is to use a GaN polycrystalline raw material having a small average grain size, that is, a high dissolution rate. In this case, the average grain size of the desired GaN polycrystalline material is 1 μm or more. When a polycrystalline raw material having an average particle size of less than 1 μm is used, this may be transported to the crystal growth region by thermal convection and adhere to the seed crystal.

また、平均粒径の異なる2種の多結晶原料を用いることにより、小さい粒径の多結晶原料による速い溶解速度と、大きい粒径の遅い溶解速度のものが系内に混在することによりGa(含有)イオンの結晶成長領域への供給切れを抑止し、その結果として、種結晶の溶出という塊状単結晶の育成上の不利益を抑止することもできる。また、GaN微結晶の形状としては、特に限定されるものではないが、溶媒への溶解の均一性等を考慮すれば、球状が好ましい。   In addition, by using two types of polycrystalline raw materials having different average particle diameters, Ga (( It is possible to suppress the supply of ions to the crystal growth region, and as a result, it is possible to suppress the disadvantage of the growth of the bulk single crystal, elution of the seed crystal. Moreover, the shape of the GaN microcrystal is not particularly limited, but a spherical shape is preferable in consideration of the uniformity of dissolution in a solvent.

(溶媒)
結晶成長がアモノサーマル法による窒化物結晶の成長の場合、溶媒は窒素含有溶媒(例えば、ヒドラジンN24、アンモニアNH3、アミン類、メラミンからなる群より選ばれる少なくとも一つの化合物)または窒化物III−Vと混和できるすべての溶媒を充填することができるが、アンモニアNH3を溶媒に用いることが好ましい。
(solvent)
When the crystal growth is growth of a nitride crystal by an ammonothermal method, the solvent is a nitrogen-containing solvent (for example, at least one compound selected from the group consisting of hydrazine N 2 H 4 , ammonia NH 3 , amines, melamine) or can be filled with any solvent miscible with the nitride III-V, it is preferable to use ammonia NH 3 in the solvent.

また、オートクレーブ内に窒素含有溶媒を入れる前に、オートクレーブ内を脱気することや、窒素などの不活性ガスを流通させながら、窒素含有溶媒を入れることも好適に用いられる。その際、反応容器を窒素含有溶媒の沸点以下に冷却してもよい。さらに、これらの溶媒が含む水や酸素の濃度は低いほうが好ましく、これらの濃度は、好ましくは1000ppm以下であり、より好ましくは100ppm以下であり、さらに好ましくは10ppm以下である。なお溶媒は1種を用いても2種以上を混合して用いてもよい。   In addition, before putting the nitrogen-containing solvent into the autoclave, it is also preferable to degas the autoclave or to put the nitrogen-containing solvent while circulating an inert gas such as nitrogen. At that time, the reaction vessel may be cooled below the boiling point of the nitrogen-containing solvent. Further, the concentration of water or oxygen contained in these solvents is preferably low, and these concentrations are preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and further preferably 10 ppm or less. The solvent may be used alone or in combination of two or more.

アンモニアを溶媒に使用する場合の純度は通常99.9%以上、好ましくは99.99%以上、さらに好ましくは99.999%以上、特に好ましくは99.9999%以上である。アンモニアは、一般に水との親和性が高いため、アンモニアをオートクレーブに充填する場合、水に由来する酸素をオートクレーブに持ち込みやすく、それが原因で生成する結晶の混入酸素量が多くなり、得られる窒素化合物結晶の結晶性が悪化するおそれがある。そのような観点からも、アンモニア溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少なくすることが望ましく、好ましくは1000ppm以下であり、さらに好ましくは100ppm以下であり、特に好ましくは10ppm以下である。   When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. Ammonia generally has a high affinity with water, so when ammonia is charged into an autoclave, it is easy to bring oxygen derived from water into the autoclave, resulting in an increase in the amount of mixed oxygen in the crystals produced and the resulting nitrogen. There is a possibility that the crystallinity of the compound crystal is deteriorated. Also from such a viewpoint, it is desirable to reduce the amount of water and oxygen contained in the ammonia solvent as much as possible, preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less.

これらの溶媒は、結晶製造中に、亜臨界状態および/または超臨界状態で用いられる。超臨界状態は、その臨界温度以上で維持される濃ガスを意味し、臨界温度とは圧力によってそのガスが液化させられ得ない温度である。超臨界状態では一般的には、粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を言う。例えば、原料充填領域では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長領域は亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。   These solvents are used in the subcritical and / or supercritical state during crystal production. The supercritical state means a concentrated gas that is maintained above its critical temperature, and the critical temperature is a temperature at which the gas cannot be liquefied by pressure. In the supercritical state, the viscosity is generally low and it is more easily diffused than the liquid, but has the same solvating power as the liquid. The subcritical state refers to a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material filling region, the raw material is melted as a supercritical state, and the crystal growth region is used to change the temperature so that it becomes a subcritical state. Is possible.

