JP5573225B2 - Method for producing Group 13 metal nitride crystal, Group 13 metal nitride crystal obtained by the production method, and method for producing semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、窒化ガリウム(GaN)結晶等の第13族金属の窒化物結晶の製造方法、該製造方法により得られる第13族金属窒化物結晶および該製造方法を用いた半導体デバイスの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride crystal of a Group 13 metal such as a gallium nitride (GaN) crystal, a Group 13 metal nitride crystal obtained by the production method, and a method for producing a semiconductor device using the production method. .

窒化ガリウム(GaN)に代表される第13族金属元素と窒素元素との化合物結晶は、発光ダイオード、レーザダイオード、高周波対応の電子デバイス等で使用される物質として有用である。GaNの場合、実用的な結晶の製造方法としては、サファイア基板または炭化珪素等のような基板上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)
法により気相エピタキシャル成長を行う方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
A compound crystal of a Group 13 metal element typified by gallium nitride (GaN) and a nitrogen element is useful as a substance used in a light-emitting diode, a laser diode, a high-frequency electronic device, or the like. In the case of GaN, a practical method for producing crystals is MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) on a substrate such as a sapphire substrate or silicon carbide.
A method of performing vapor phase epitaxial growth by a method has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).

しかし、上記方法では、格子定数および熱膨張係数の異なる異種基板上にGaN結晶をエピタキシャル成長させるため、得られるGaN結晶には多くの格子欠陥が存在する。そのような格子欠陥が多く存在するGaN結晶を電子素子として用いた場合、電子素子の動作に悪影響を与え、青色レーザ等の応用分野で用いるためには満足すべき性能を発現することはできない。このため、近年、基板上に成長したGaNの結晶の品質の改善、GaNの塊状単結晶の製造技術の確立が強く望まれている。   However, in the above method, GaN crystals are epitaxially grown on different substrates having different lattice constants and thermal expansion coefficients, so that there are many lattice defects in the obtained GaN crystals. When a GaN crystal having many such lattice defects is used as an electronic device, it adversely affects the operation of the electronic device and cannot exhibit satisfactory performance for use in an application field such as a blue laser. For this reason, in recent years, it has been strongly desired to improve the quality of GaN crystals grown on a substrate and to establish a manufacturing technique for GaN bulk single crystals.

現在、気相法によるヘテロエピタキシャルGaN結晶成長法では、GaN結晶の欠陥を減らすために、複雑かつ長い工程が必要とされている。最近では、液相法によるGaNの単結晶化について精力的な研究がなされており、窒素とGaとを高温高圧下で反応させる高圧法(非特許文献2参照)が提案されているが、過酷な反応条件のため工業的に実施することは困難である。   Currently, in the heteroepitaxial GaN crystal growth method by the vapor phase method, a complicated and long process is required to reduce defects in the GaN crystal. Recently, vigorous research has been conducted on crystallization of GaN by a liquid phase method, and a high pressure method (see Non-Patent Document 2) in which nitrogen and Ga are reacted under high temperature and high pressure has been proposed. It is difficult to carry out industrially due to various reaction conditions.

そこで、反応条件をより低圧化させたGaN結晶成長方法の報告が多くなされている。ナトリウムフラックス法(特許文献1、非特許文献3参照)は、Ga融液にアルカリ金属を添加した合金融液においてGaと窒素を反応させてGaN結晶を生成させるGaN結晶の製造方法であるが、この合金融液に溶解する窒素量またはGaN量が非常に小さいため、GaN結晶を大型化することが困難とされている。   Thus, many reports have been made on GaN crystal growth methods with lower reaction conditions. The sodium flux method (see Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 3) is a method for producing a GaN crystal in which Ga and nitrogen are reacted in a combined financial solution in which an alkali metal is added to a Ga melt to produce a GaN crystal. Since the amount of nitrogen or GaN dissolved in the combined financial solution is very small, it is difficult to increase the size of the GaN crystal.

また、GaN粉末とアルカリ金属ハロゲン化物の混合物を加熱し、GaN結晶を作成する方法も提案されているが(特許文献2参照)、アルカリ金属ハロゲン化物へのGaNの溶解度は小さく、かつ窒素を安定に溶解させるために高圧で結晶成長を行う必要があるため、この方法は工業的に結晶成長を行う上で不利である。また、非特許文献4にもGaN粉末とアルカリ金属ハロゲン化物の混合物を用い、GaNシードの極性面への結晶成長が報告されているが、特許文献2と同様の問題を抱え、かつ成長速度が遅いため工業的に不利であるという問題がある。   A method of heating a mixture of GaN powder and alkali metal halide to produce a GaN crystal has also been proposed (see Patent Document 2). However, the solubility of GaN in alkali metal halide is low and nitrogen is stable. This method is disadvantageous in terms of industrial crystal growth because it is necessary to perform crystal growth at a high pressure in order to dissolve it. Non-patent document 4 also reports a crystal growth on the polar surface of a GaN seed using a mixture of GaN powder and alkali metal halide, but has the same problems as in patent document 2 and has a growth rate. There is a problem that it is industrially disadvantageous because it is slow.

また特許文献3にはリチウムの化合物を補助溶融剤として用いると記載されているが、この文献では溶融塩を用いた溶液を用いておらず、合金融液からの結晶成長であるため非特許文献3等と同様の問題を抱えている。
このような問題に対処する技術として、LiGaNなどの複合金属窒化物をイオン性溶媒に溶解した溶液または融液を作成し、その溶液や融液中でGaNの結晶を成長させる方法が提案されている(特許文献4参照)。ここでは、気相法で作成したGaN薄膜の
シード上にGaNの結晶を成長させた具体例が記載されている。
Patent Document 3 describes that a lithium compound is used as an auxiliary melting agent. However, in this document, a solution using a molten salt is not used. I have the same problem as 3rd.
As a technique for coping with such a problem, there is a method in which a solution or melt in which a composite metal nitride such as Li 3 GaN 2 is dissolved in an ionic solvent is prepared, and a GaN crystal is grown in the solution or melt. It has been proposed (see Patent Document 4). Here, a specific example in which a GaN crystal is grown on a seed of a GaN thin film prepared by a vapor phase method is described.