(鉱化剤)
本発明においては、結晶成長に際して結晶成長速度を上げるために、固体状の鉱化剤を用いる。鉱化剤(または溶解剤とも称される)は溶媒における原料の溶解度を高めて結晶成長領域へ結晶原料を移送するための物質であり当該分野において周知である。本明細書中の溶解には、物理溶解と化学溶解のどちらの場合をも含む。
(Mineralizer)
In the present invention, a solid mineralizer is used to increase the crystal growth rate during crystal growth. A mineralizer (or also called a solubilizer) is a substance for increasing the solubility of a raw material in a solvent and transferring the crystal raw material to a crystal growth region, and is well known in the art. The dissolution in this specification includes both physical dissolution and chemical dissolution.

鉱化剤は、通常、ハロゲン原子またはアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属を含む化合物である。中でも生成する結晶が酸素を含まないようにする観点からは、アンモニウムイオンやアミドなどの形で窒素原子を含むものを鉱化剤として使用することが好ましい。これらの鉱化剤は、1種類を用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。窒化物結晶への不純物の混入を防ぐため、必要な場合は鉱化剤を精製、乾燥することが行われる。鉱化剤の純度は、通常95%以上、好ましくは98%以上、さらに好ましくは99%以上、特に好ましくは99.5%以上である。鉱化剤が含む水や酸素はできるだけ少なくすることが望ましく、これらの濃度は、好ましくは1000ppm以下であり、さらに好ましくは100ppm以下である。   The mineralizer is usually a compound containing a halogen atom or an alkali metal, alkaline earth metal, or rare earth metal. Among these, from the viewpoint of preventing the generated crystals from containing oxygen, it is preferable to use those containing nitrogen atoms in the form of ammonium ions or amides as mineralizers. These mineralizers may be used alone or in combination of two or more. In order to prevent impurities from being mixed into the nitride crystal, the mineralizer is purified and dried if necessary. The purity of the mineralizer is usually 95% or more, preferably 98% or more, more preferably 99% or more, and particularly preferably 99.5% or more. It is desirable to reduce the water and oxygen contained in the mineralizer as much as possible. These concentrations are preferably 1000 ppm or less, and more preferably 100 ppm or less.

鉱化剤は酸性鉱化剤、塩基性鉱化剤に分けられる。前記塩基性鉱化剤としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属と窒素原子を含む化合物で、アルカリ土類金属アミド、希土類アミド、窒化アルカリ金属、窒化アルカリ土類金属、アジド化合物、その他ヒドラジン類の塩が挙げられる。好ましくは、アルカリ金属アミドで、具体例としてはナトリウムアミド(NaNH2)、カリウムアミド(KNH2)、リチウムアミド(LiNH2)が挙げられる。また、前記酸性鉱化剤としては、ハロゲン原子を含む化合物で、ハロゲン化アンモニウム等が挙げられる、例えば塩化アンモニウム(NH4Cl)、ヨウ化アンモニウム(NH4I)、臭化アンモニウム(NH4Br)で、このうち、好ましくは塩化アンモニウム(NH4Cl)である。 Mineralizers are divided into acidic mineralizers and basic mineralizers. Examples of the basic mineralizer include alkali metals, alkaline earth metals, rare earth metals and compounds containing nitrogen atoms, alkaline earth metal amides, rare earth amides, alkali nitride metals, alkaline earth metal nitrides, azide compounds, etc. Examples thereof include hydrazine salts. Preferably, it is an alkali metal amide, and specific examples include sodium amide (NaNH 2 ), potassium amide (KNH 2 ), and lithium amide (LiNH 2 ). The acidic mineralizer is a compound containing a halogen atom, and examples thereof include ammonium halides, such as ammonium chloride (NH 4 Cl), ammonium iodide (NH 4 I), ammonium bromide (NH 4 Br). Of these, ammonium chloride (NH 4 Cl) is preferred.

アンモニアを溶媒に用いたアモノサーマル法の場合には、酸性鉱化剤は超臨界状態のアンモニア溶媒への溶解性が高く、またアンモニア中において窒化能を有し、かつPt等の貴金属に対する反応性が小さいので酸性鉱化剤がより好ましい。   In the case of the ammonothermal method using ammonia as a solvent, the acidic mineralizer is highly soluble in a supercritical ammonia solvent, has nitriding ability in ammonia, and reacts with noble metals such as Pt. An acidic mineralizer is more preferable because of its low nature.

鉱化剤と原料の使用割合は、鉱化剤/13族金属元素(モル比)が通常0.001〜100である。例えば、GaNの場合では、鉱化剤/Gaモル比として、通常0.001〜20の範囲が好ましく、原料、鉱化剤等の添加物の種類および目的とする結晶の大きさなどを考慮して適宜選択できる。   As for the use ratio of the mineralizer and the raw material, the mineralizer / group 13 metal element (molar ratio) is usually 0.001 to 100. For example, in the case of GaN, the mineralizer / Ga molar ratio is usually preferably in the range of 0.001 to 20, taking into consideration the types of additives such as raw materials and mineralizers and the target crystal size. Can be selected as appropriate.

また、鉱化剤はバッフル板より上(結晶成長領域)に存在しなければ、原料と別に配置してもよいし、鉱化剤と原料がまざっていてもよい。さらに、原料充填領域に鉱化剤を設置した後、上から鉱化剤を押加などして圧縮し、鉱化剤間の空隙を無くすことができる。   Further, if the mineralizer is not present above the baffle plate (crystal growth region), it may be arranged separately from the raw material, or the mineralizer and the raw material may be mixed. Furthermore, after the mineralizer is installed in the raw material filling region, the mineralizer can be compressed from above by compressing it to eliminate voids between the mineralizers.