特開2005−306709号公報JP 2005-306709 A 特開2005−112718号公報JP 2005-127718 A 中国特許公開第1288079号公報Chinese Patent Publication No. 1288079 特開2007−84422号公報JP 2007-84422 A

Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) 309〜312頁Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) 309-312 J. Crystal Growth 178 (1997) 174〜188頁J. Crystal Growth 178 (1997) pp. 174-188 J. Crystal Growth Vol. 260 (2004) 327〜330頁J. Crystal Growth Vol. 260 (2004) 327-330 J. Crystal Growth Vol. 310 (2008) 3934〜3940頁J. Crystal Growth Vol. 310 (2008) 3934-3940

本発明者らが特許文献4に記載される方法を種々検討したところ、シード上に成長した結晶の成長表面の凹凸が発生するという新たな課題を見出すに至った。
特許文献4に記載される方法は、低圧または常圧において良質な結晶を製造できることから工業的に有利であるという利点を有するが、得られる結晶の成長表面の凹凸が大きいと、電子素子の基板等に利用する際には凹凸の有する部分をすべて研磨して取り除く必要が生じ、利用効率が低下してしまうという問題がある。
As a result of various studies on the method described in Patent Document 4, the present inventors have found a new problem that unevenness of the growth surface of the crystal grown on the seed occurs.
The method described in Patent Document 4 has an advantage that it is industrially advantageous because a high-quality crystal can be produced at a low pressure or an ordinary pressure. When it is used for, for example, it is necessary to polish and remove all the uneven portions, and there is a problem that the utilization efficiency is lowered.

このような従来技術の問題点に鑑みて、本発明者らは、工業的に有利で安価な方法で、成長表面に凹凸がなく良質の第13族金属窒化物結晶の製造方法を提供することを本発明の目的として検討を進めた。   In view of such problems of the prior art, the present inventors provide an industrially advantageous and inexpensive method for producing a high-quality Group 13 metal nitride crystal with no unevenness on the growth surface. Were studied for the purpose of the present invention.

本発明者らは種々の検討を重ねた結果、溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素を含む溶液中において、シード上に第13族金属窒化物結晶を成長させる際に、シードの成長面の極性を選択することにより、第13族金属窒化物結晶の成長表面の凹凸を少なくできることを見出し、以下の本発明を提供するに至った。
[1]溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液において、シード上に第13族金属窒化物結晶を成長させる第13族金属窒化物結晶の製造方法であって、該シードの主面が半極性面である、第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[2]第13族金属元素と第13族以外の金属元素とを含有する複合金属窒化物を溶融塩に溶解して前記溶液を得る工程を有する、[1]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[3]前記シードの主面が第13族金属窒化物結晶で構成されている、[1]または[2]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[4]前記シードの主面が(hkil)面であって、hとkはh+k≠0を満たす整数、iはi=−(h+k)となる整数、lは正の整数である、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[5]前記溶融塩が、第13族金属窒化物結晶の原料とならない溶融塩である、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[6][1]〜[5]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法により得られる、第13族金属窒化物結晶。
[7][1]〜[5]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法により、基板上に第13族金属窒化物結晶を製造する工程を有することを特徴とする半導体デバ
イスの製造方法。
As a result of various investigations, the inventors of the present invention have grown a seed when a Group 13 metal nitride crystal is grown on the seed in a solution containing a nitrogen element and a Group 13 metal element in a molten salt. By selecting the polarity of the surface, it has been found that the unevenness of the growth surface of the Group 13 metal nitride crystal can be reduced, and the following inventions have been provided.
[1] A method for producing a Group 13 metal nitride crystal in which a Group 13 metal nitride crystal is grown on a seed in a solution containing a nitrogen element and a Group 13 metal element in a molten salt, the seed A method for producing a Group 13 metal nitride crystal, wherein the main surface is a semipolar surface.
[2] The Group 13 metal nitriding according to [1], including a step of obtaining a solution by dissolving a composite metal nitride containing a Group 13 metal element and a metal element other than the Group 13 in a molten salt. Method for producing physical crystals.
[3] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to [1] or [2], wherein a main surface of the seed is composed of a Group 13 metal nitride crystal.
[4] The main surface of the seed is an (hkil) surface, h and k are integers satisfying h + k ≠ 0, i is an integer satisfying i = − (h + k), and l is a positive integer. ] The manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal as described in any one of [3].
[5] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [4], wherein the molten salt is a molten salt that is not a raw material for the Group 13 metal nitride crystal.
[6] A Group 13 metal nitride crystal obtained by the method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [5].
[7] A method for producing a Group 13 metal nitride crystal on a substrate by the method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [5], A method for manufacturing a semiconductor device.

本発明の製造方法によれば、工業的に安価な方法で、成長表面に凹凸がなく、不純物が少なく、結晶性の優れた第13族金属窒化物結晶を製造することができる。また、工業的に安価な方法で、本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、パワーICや高周波に対応可能な良質の半導体デバイスを製造することが可能である。   According to the production method of the present invention, it is possible to produce a Group 13 metal nitride crystal having no crystal irregularities on the growth surface, few impurities, and excellent crystallinity by an industrially inexpensive method. Moreover, according to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a high-quality semiconductor device that can handle power ICs and high frequencies by an industrially inexpensive method.

実施例1、2、及び比較例1で用いた反応装置を説明するための概略図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram for explaining reactors used in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. 実施例1で得られたGaN結晶の断面のCL−SEM写真である。2 is a CL-SEM photograph of a cross section of a GaN crystal obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られたGaN結晶の断面のCL−SEM写真である。4 is a CL-SEM photograph of a cross section of a GaN crystal obtained in Example 2. FIG. 比較例1で得られたGaN結晶の断面のCL−SEM写真である。4 is a CL-SEM photograph of a cross section of a GaN crystal obtained in Comparative Example 1. 実施例3で得られたGaN結晶の断面のCL−SEM写真である。4 is a CL-SEM photograph of a cross section of a GaN crystal obtained in Example 3. FIG.

以下に、本発明の第13族金属窒化物結晶の製造方法、および半導体デバイスの製造方法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、本発明の実施態様の代表例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。また第13族金属は、周期表第13族金属を意味する。
Below, the manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal of this invention and the manufacturing method of a semiconductor device are demonstrated in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on representative examples of 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. The group 13 metal means a group 13 metal of the periodic table.

本発明の第13族金属窒化物結晶の製造方法は、溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液において、シード上に第13族金属窒化物結晶を成長させる方法であって、該シードの主面が半極性面である製造方法である。   The method for producing a Group 13 metal nitride crystal of the present invention is a method for growing a Group 13 metal nitride crystal on a seed in a solution containing a nitrogen element and a Group 13 metal element in a molten salt. In the manufacturing method, the main surface of the seed is a semipolar surface.

[第13族金属窒化物結晶]
本発明の製造方法により得られる第13族金属窒化物結晶は、第13族金属を含むナイトライドであれば特に限定されず、例えば窒素ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)などの単独金属のナイトライド、または窒化ガリウム・インジウム(GaInN)、窒化ガリウム・アルミニウム(GaAlN)等の固溶体組成のナイトライドが挙げられる。好ましくは第13族金属として少なくともガリウム(Ga)を含む結晶、特に好ましくはGaN結晶の製造方法として好適に用いることができる。
[Group 13 metal nitride crystals]
The group 13 metal nitride crystal obtained by the production method of the present invention is not particularly limited as long as it is a nitride containing a group 13 metal. For example, nitrogen gallium (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN) ) Or a nitride of a solid solution composition such as gallium nitride / indium (GaInN) or gallium nitride / aluminum (GaAlN). A crystal containing at least gallium (Ga) as a Group 13 metal, preferably a method for producing a GaN crystal is particularly preferable.

第13属金属窒化物結晶は、塊状、棒状、板状のシードを用いて、これらのシード上に結晶成長させて得られたものが、結晶性が良好であり、十分なサイズを得やすいことから好ましい。   Group 13 metal nitride crystals are obtained by growing crystals on these seeds using massive, rod-like, or plate-like seeds, and have good crystallinity and a sufficient size can be easily obtained. To preferred.

[溶融塩]
本発明の製造方法では溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液を用いる。
ここで、溶融塩とは常温で固体の塩を高温で融解させたものである。溶融塩の種類は、シード上での結晶のエピタキシャル成長を阻害しないものであれば良く、例えば、ハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、イオウ化物等を挙げることができる。一般には、第13族金属元素を金属イオンとして安定に溶解させる能力が高いことから、ハロゲン化物を用いることが好ましい。具体的には、溶融塩がLiCl、KCl、NaCl、CsCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2、AlCl、GaCl、LiBr、KBr、N
aBr、CsBr、LiF、KF、NaF、AlF、GaF、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2、BaI2等の金属ハロゲン化物であることが好ましく、LiCl、KCl、NaCl、CsCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2およびそれらの混合塩のいずれかであると、溶液の融点が下がるため好ましい。溶液の融点が下がると、結晶成長を比較的低温で行うことが可能になるため、得られる結晶の結晶性や工業的な実施の面で好ましい。
[Molten salt]
In the production method of the present invention, a solution containing a nitrogen element and a Group 13 metal element in a molten salt is used.
Here, the molten salt is obtained by melting a solid salt at room temperature. The type of molten salt is not particularly limited as long as it does not inhibit the epitaxial growth of crystals on the seed, and examples thereof include halides, carbonates, nitrates, and sulfurides. In general, it is preferable to use a halide because it has a high ability to stably dissolve a Group 13 metal element as a metal ion. Specifically, the molten salt is LiCl, KCl, NaCl, CsCl, MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 , AlCl 3 , GaCl 3 , LiBr, KBr, N
aBr, CsBr, LiF, KF, NaF, AlF 3, GaF 3, LiI, NaI, KI, CsI, preferably a metal halide, such as CaI 2, BaI 2, LiCl, KCl, NaCl, CsCl, MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 and mixed salts thereof are preferable because the melting point of the solution is lowered. When the melting point of the solution is lowered, crystal growth can be performed at a relatively low temperature, which is preferable in terms of crystallinity of the obtained crystal and industrial implementation.

また、窒素元素を窒化物イオンとして溶解させる能力の高いことから、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を含む塩を用いることが好ましい。具体的には、溶融塩がLi、Na、K等のアルカリ金属塩および/またはMg、Ca、Sr等のアルカリ土類金属を含む塩からなる溶融塩であることが好ましく、LiCl、KCl、NaCl、CsCl、LiNCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2などが挙げられる。 In addition, it is preferable to use a salt containing an alkali metal and / or an alkaline earth metal because it has a high ability to dissolve nitrogen element as nitride ions. Specifically, the molten salt is preferably a molten salt composed of an alkali metal salt such as Li, Na, or K and / or a salt containing an alkaline earth metal such as Mg, Ca, or Sr. LiCl, KCl, NaCl , CsCl, Li 4 NCl, MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 and the like.