本発明において鉱化剤は、固体状であれば粉体状であってもよいし、成形されたものであってもよい。ここで、成形されるとは「ペレタイズ」など、圧縮成形等を含み、また、圧縮成形後に焼結等を行ったものでもよい。この際、成形された鉱化剤のサイズおよび形状は目的に応じて適宜選択することができる。   In the present invention, the mineralizer may be in a powder form as long as it is solid, or may be a molded one. Here, “molded” includes compression molding and the like such as “pelletizing”, and may be sintered after compression molding. At this time, the size and shape of the molded mineralizer can be appropriately selected according to the purpose.

(種結晶)
本発明では、所定の位置に結晶を成長させるため、種結晶を使用することが好ましい。種結晶を用いると種結晶上への単結晶の生成を促進させ、より大きな単結晶を得ることができる。種結晶の装填は通常、原料、鉱化剤等の添加物を充填すると同時または充填した後に行われ、オートクレーブ内表面を構成する貴金属と同様の貴金属製の治具に種結晶が固定される。必要な場合には、オートクレーブに装填した後、加熱脱気することも有効に用いられる。
(Seed crystal)
In the present invention, it is preferable to use a seed crystal in order to grow the crystal at a predetermined position. When a seed crystal is used, generation of a single crystal on the seed crystal is promoted, and a larger single crystal can be obtained. The seed crystal is usually loaded at the same time as or after filling with additives such as raw materials and mineralizers, and the seed crystal is fixed to a precious metal jig similar to the precious metal constituting the inner surface of the autoclave. If necessary, heating and deaeration after loading in an autoclave is also effectively used.

アモノサーマル法により、窒化物の単結晶を結晶成長させる場合には、目的とする窒化物の単結晶を用いることが望ましいが、必ずしも目的と同一の窒化物でなくてもよい。但し、その場合には、目的の窒化物と一致する、もしくは適合する格子定数および/または結晶格子を有する種結晶であるか、またはヘテロエピタキシー(すなわち若干の原子の結晶学的位置の一致)を保証するよう配位した単結晶材料片もしくは多結晶材料片から構成されている種結晶を用いることが好ましい。種結晶の具体例としては、例えば窒化ガリウム(GaN)の場合、GaNの単結晶の他、AlN等の窒化物単結晶、炭化ケイ素(SiC)の単結晶等が挙げられる。   When a single crystal of nitride is grown by an ammonothermal method, it is desirable to use the target single crystal of nitride, but it is not necessarily the same nitride as the target. However, in that case, it is a seed crystal having a lattice constant and / or crystal lattice that matches or matches the target nitride, or heteroepitaxy (ie, coincidence of crystallographic positions of some atoms). It is preferable to use a seed crystal composed of a single crystal material piece or a polycrystalline material piece coordinated so as to guarantee. Specific examples of the seed crystal include, for example, gallium nitride (GaN), a single crystal of GaN, a single crystal of nitride such as AlN, a single crystal of silicon carbide (SiC), and the like.

種結晶は、アンモニア溶媒への溶解度および鉱化剤との反応性を考慮して決定することができる。例えば、GaNの種結晶としては、MOCVD法やHVPE法(ハイドライド気相エピタキシ(Hydride Vapor Phase Epitaxy))でサファイア等の異種基板上にエピタキシャル成長させた後に剥離させて得た単結晶、金属GaからNaやLi、Biをフラックスとして結晶成長させて得た単結晶、LPE法を用いて得たホモ/ヘテロエピタキシャル成長させた単結晶、本発明法を含む溶液成長法に基づき作製された単結晶およびそれらを切断した結晶などを用いることができる。   The seed crystal can be determined in consideration of solubility in an ammonia solvent and reactivity with a mineralizer. For example, as a seed crystal of GaN, a single crystal obtained by epitaxial growth on a dissimilar substrate such as sapphire by MOCVD method or HVPE method (Hydride Vapor Phase Epitaxy), and then separated from metal Ga to Na A single crystal obtained by crystal growth using Li, Bi and flux as a flux, a single crystal obtained by homo / heteroepitaxial growth obtained by using the LPE method, a single crystal produced based on the solution growth method including the method of the present invention, and those A cut crystal or the like can be used.