また溶融塩は、原料の溶解度を調整して結晶成長速度を適切に制御するために、得られる第13族金属窒化物結晶の原料とならない溶融塩であることが好ましい。つまり、第13族金属元素および窒素元素を含まない塩であればよく、例えばLiCl、KCl、NaCl、CsCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2などが挙げられる。
この場合、本願発明の製造方法は、溶融塩に窒素元素および/または第13族金属元素を含む化合物を第13族金属窒化物結晶の原料として溶解し、窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液を得る工程を有する。
The molten salt is preferably a molten salt that does not become a raw material for the obtained Group 13 metal nitride crystal in order to adjust the solubility of the raw material to appropriately control the crystal growth rate. That is, any salt that does not contain a Group 13 metal element and a nitrogen element may be used, and examples thereof include LiCl, KCl, NaCl, CsCl, MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , and BaCl 2 .
In this case, the manufacturing method of the invention of the present application dissolves a compound containing a nitrogen element and / or a Group 13 metal element in a molten salt as a raw material for the Group 13 metal nitride crystal, and combines the nitrogen element and the Group 13 metal element. Obtaining a solution containing.

溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液において、溶融塩に対する窒素元素の溶解度および第13族金属元素の溶解度を制御するために、溶融塩として複数の塩の混合物を用いることもできる。複数の塩の混合物の溶融塩は、2種類以上の塩を別々の固体として反応系内に導入し、加熱溶融させて作製することも可能であるが、混合塩たとえばLiClとNaClの混合塩の固体を加熱溶融させて作製することが、系内の均一性の観点から望ましい。   In a solution containing a nitrogen element and a Group 13 metal element in a molten salt, a mixture of a plurality of salts is used as the molten salt in order to control the solubility of the nitrogen element in the molten salt and the solubility of the Group 13 metal element. You can also. A molten salt of a mixture of a plurality of salts can be prepared by introducing two or more kinds of salts as separate solids into a reaction system and melting them by heating. However, a mixed salt such as a mixed salt of LiCl and NaCl can be prepared. It is desirable to heat and melt the solid from the viewpoint of uniformity in the system.

本発明で用いる溶融塩は、ハロゲン化リチウムと、ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化カリウムおよびハロゲン化セシウムからなる群より選択される1つ以上のハロゲン化物とからなるものであることが好ましく、ハロゲン化リチウムと、ハロゲン化ナトリウムまたはハロゲン化カリウムとからなるものであることがより好ましく、ハロゲン化リチウムとハロゲン化ナトリウムからなるものであることがさらに好ましい。   The molten salt used in the present invention is preferably composed of lithium halide and one or more halides selected from the group consisting of sodium halide, potassium halide and cesium halide. More preferably, it consists of sodium halide or potassium halide, more preferably lithium halide and sodium halide.

ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化カリウムおよびハロゲン化セシウムからなる群より選択される1つまたは複数のハロゲン化物の合計含有率は溶融塩の全体量に対して5〜85モル%が好ましく、15〜60モル%がさらに好ましい。これらのハロゲン化物の含有率が5モル%以上である場合には、結晶の成長速度が速い点で好ましい。また合計含有率が85モル%以下であると、雑晶の発生が少なく、シード上での結晶の成長速度が速くなる点で好ましい。   The total content of one or more halides selected from the group consisting of sodium halide, potassium halide and cesium halide is preferably from 5 to 85 mol%, preferably from 15 to 60 mol, based on the total amount of the molten salt. % Is more preferable. When the content of these halides is 5 mol% or more, it is preferable in that the crystal growth rate is high. Further, it is preferable that the total content is 85 mol% or less in that the generation of miscellaneous crystals is small and the crystal growth rate on the seed is increased.

上記溶融塩に水等の不純物が含まれている場合は、予め溶融塩を精製しておくことが望ましい。精製方法は特に限定されないが、例えば溶融塩に反応性気体を吹き込むなどの方法が挙げられる。反応性気体としては、例えば、塩化水素、ヨウ化水素、臭化水素、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、塩素、臭素、ヨウ素等を挙げることができ、塩化物の溶融塩に対しては、特に塩化水素を用いることが好ましい。   When the molten salt contains impurities such as water, it is desirable to purify the molten salt in advance. The purification method is not particularly limited, and examples thereof include a method of blowing a reactive gas into the molten salt. Examples of the reactive gas include hydrogen chloride, hydrogen iodide, hydrogen bromide, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium iodide, chlorine, bromine, iodine and the like. In particular, it is preferable to use hydrogen chloride.

[溶液の組成]
第13族金属窒化物結晶を成長させる溶液は、溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液であり、上記の溶融塩の他に、第13族金属元素と窒素元素を含む。
第13族金属元素と窒素元素は、第13族金属や第13族金属元素を含む化合物、窒素ガスや窒素元素を含む化合物をそれぞれ溶融塩に溶解させることにより溶液中に存在させることができる。ここで溶液中に含まれる第13族金属元素は、結晶成長させようとしている第13族金属窒化物結晶の第13族金属元素である。したがって、GaN結晶を成長させようとしている場合は、溶融塩中にGaかGa化合物を溶解させる。
[Composition of solution]
The solution for growing the Group 13 metal nitride crystal is a solution containing a nitrogen element and a Group 13 metal element in the molten salt, and includes a Group 13 metal element and a nitrogen element in addition to the molten salt. .
The Group 13 metal element and the nitrogen element can be present in the solution by dissolving a Group 13 metal, a compound containing a Group 13 metal element, or a compound containing nitrogen gas or a nitrogen element in the molten salt. Here, the Group 13 metal element contained in the solution is a Group 13 metal element of the Group 13 metal nitride crystal to be crystal-grown. Therefore, when a GaN crystal is to be grown, Ga or a Ga compound is dissolved in the molten salt.

第13族金属元素を含む化合物としては、ハロゲン化物、窒化物などが挙げられる。具体的にはGaCl、GaF、GaN、LiGaF、NaGaFなどが挙げられる。中でも高温での安定性の観点から、GaN、LiGaF、NaGaFが好ましい。
窒素元素を含む化合物としては、例えばアンモニアやアンモニア塩、金属アミド、金属窒化物が挙げられる。窒化物としては、LiN、Ca、Mg、Sr、Baなどのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の窒化物を例示することができる。溶融塩の主成分としてLiClを用いる場合には、窒化物としてLiNを採用することが好ましい。
Examples of the compound containing a Group 13 metal element include halides and nitrides. Specifically GaCl 3, GaF 3, GaN, and the like LiGaF 4, NaGaF 4. Among these, GaN, LiGaF 4 and NaGaF 4 are preferable from the viewpoint of stability at high temperatures.
Examples of the compound containing nitrogen element include ammonia, ammonia salt, metal amide, and metal nitride. Examples of the nitride include alkali metal or alkaline earth metal nitrides such as Li 3 N, Ca 3 N 2 , Mg 3 N 2 , Sr 3 N 2 , and Ba 3 N 2 . When LiCl is used as the main component of the molten salt, it is preferable to employ Li 3 N as the nitride.

これらの窒化物を溶解させることにより、後述する複合金属窒化物の溶解度を増加させることもできる。その際、溶液中に存在する窒素元素と第13族金属元素の比率は、窒素欠陥の少ない結晶を効率よく成長させるために窒素元素/第13族金属元素(モル比)で1〜30とすることが好ましく、より好ましくは1〜15、さらに好ましくは2〜10である。このような範囲となるように窒素元素を含む物質を溶解させることが好ましい。   By dissolving these nitrides, the solubility of the composite metal nitride described later can be increased. At that time, the ratio of the nitrogen element and the group 13 metal element present in the solution is 1 to 30 in terms of nitrogen element / group 13 metal element (molar ratio) in order to efficiently grow a crystal having few nitrogen defects. More preferably, it is 1-15, More preferably, it is 2-10. It is preferable to dissolve the substance containing nitrogen element so as to be in such a range.

[複合窒化物]
第13族金属窒化物結晶を成長させる溶液は、溶媒である溶融塩に第13族金属と第13族以外の金属元素とを含有する複合金属窒化物を溶解することによっても作成することができる。
第13族金属と第13族以外の金属元素とを含有する複合金属窒化物は、第13族金属の窒化物粉体と第13族金属以外の金属の窒化物粉体(例えばLi3N、Ca32)とを
混合した後、温度を上げて固相反応させるなどの方法により得ることができる。第13族金属としては、Ga、Al、In、GaAl、GaIn等を好ましい例として挙げることができる。また、第13族以外の金属元素としては、Li、Na、Ca、Sr、Ba、Mg等を挙げることができ、中でもLi、Ca、Ba、Mgを好ましい元素として挙げることができる。
[Composite nitride]
A solution for growing a Group 13 metal nitride crystal can also be prepared by dissolving a composite metal nitride containing a Group 13 metal and a metal element other than Group 13 in a molten salt as a solvent. .
A composite metal nitride containing a Group 13 metal and a metal element other than Group 13 includes a Group 13 metal nitride powder and a metal nitride powder other than Group 13 metal (for example, Li 3 N, After mixing with Ca 3 N 2 ), it can be obtained by a method such as raising the temperature and causing a solid phase reaction. Preferred examples of Group 13 metals include Ga, Al, In, GaAl, and GaIn. In addition, examples of metal elements other than Group 13 include Li, Na, Ca, Sr, Ba, and Mg. Among them, Li, Ca, Ba, and Mg can be cited as preferable elements.

好ましい複合金属窒化物としては、溶融塩への溶解度が高いことからLi3GaN2、Ca3Ga24、Ba3Ga24、Mg3GaN3、CaGaN等の第13族金属とアルカリ金属またはアルカリ土類金属との複合金属窒化物を挙げることができ、Li3GaN2がより好ましい。Li3GaN2を用いる場合には、Li3GaN2に含まれている不純物であるLiNを除去したり、逆にLiNを添加したりしてあらかじめLiNの含有量を調節しておくことが、窒素欠陥の少ない窒化物結晶を得る点で好ましい。 Preferred composite metal nitrides include Group 13 metals such as Li 3 GaN 2 , Ca 3 Ga 2 N 4 , Ba 3 Ga 2 N 4 , Mg 3 GaN 3 , CaGaN and alkalis because of their high solubility in molten salts. A composite metal nitride with a metal or an alkaline earth metal can be mentioned, and Li 3 GaN 2 is more preferable. When Li 3 GaN 2 is used, the content of Li 3 N is adjusted in advance by removing Li 3 N which is an impurity contained in Li 3 GaN 2 or by adding Li 3 N on the contrary. It is preferable to obtain a nitride crystal with few nitrogen defects.