[製造条件]
次に、本発明における結晶成長の各条件について説明する。本発明においては、超臨界状態および/または亜臨界状態で結晶製造を行うため、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持する。アンモニアを溶媒として用いる場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、オートクレーブに対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力をはるかに越える。本発明において超臨界状態とはこのような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は一定容積(容器容積)内に封入されているので、温度上昇は、流体の圧力を増大する。一般に、温度TはT>Tc(Tc:溶媒の臨界温度)および圧力P>Pc(Pc:溶媒の臨界圧力)であれば、超臨界状態にある。前記条件において、GaNの微結晶の生成が認められる。実際に、溶媒中に導入された多結晶原料の溶解度は、亜臨界条件と超臨界条件との間で極めて異なるので、超臨界条件では、GaN単結晶の十分な成長速度が得られる。反応時間は、特に、鉱化剤の反応性および熱力学的パラメータ、即ち、温度および圧力の数値に依存する。
[Production conditions]
Next, each condition for crystal growth in the present invention will be described. In the present invention, in order to produce crystals in a supercritical state and / or a subcritical state, the temperature is generally kept higher than the critical point of the solvent. When ammonia is used as a solvent, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa. However, if the filling rate into the autoclave is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. In the present invention, the supercritical state includes a state exceeding such a critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed within a constant volume (container volume), an increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, the temperature T is in a supercritical state if T> Tc (Tc: critical temperature of the solvent) and pressure P> Pc (Pc: critical pressure of the solvent). Under the above conditions, formation of GaN microcrystals is observed. Actually, since the solubility of the polycrystalline raw material introduced into the solvent is very different between the subcritical condition and the supercritical condition, a sufficient growth rate of the GaN single crystal can be obtained under the supercritical condition. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values.

アンモニア溶媒の場合、少なくともオートクレーブ内の温度範囲を、下限としては、通常150℃以上であり、好ましくは200℃以上であり、特に好ましくは300℃以上である。また、その上限としては通常800℃以下であり、好ましくは700℃以下であり、特に好ましくは650℃以下の範囲とすることが望ましい。   In the case of an ammonia solvent, the lower limit of the temperature range in the autoclave is usually 150 ° C. or higher, preferably 200 ° C. or higher, and particularly preferably 300 ° C. or higher. The upper limit is usually 800 ° C. or lower, preferably 700 ° C. or lower, and particularly preferably 650 ° C. or lower.

オートクレーブは、重畳する2つのゾーン、即ち、バッフル板によって分離された下部の原料充填領域および上部の結晶成長領域に分割されている。これら2つのゾーン間の温度勾配△Tは、10〜100℃である。勾配の方向は、特に、温度の関数としての原料の溶解度に依存する。   The autoclave is divided into two overlapping zones, that is, a lower raw material filling region and an upper crystal growth region separated by a baffle plate. The temperature gradient ΔT between these two zones is 10-100 ° C. The direction of the gradient depends in particular on the solubility of the raw material as a function of temperature.

結晶成長中には、オートクレーブは、約15MPa〜600MPaの範囲の圧力に保持することが好ましい。溶媒がアンモニアである場合には、オートクレーブ内の圧力範囲は、下限として通常20MPa以上、好ましくは30MPa以上、特に好ましくは50MPa以上、上限として通常500MPa以下、好ましくは400MPa以下、特に好ましくは200MPa以下に保持することが望ましい。   During crystal growth, the autoclave is preferably maintained at a pressure in the range of about 15 MPa to 600 MPa. When the solvent is ammonia, the pressure range in the autoclave is usually 20 MPa or more as the lower limit, preferably 30 MPa or more, particularly preferably 50 MPa or more, and the upper limit is usually 500 MPa or less, preferably 400 MPa or less, particularly preferably 200 MPa or less. It is desirable to hold.

オートクレーブ内の前記の温度範囲、圧力範囲を達成するためのアンモニア溶媒の注入の割合、すなわち充填率は、オートクレーブのフリー容積、すなわち、オートクレーブに原料、および種結晶を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積をオートクレーブの全容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積を差し引いて残存する容積のアンモニアの標準状態での液体密度(標準状態で気体の場合は沸点における液体密度)を基準として、通常20〜95%、好ましくは30〜85%、さらに好ましくは40〜75%とするのが望ましい。   The rate of injection of the ammonia solvent to achieve the above temperature range and pressure range in the autoclave, that is, the filling rate, is the free volume of the autoclave, i.e., when the raw material and seed crystal are used in the autoclave, Subtract the volume of the structure where it will be installed from the total volume of the autoclave, and if a baffle plate is to be installed, subtract the volume of the baffle plate to obtain the remaining volume of ammonia in the standard state. It is usually 20 to 95%, preferably 30 to 85%, more preferably 40 to 75%, based on the density (liquid density at the boiling point in the case of gas in the standard state).

所定の温度に達した後の反応時間については、窒化物結晶の種類、用いる原料、鉱化剤の種類、製造する結晶の大きさや量によっても異なるが、通常、数時間から数ヶ月とすることができる。反応中、反応温度は一定にしてもよいし、徐々に昇温または降温させることもできる。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、降温させる。降温方法は特に限定されないが、ヒーターの加熱を停止してそのまま炉内にオートクレーブを設置したまま放冷してもかまわないし、オートクレーブを電気炉から取り外して空冷してもかまわない。必要であれば、冷媒を用いて急冷することも好適に用いられる。   The reaction time after reaching a predetermined temperature depends on the type of nitride crystal, the raw material used, the type of mineralizer, and the size and amount of the crystal to be produced, but it is usually several hours to several months. Can do. During the reaction, the reaction temperature may be constant, or the temperature may be gradually raised or lowered. After a reaction time for producing desired crystals, the temperature is lowered. The method for lowering the temperature is not particularly limited, but the heating of the heater may be stopped and the autoclave may be allowed to cool as it is installed in the furnace, or the autoclave may be removed from the electric furnace and air cooled. If necessary, quenching with a refrigerant is also preferably used.

導管から溶媒を排出後、さらに必要に応じて、真空状態にするなどしてオートクレーブ内の溶媒を十分に除去した後、乾燥し、オートクレーブを開けて結晶成長した窒素化合物結晶および未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。   After draining the solvent from the conduit, if necessary, remove the solvent in the autoclave sufficiently by vacuuming, etc., then dry and open the autoclave to grow nitrogen compound crystals and unreacted raw materials and Additives such as mineralizers can be removed.

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.

[実施例1]
白金を内張りした内寸が直径20mm、長さ350mmのInconel625製のオートクレーブ(約110ml)を用い、鉱化剤として十分に乾燥した粉体の純度4NのNH4Clを、3本の内径8mm、長さ50mmのpBN製るつぼにそれぞれ1.5gずつ隙間無く入れ、オートクレーブにセットした。次いで、原料としてHVPE製のGaN多結晶18gを、るつぼ間を埋めるように充填し、さらにその上からも充填した。ここで円柱状の反応容器およびルツボを用いているのでいずれの位置においても鉱化剤の接触面積および反応容器の水平断面積は同じであり、鉱化剤充填部(るつぼ)の水平断面積の合計は、オートクレーブの内部水平断面積の48%であった。
[Example 1]
Using an autoclave made of Inconel 625 (approx. 110 ml) with an inner dimension of 20 mm in diameter and 350 mm in length with platinum lined, NH 4 Cl with a purity of 4N, which was sufficiently dried as a mineralizer, 1.5 g of each was put in a pBN crucible having a length of 50 mm without any gap and set in an autoclave. Next, 18 g of HVPE GaN polycrystal as a raw material was filled so as to fill the gap between crucibles, and further filled from above. Here, since the cylindrical reaction vessel and the crucible are used, the contact area of the mineralizer and the horizontal cross-sectional area of the reaction vessel are the same at any position, and the horizontal cross-sectional area of the mineralizer filling part (crucible) The total was 48% of the internal horizontal cross-sectional area of the autoclave.

次いで、底から180mmの位置にバッフル板をセットし、その上の結晶成長領域に25mm間隔で5枚の10mm角厚み300μmの種結晶としてGaNを設置した後、素早く、バルブが装着されたオートクレーブの蓋を閉じオートクレーブの計量を行った。次いでオートクレーブに付属したバルブを介して導管を真空ポンプに通じるように操作し、バルブを開けてオートクレーブ内を真空脱気した。その後、真空状態を維持しながらオートクレーブをドライアイスメタノール溶媒によって冷却し、一旦バルブを閉じた。次いで、導管をNH3ボンベに通じるように操作した後、再びバルブを開け連続して外気に触れることなくNH3をオートクレーブ内に充填した。流量制御に基づき、NH3をオートクレーブの空洞部の約65%に相当する液体として充填(−33℃のNH3密度で換算)した後、再びバルブを閉じた。オートクレーブの温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させ充填したNH3の増加分の計量を行った。 Next, a baffle plate was set at a position 180 mm from the bottom, and GaN was installed as five 10 mm square 300 μm thick seed crystals at 25 mm intervals in the crystal growth region on the top, and then the autoclave equipped with a valve was quickly installed. The lid was closed and the autoclave was weighed. Next, the conduit was connected to a vacuum pump through a valve attached to the autoclave, and the valve was opened to evacuate the inside of the autoclave. Thereafter, the autoclave was cooled with a dry ice methanol solvent while maintaining the vacuum state, and the valve was once closed. Subsequently, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder, the valve was opened again, and NH 3 was filled into the autoclave without continuously touching the outside air. Based on the flow rate control, NH 3 was filled as a liquid corresponding to about 65% of the cavity of the autoclave (converted to an NH 3 density of −33 ° C.), and then the valve was closed again. The temperature of the autoclave was returned to room temperature, and the increased amount of NH 3 filled after the outer surface was sufficiently dried was measured.

続いて、オートクレーブを上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブの下部外面の温度が490℃に、上部外面の温度が410℃になるように温度差をつけながら12時間かけて昇温し、オートクレーブの下部外面の温度が490℃に、上部外面の温度が410℃に達した後、その温度でさらに240時間保持した。オートクレーブ内の圧力は約130MPaであった。また保持中の温度幅は±5℃以下であった。その後、オートクレーブの下部外面の温度が150℃になるまでおよそ8時間を掛け降温したのちヒーターによる加熱を止め、電気炉内で自然放冷した。オートクレーブの下部外面の温度がほぼ室温まで降下したことを確認した後、まずオートクレーブに付属したバルブを開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブを計量しNH3の排出を確認した。その後、一旦バルブを閉じ、真空ポンプに通ずるように操作し、バルブを再び開放し、オートクレーブのNH3をほぼ完全に除去した。 Subsequently, the autoclave was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature of the lower outer surface of the autoclave is increased to 490 ° C. and the temperature of the upper outer surface is increased to 410 ° C. over 12 hours with a temperature difference, and the temperature of the lower outer surface of the autoclave is increased to 490 ° C. After reaching 410 ° C., it was held at that temperature for an additional 240 hours. The pressure in the autoclave was about 130 MPa. Further, the temperature range during holding was ± 5 ° C. or less. Thereafter, the temperature was lowered for about 8 hours until the temperature of the lower outer surface of the autoclave reached 150 ° C., and then the heating by the heater was stopped and the mixture was naturally cooled in an electric furnace. After confirming that the temperature of the lower outer surface of the autoclave had dropped to about room temperature, first, the valve attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave was weighed to confirm the discharge of NH 3 . Thereafter, the valve was once closed and operated so as to be connected to a vacuum pump, the valve was opened again, and NH 3 in the autoclave was almost completely removed.