本発明では、2種類以上の複合金属窒化物を用いてもよい。
本発明の製造方法で用いられる複合金属窒化物は、通常第13族金属と第13族以外の金属との合金をつくっておき、窒素雰囲気中で加熱することによっても容易に作製できる。例えばLi3GaN2は、Ga−Li合金を窒素雰囲気中で600〜800℃で加熱処理することによって作製することができる。通常、アモノサーマル法等では、目的の第13族金属窒化物結晶の微粉または微結晶を合成し、これを溶媒に溶解するが、こうしたプロセスから較べると、非常に容易に原料を作ることができ、工業的な価値は大きい。また、複合金属窒化物は化学的に合成された結晶性のものでなくともよく、例えば、それらの合金からなるターゲットを反応性スパッターにより、窒素プラズマとの反応で作製したサファイア基板や石英等の基板上に生成した化学量論組成からずれた混合窒化物膜であってもよい。こうしたドライプロセスで作られた複合金属窒化物薄膜は、溶融塩と接触させておくと、窒化物薄膜から溶融塩へ窒化物が少しずつ溶解し、界面付近に拡散支配の窒化物溶解相を形成でき、シードをこの界面付近に置くことによって容易に結晶成長が達成できる。また、ドライプロセスを用いる特徴としては、化学的に合成が難しいような窒化物でも容易に作製ができることが挙げられる。なお、ここでは固体状の複合金属窒化物の合成法を説明したが、本発明では溶液中で2種の窒化物を反応させて溶液中に溶解した複合金属窒化物を合成し、そのまま結晶成長に用いても構わない。
In the present invention, two or more kinds of composite metal nitrides may be used.
The composite metal nitride used in the production method of the present invention can be easily produced by usually forming an alloy of a Group 13 metal and a metal other than Group 13 and heating in a nitrogen atmosphere. For example, Li 3 GaN 2 can be manufactured by heat-treating a Ga—Li alloy at 600 to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. Usually, in the ammonothermal method or the like, the fine powder or crystallite of the target Group 13 metal nitride crystal is synthesized and dissolved in a solvent. However, compared with such a process, it is very easy to make a raw material. Yes, and industrial value is great. In addition, the composite metal nitride may not be a chemically synthesized crystalline material, for example, a sapphire substrate or quartz produced by reacting a target made of an alloy thereof with nitrogen plasma by reactive sputtering. A mixed nitride film deviated from the stoichiometric composition generated on the substrate may be used. When the composite metal nitride thin film produced by such a dry process is kept in contact with the molten salt, the nitride gradually dissolves from the nitride thin film to the molten salt, forming a diffusion-dominated nitride dissolved phase near the interface. Crystal growth can be easily achieved by placing the seed in the vicinity of this interface. Further, as a feature of using the dry process, it is possible to easily produce even a nitride that is difficult to synthesize chemically. Although the method for synthesizing a solid composite metal nitride has been described here, in the present invention, two types of nitrides are reacted in a solution to synthesize a composite metal nitride dissolved in the solution, and crystal growth is performed as it is. You may use for.

窒化物などの窒素元素を含む化合物を溶融塩中に添加する際には、反応系内に酸素または水分が入らないように、添加する物質および添加時に反応系内に同伴される気相に酸素または水分が入らないように操作することが好ましい。   When a compound containing nitrogen element such as nitride is added to the molten salt, the substance to be added and the gas phase entrained in the reaction system at the time of addition are oxygenated so that oxygen or moisture does not enter the reaction system. Or it is preferable to operate so that moisture does not enter.

[シード]
本発明の製造方法では、シードの主面が半極性面であるシード上に第13族金属窒化物結晶を成長させる。シードの主面とは、シードの総表面積に対してその面の占める表面積が最も広い面を意味する。例えば、シードが板状の場合には2つの主面が存在する場合が考えられるが、そのうちいずれか一方の主面が半極性面であればよい。
[seed]
In the manufacturing method of the present invention, a Group 13 metal nitride crystal is grown on a seed whose main surface is a semipolar surface. The main surface of the seed means a surface having the largest surface area occupied by the surface with respect to the total surface area of the seed. For example, when the seed is plate-shaped, there may be two main surfaces, but one of the main surfaces may be a semipolar surface.

使用するシードの種類は特に限定されず、目的の第13族金属窒化物結晶と同じであってもよいし、サファイア、SiC、ZnO等の異種結晶であってもよい。好ましいのは、シードの主面が第13族金属窒化物結晶で構成されている場合であり、さらに好ましくはシードとして第13族金属窒化物結晶または基板を用いる場合である。シードの形状は特に制限されず、塊状であっても、平板状であっても、棒状であってもよい。
また、ホモエピタキシャル成長用のシードであってもよいし、ヘテロエピタキシャル成長用のシードであってもよい。具体的には、気相成長させたGaN、InGaN、AlGaN等の13族金属窒化物のシードを挙げることができる。また、サファイア、シリカ、ZnO、BeO等の金属酸化物や、SiC、Si等の珪素含有物や、GaAs等の気相成長法等で基板として用いられる材料を挙げることもできる。これらのシードの材料は、本発明で成長させる第13族金属窒化物結晶の格子定数にできるだけ近いものを選択することが好ましい。
The kind of seed to be used is not particularly limited, and may be the same as the target Group 13 metal nitride crystal, or may be a heterogeneous crystal such as sapphire, SiC, ZnO or the like. The case where the main surface of the seed is composed of a Group 13 metal nitride crystal is preferred, and the case where a Group 13 metal nitride crystal or a substrate is used as the seed is more preferred. The shape of the seed is not particularly limited, and may be a block shape, a flat plate shape, or a rod shape.
Further, it may be a seed for homoepitaxial growth or a seed for heteroepitaxial growth. Specific examples include seeds of group 13 metal nitrides such as vapor grown GaN, InGaN, and AlGaN. In addition, metal oxides such as sapphire, silica, ZnO, and BeO, silicon-containing materials such as SiC and Si, and materials used as substrates in vapor phase growth methods such as GaAs can also be exemplified. The seed material is preferably selected as close as possible to the lattice constant of the Group 13 metal nitride crystal grown in the present invention.