その後、オートクレーブの蓋を開け、内部を確認したところ、種結晶には配置した上から順に245μm、227μm、203μm、190μm、172μmの窒化ガリウム(GaN)結晶がそれぞれ析出していた。また、元の種結晶の厚みはほとんど変化がなかった。   Thereafter, the lid of the autoclave was opened and the inside was confirmed. As a result, 245 μm, 227 μm, 203 μm, 190 μm, and 172 μm gallium nitride (GaN) crystals were deposited on the seed crystal in this order. Further, the thickness of the original seed crystal hardly changed.

また、各るつぼの中に鉱化剤の溶け残りは見られなかった。得られた窒化ガリウム結晶を取り出してまずSEM(走査型電子顕微鏡)による結晶面状態を観察したところ、針状結晶や粒塊などが見られなかった。さらにX線回折測定した結果、結晶形はヘキサゴナル型であり、種結晶と同じ方位でC軸配向しており、結晶性が極めて良好であることがわかった。   Moreover, the undissolved residue of the mineralizer was not seen in each crucible. When the obtained gallium nitride crystal was taken out and the crystal plane state was first observed with an SEM (scanning electron microscope), no acicular crystals or grain clusters were found. Further, as a result of X-ray diffraction measurement, it was found that the crystal form was hexagonal, and was C-axis oriented in the same orientation as the seed crystal, and the crystallinity was extremely good.

[実施例2]
白金を内張りした内寸が直径30mm、長さ300mmのInconel625製のオートクレーブ(約210ml)を用い、φ15mm厚み1.7mmの円盤状にペレタイズした純度4NのNH4Clを4枚の合計1.2gをオートクレーブに入れた。更にその上から原料のHVPE製のGaN多結晶12gをオートクレーブに入れた。鉱化剤の接触面積は、円柱状に積み重ねたペレタイズした鉱化剤の側面の面積と上面の面積の和で、オートクレーブの内部水平断面積の70%であった。
[Example 2]
Using an Autoclave made of Inconel 625 (approx. 210 ml) with an inner dimension of 30 mm in diameter and 300 mm in length with platinum lined, a total of 1.2 g of NH 4 Cl with a purity of 4N pelletized into a disk shape of φ15 mm thickness 1.7 mm In an autoclave. Further, 12 g of HVPE GaN polycrystal as a raw material was put in the autoclave. The contact area of the mineralizer was the sum of the area of the side surface and the area of the upper surface of the pelletized mineralizer stacked in a columnar shape, and was 70% of the internal horizontal cross-sectional area of the autoclave.

オートクレーブの底から150mmの位置にバッフル板をセットし、その上の結晶成長部に20mm間隔で5枚の6mm角250μm厚のGaNを種結晶として設置した後、実施例1と同一の手順で保持時間のみを120時間とし窒化ガリウムの成長を行った。その後、室温まで冷却し、NH3を排出した後、オートクレーブの蓋を開け、内部を確認したところ、種結晶には配置した上から順に119μm、105μm、99μm、88μm、79μmの窒化ガリウム結晶がそれぞれ析出していた。また、元の種結晶の厚みはほとんど変化がなかった。オートクレーブ内には約6gの未溶解の原料GaNの多結晶が残っていた。尚、円盤状の鉱化剤は完全に溶けてなくなっていた。また、各るつぼの中に鉱化剤の溶け残りは見られなかった。得られた窒化ガリウム結晶を取り出してまずSEM(走査型電子顕微鏡)による結晶面状態を観察したところ、針状結晶や粒塊などが見られなかった。さらにX線回折測定した結果、結晶形はヘキサゴナル型であり、種結晶と同じ方位でC軸配向しており、結晶性が極めて良好であることがわかった。 A baffle plate is set at a position 150 mm from the bottom of the autoclave, and 5 pieces of 6 mm sq. 250 μm thick GaN are set as seed crystals at 20 mm intervals in the crystal growth part on the baffle plate, and then held in the same procedure as in Example 1. The gallium nitride was grown for only 120 hours. Then, after cooling to room temperature and discharging NH 3 , the autoclave lid was opened and the inside was confirmed. As a result, the gallium nitride crystals of 119 μm, 105 μm, 99 μm, 88 μm, and 79 μm were formed in order from the top of the seed crystal. It was precipitated. Further, the thickness of the original seed crystal hardly changed. About 6 g of undissolved raw material GaN polycrystals remained in the autoclave. The discoid mineralizer was not completely dissolved. Moreover, the undissolved residue of the mineralizer was not seen in each crucible. When the obtained gallium nitride crystal was taken out and the crystal plane state was first observed with an SEM (scanning electron microscope), no acicular crystals or grain clusters were found. Further, as a result of X-ray diffraction measurement, it was found that the crystal form was hexagonal, and was C-axis oriented in the same orientation as the seed crystal, and the crystallinity was extremely good.

[比較例1]
実施例1と同じオートクレーブを用いて、図5に示すように原料のHVPE製のGaN多結晶24g(原料10)をオートクレーブ2に入れ、更にその上から鉱化剤として十分に乾燥した粉体の純度4NのNH4Cl 6g(鉱化剤7)を入れた。オートクレーブの底から高さ50mm〜60mmの部位で測定したところ、鉱化剤7の水平断面積(鉱化剤の接触面積)は、オートクレーブの内部水平断面積の100%であった。
[Comparative Example 1]
Using the same autoclave as in Example 1, 24 g of HVPE GaN polycrystal (raw material 10) as a raw material was placed in the autoclave 2 as shown in FIG. 6 g of purity 4N NH 4 Cl (mineralizer 7) was added. When measured at a site 50 to 60 mm in height from the bottom of the autoclave, the horizontal sectional area of the mineralizer 7 (contact area of the mineralizer) was 100% of the internal horizontal sectional area of the autoclave.

オートクレーブの底から180mmの位置にバッフル板をセットし、その上の結晶成長領域25mm間隔で5枚の10mm角厚み300μmのGaNを種結晶として設置した後、実施例1と同一の手順で同じ成長を行った。次いで、室温まで冷却しNH3を排出した後、オートクレーブの蓋を開け、内部を確認したところ、種結晶には配置した上から順に202μm、193μm、181μm、169μm、165μmの窒化ガリウム結晶がそれぞれ析出していたが、いずれも元の種部の厚みが上部の種結晶で40μm程度、下部の種結晶で180μm程度薄くなっていた。これにより、種結晶上に窒化ガリウム結晶が析出する前に、元の種結晶が溶解していたことが確認できた。また、原料充填領域に鉱化剤の溶け残りは見られなかった。得られた窒化ガリウム結晶を取り出してSEM(走査型電子顕微鏡)観察した結果、結晶成長層の一部に針状結晶が含まれており結晶性が悪いことがわかった。 A baffle plate is set at a position 180 mm from the bottom of the autoclave, and 5 pieces of 10 mm square 300 μm thick GaN are set as seed crystals at 25 mm intervals on the crystal growth region on the baffle plate. Then, the same growth is performed in the same procedure as in Example 1. Went. Next, after cooling to room temperature and discharging NH 3 , the autoclave lid was opened and the inside was confirmed. As a result, 202 μm, 193 μm, 181 μm, 169 μm, and 165 μm gallium nitride crystals were deposited in this order from the top of the seed crystal. However, in both cases, the thickness of the original seed part was about 40 μm thinner in the upper seed crystal and about 180 μm thinner in the lower seed crystal. Thereby, it was confirmed that the original seed crystal was dissolved before the gallium nitride crystal was deposited on the seed crystal. Moreover, the undissolved residue of the mineralizer was not seen in the raw material filling area. The obtained gallium nitride crystal was taken out and observed with an SEM (scanning electron microscope), and as a result, it was found that a part of the crystal growth layer contained needle-like crystals and the crystallinity was poor.

以上より、鉱化剤の溶媒であるNH3との接触面積がオートクレーブの内部水平断面積の2〜80%からはずれた比較例1では、成長初期に鉱化剤のみが先にすべて溶解し、遅れて原料が溶解することで溶媒が過飽和に達するまでに時間を要すると思われ、種結晶も原料同様溶解されていることがわかる。これに対し、実施例1および実施例2のような方法で鉱化剤の溶解を遅らせ、常に過飽和に近い状態を維持することで、種結晶の不要な溶解を防止し、かつ、窒化ガリウムについて十分な成長速度が得ることができた。 From the above, in Comparative Example 1 in which the contact area with NH 3 as the solvent of the mineralizer deviated from 2 to 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the autoclave, only the mineralizer was first dissolved in the initial stage of growth. It seems that it takes time for the solvent to reach supersaturation due to the dissolution of the raw material with a delay, and it can be seen that the seed crystal is dissolved as well as the raw material. On the other hand, by delaying the dissolution of the mineralizer by the method as in Example 1 and Example 2, and maintaining the state almost always supersaturated, unnecessary dissolution of the seed crystal is prevented, and gallium nitride A sufficient growth rate could be obtained.

本発明の結晶製造方法および結晶製造装置で得られた窒素化合物結晶は、結晶性がよいため、VPEやMOCVD等で各種デバイスを製造するにあたり、エピタキシャル成長用基板として利用することができる。   Since the nitrogen compound crystal obtained by the crystal production method and the crystal production apparatus of the present invention has good crystallinity, it can be used as an epitaxial growth substrate when various devices are produced by VPE, MOCVD or the like.