以下、第13族金属窒化物としてGaNを例にとり、シードの極性と溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液(以下、単に「溶液」と称することがある)中におけるGaN結晶の成長層の平面性の関係について説明するが、本発明はGaN結晶の製造方法に限定されるものではない。
GaN結晶における極性面とは、表面にGaまたはNのどちらか一方のみが配列している面である。極性面は、表面に存在する原子の偏りにより表面が電気的に正または負に帯電している。非極性面とは、GaとNが表面に同数存在している面であり、表面は電気的に中性である。半極性面とは、表面のGaとNが両方存在しているが存在比が1:1ではない面であり、このため極性面と比べ表面の帯電が少ない。
Hereinafter, GaN is taken as an example of the group 13 metal nitride, and the GaN in a solution containing the nitrogen of the seed and the group 13 metal element in the molten salt (hereinafter sometimes simply referred to as “solution”). The planarity relationship of the crystal growth layer will be described, but the present invention is not limited to the GaN crystal manufacturing method.
The polar plane in the GaN crystal is a plane in which only one of Ga and N is arranged on the surface. The polar surface is electrically positively or negatively charged due to the bias of atoms present on the surface. The nonpolar plane is a plane in which the same number of Ga and N are present on the surface, and the surface is electrically neutral. The semipolar surface is a surface in which both Ga and N are present on the surface but the abundance ratio is not 1: 1, and therefore the surface is less charged than the polar surface.

溶液中でGaN結晶の成長を行う場合において、溶融塩は一部もしくは全て電離して陽イオンと陰イオンとして存在しており、これにより溶液は電荷を帯びているため、成長中のGaN結晶は帯電している極性面、または半極性面を表面に形成しやすいと考えられる。そのため、非極性面を主面とするシードを用いると、結晶成長が進行するにつれて溶液中で形成されやすい極性面または半極性面が混在して現れることになり、結果としてGaN結晶の成長表面に凹凸が多く現れて平坦性が悪くなると推察される。それに対して、極性面または半極性面を主面とするシードを用いると、元来形成しやすい面から結晶成長がスタートするため、シードの主面と同一の面を保ったまま結晶成長し、GaN結晶の成長表面の平坦性が維持されるものと考えられる。   When a GaN crystal is grown in a solution, the molten salt is partially or completely ionized to exist as cations and anions, and the solution is charged. It is considered that a charged polar surface or semipolar surface is easily formed on the surface. For this reason, when a seed having a non-polar surface as a main surface is used, a polar surface or a semipolar surface that is likely to be formed in a solution appears as the crystal growth proceeds, and as a result, the growth surface of the GaN crystal appears. It is inferred that many irregularities appear and the flatness deteriorates. On the other hand, if a seed having a polar surface or semipolar surface as the main surface is used, crystal growth starts from the surface that is easy to form originally, so that the crystal grows while maintaining the same surface as the main surface of the seed, It is considered that the flatness of the growth surface of the GaN crystal is maintained.

しかしながら、極性面では、例えばGaのみが配列している場合、GaNが成長するためにはN原子が供給されなければならないが、GaとNが双方存在している溶液中ではN原子のみを面に高濃度に供給するような溶液組成の偏りは生じにくい。そのため極性面では半極性面に比べて成長速度が著しく遅くなると推察される。
このことから、本発明の製造方法では、シードの主面が半極性面であるシード上に第13族金属窒化物結晶を成長させる。
However, in the polar plane, for example, when only Ga is arranged, N atoms must be supplied in order for GaN to grow, but in a solution in which both Ga and N are present, only N atoms are faced. It is difficult for the composition of the solution to be biased to be supplied at a high concentration. For this reason, it is presumed that the growth rate is significantly slower on the polar surface than on the semipolar surface.
For this reason, in the manufacturing method of the present invention, a Group 13 metal nitride crystal is grown on a seed whose main surface is a semipolar surface.

ウルツ鉱型第13族金属窒化物結晶のシードを用いた場合、半極性面は(hkil)面であって、hとkはh+k≠0を満たす整数、iはi=−(h+k)となる整数、lは0以外の整数で示される面であれば限定されず、例としては(10−1−1)面、(20−2−1)面、(10−1−2)面、(10−11)面、(20−21)面、(10−12)面、(11−22)面、(11−2−2)面が挙げられる。結晶の成長表面がより平坦になりやすいことから、さらに好ましくは(hkil)面であって、hとkはh+k≠0を満たす整数、iはi=−(h+k)となる整数、lは正の整数で示される面である。例としては(10−11)面、(20−21)面、(10−12)面、(11−22)面が挙げられる。さらに最も好ましくは(10−11)面、(20−21)面を使用するとよい。   When a wurtzite group 13 metal nitride crystal seed is used, the semipolar plane is the (hkil) plane, h and k are integers satisfying h + k ≠ 0, and i is i = − (h + k) The integer, l is not limited as long as it is a plane represented by an integer other than 0. Examples include (10-1-1) plane, (20-2-1) plane, (10-1-2) plane, ( 10-11) plane, (20-21) plane, (10-12) plane, (11-22) plane, and (11-2-2) plane. Since the growth surface of the crystal tends to be flatter, it is more preferably a (hkil) plane, h and k are integers satisfying h + k ≠ 0, i is an integer satisfying i = − (h + k), and l is positive It is a surface indicated by an integer. Examples include (10-11) plane, (20-21) plane, (10-12) plane, and (11-22) plane. Most preferably, the (10-11) plane and the (20-21) plane are used.

[反応容器]
本発明で用いる反応容器は、本発明の製造方法における反応を阻害しないものであれば特に制限されないが、熱的および化学的に安定な金属、酸化物、窒化物、炭化物を主成分とする反応容器であることが好ましい。周期表第4族元素(Ti、Zr、Hf)を含む金属であることが好適であり、好ましくはTiを用いる場合である。
[Reaction vessel]
The reaction vessel used in the present invention is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction in the production method of the present invention. However, the reaction is mainly composed of thermally and chemically stable metals, oxides, nitrides and carbides. A container is preferred. A metal containing a Group 4 element (Ti, Zr, Hf) of the periodic table is suitable, and Ti is preferably used.