るつぼを用いた本発明の結晶製造装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the crystal manufacturing apparatus of this invention using a crucible. 本発明における鉱化剤の溶媒に対する接触面積と反応容器の内部水平断面積とを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the contact area with respect to the solvent of the mineralizer in this invention, and the internal horizontal cross-sectional area of reaction container. 一体された鉱化剤充填部を備えた本発明の結晶製造装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the crystal manufacturing apparatus of this invention provided with the integrated mineralizer filling part. ペレタイズされた鉱化剤を用いた本発明の結晶製造装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the crystal manufacturing apparatus of this invention using the pelletized mineralizer. 比較例の結晶製造装置の構成を示すための断面図である。It is sectional drawing for showing the structure of the crystal manufacturing apparatus of a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1 結晶製造装置
2 反応容器(オートクレーブ)
3 導管
4 結晶成長領域
5 原料充填領域
6 バッフル板
7 鉱化剤
8A,8B るつぼ
9 種結晶
10 原料
11 ヒーター
12 熱電対
13 鉱化剤充填部
14 鉱化剤の積層体
1 Crystal production equipment 2 Reaction vessel (autoclave)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Conduit 4 Crystal growth area | region 5 Raw material filling area | region 6 Baffle board 7 Mineralizer 8A, 8B Crucible 9 Seed crystal 10 Raw material 11 Heater 12 Thermocouple 13 Mineralizer filling part 14 Laminate of mineralizer

Claims (9)

円柱状の反応容器中で、超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒、原料、並びに、固体状の鉱化剤を用い、種結晶上に周期表第13族元素窒化物単結晶を成長させるソルボサーマル法による結晶製造方法であって、
前記反応容器は、容器内に前記鉱化剤を充填するための円柱状のるつぼを有し、
前記鉱化剤の前記溶媒との全接触面積の合計に相当する、前記るつぼの開口面積の合計が、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%となるように、前記鉱化剤を前記反応容器内に配置した状態で前記結晶を成長させることを特徴とする結晶製造方法。
In a cylindrical reaction vessel, using a nitrogen-containing solvent in a supercritical state and / or a subcritical state, a raw material, and a solid mineralizer , a periodic table Group 13 element nitride single crystal is formed on a seed crystal. A crystal production method by a solvothermal method of growing,
The reaction vessel has a cylindrical crucible for filling the mineralizer in the vessel,
The mineralizer is adjusted so that the total opening area of the crucible corresponding to the total contact area of the mineralizer with the solvent is 2 to 80% of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel. A method for producing a crystal, the method comprising growing the crystal in a state of being arranged in the reaction vessel.
前記るつぼが前記反応容器の容器内底部と一体に設けられていることを特徴とする請求項に記載の結晶製造方法。 The crystal manufacturing method according to claim 1 , wherein the crucible is provided integrally with an inner bottom portion of the reaction vessel. 前記鉱化剤が成形されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の結晶製造方法。 Crystal manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein the mineralizer is molded. 前記鉱化剤と前記原料の使用モル比(鉱化剤/原料)が、0.001〜100であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の結晶製造方法。 The use molar ratio of mineralizer to the raw material (mineralizer / feedstock) of crystal manufacturing method according to any one of claim 1 to 3, characterized in that a 0.001. 前記鉱化剤が酸性鉱化剤であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の結晶製造方法。 Crystal manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, wherein the mineralizer is an acidic mineralizer. 前記反応容器がオートクレーブであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の結晶製造方法。 The crystal production method according to any one of claims 1 to 5 , wherein the reaction vessel is an autoclave. 円柱状の反応容器を備え、前記反応容器中で、超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒、原料、並びに、固体状の鉱化剤を用い、種結晶上に周期表第13族元素窒化物単結晶を成長させるソルボサーマル法による結晶製造装置であって、
前記反応容器は、容器内に前記鉱化剤を充填するための円柱状のるつぼを有しており、
前記結晶の成長時に、前記るつぼに充填した前記鉱化剤の前記溶媒との全接触面積の合計に相当する、前記るつぼの開口面積の合計が、前記反応容器の内部水平断面積の2〜80%となるように、前記るつぼが設計されていることを特徴とする結晶製造装置。
A columnar reaction vessel, wherein a supercritical and / or subcritical nitrogen-containing solvent, a raw material, and a solid mineralizer are used, and a periodic table group 13 is formed on a seed crystal. A crystal manufacturing apparatus by a solvothermal method for growing an element nitride single crystal,
The reaction vessel has a cylindrical crucible for filling the mineralizer in the vessel,
The total opening area of the crucible corresponding to the total contact area of the mineralizer filled in the crucible with the solvent during the growth of the crystal is 2-80 of the internal horizontal cross-sectional area of the reaction vessel. %. The crystal manufacturing apparatus, wherein the crucible is designed to be%.
前記るつぼが、前記反応容器の容器内底部と一体に設けられていることを特徴とする請求項に記載の結晶製造装置。 The crystal manufacturing apparatus according to claim 7 , wherein the crucible is provided integrally with an inner bottom portion of the reaction vessel. 前記反応容器がオートクレーブであることを特徴とする請求項7又は8に記載の結晶製造装置。 The crystal production apparatus according to claim 7 or 8 , wherein the reaction vessel is an autoclave.
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