また、90重量%以上が前記第4族元素である金属を用いることが好ましい。さらに好ましくは、99重量%以上が前記第4族元素である金属を用いることである。
また、これらの反応容器の部材の表面は、前記周期表第4族元素の窒化物からなることが好ましく、後述する窒化処理方法によってあらかじめ窒化物を形成することが好適である。
Further, it is preferable to use a metal whose 90% by weight or more is the Group 4 element. More preferably, 99% by weight or more of a metal that is the Group 4 element is used.
The surfaces of these reaction vessel members are preferably made of a nitride of the Group 4 element of the periodic table, and it is preferable to form the nitride in advance by a nitriding method described later.

[窒化処理方法]
本発明において、窒化処理とは前記反応容器の部材の少なくとも表面を窒化する工程のことを指す。結晶成長の前にあらかじめ部材を窒化処理しておき、溶液または融液と接触する部材の表面に強固かつ安定な窒化物を形成しておくことが好ましい。また、部材の割れにくさや機械的な強度を考慮して、窒化物を窒化膜の形態で形成してもよい。
[Nitriding method]
In the present invention, nitriding refers to a step of nitriding at least the surface of the reaction vessel member. It is preferable to nitride the member in advance before crystal growth to form a strong and stable nitride on the surface of the member that contacts the solution or melt. Further, the nitride may be formed in the form of a nitride film in consideration of the difficulty of cracking the member and mechanical strength.

窒化処理方法は表面に形成される窒化物が安定であれば特に限定はないが、例えば前記反応容器の部材を700℃以上の窒素雰囲気下において加熱保持することで、前記部材表面に安定な窒化膜を形成することができる。
更には、高温下でアルカリ金属窒化物やアルカリ土類金属窒化物を窒化剤として使用して前記部材表面を窒化することも可能であり、好ましくはアルカリ金属ハロゲン化物やアルカリ土類金属ハロゲン化物と前記アルカリ金属窒化物やアルカリ土類金属窒化物との混合融液中に保持することで、安定な窒化膜を形成することができる。また、実際に結晶成長を行なう条件と同様の条件下に部材を保持することで、簡便に窒化処理を行なうこともできる。
The nitriding treatment method is not particularly limited as long as the nitride formed on the surface is stable. For example, the member of the reaction vessel is heated and held in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. or higher, so that stable nitriding is performed on the surface of the member. A film can be formed.
Furthermore, the surface of the member can be nitrided using an alkali metal nitride or alkaline earth metal nitride as a nitriding agent at a high temperature, preferably an alkali metal halide or an alkaline earth metal halide. A stable nitride film can be formed by holding it in a mixed melt with the alkali metal nitride or alkaline earth metal nitride. In addition, the nitriding treatment can be easily performed by holding the member under the same conditions as the actual crystal growth conditions.

[反応温度、反応圧力]
反応容器内において第13族金属窒化物結晶を成長させる際の温度は、原料及び溶融塩の分解や蒸発を抑え、且つ、成長速度を速くできることから、通常200〜1000℃で
あり、好ましくは400〜850℃、より好ましくは600〜800℃である。また、第13族金属窒化物結晶を成長させる際の反応容器内の圧力は、条件によって適宜選択することができとくに限定されないが、製造装置が簡便になり工業的に有利に製造できることから、通常10MPa以下であり、好ましくは3MPa以下、さらに好ましくは0.3MPa以下、より好ましくは0.11MPa以下であって、通常0.01MPa以上、より好ましくは0.09MPa以上である。特に結晶成長速度を速くしたい場合には、0.0
9MPa以下とすることも好ましい。
[Reaction temperature, reaction pressure]
The temperature at which the Group 13 metal nitride crystal is grown in the reaction vessel is usually 200 to 1000 ° C., preferably 400, because decomposition and evaporation of the raw material and molten salt can be suppressed and the growth rate can be increased. It is -850 degreeC, More preferably, it is 600-800 degreeC. Further, the pressure in the reaction vessel when growing the Group 13 metal nitride crystal can be appropriately selected depending on the conditions and is not particularly limited. However, since the production apparatus is simple and can be advantageously produced industrially, It is 10 MPa or less, preferably 3 MPa or less, more preferably 0.3 MPa or less, more preferably 0.11 MPa or less, and usually 0.01 MPa or more, more preferably 0.09 MPa or more. Especially when it is desired to increase the crystal growth rate, 0.0%
It is also preferable to set it to 9 MPa or less.

[半導体デバイスの製造方法]
本発明の製造方法は、半導体デバイスの製造方法における第13族金属窒化物結晶を製造する工程に用いることができる。その他の工程における原料、製造条件および装置は一般的な半導体デバイスの製造方法で用いられる原料、条件および装置をそのまま適用できる。本発明の製造方法によれば、パワーIC、高周波対応可能な半導体デバイス等を製造することができる。
[Method for Manufacturing Semiconductor Device]
The manufacturing method of this invention can be used for the process of manufacturing the group 13 metal nitride crystal in the manufacturing method of a semiconductor device. The raw materials, conditions, and apparatuses used in general semiconductor device manufacturing methods can be applied as they are for the raw materials, manufacturing conditions, and apparatuses in other processes. According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a power IC, a semiconductor device capable of handling high frequencies, and the like.

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)
固体のLiGaN 1.44gを外径34mm、内径30mm、高さ200mmの窒化処理を施したTi製の反応容器に入れ、次いで溶媒として8.64gのNaClと20.16gのLiClとを炭化タングステン製乳鉢でよく粉砕混合し、Ti製の反応容器に入れた。固体のLiGaNは篩を使用して、600μm以上2mm以下の粒径のものを選んで使用した。Ti製反応容器の窒化処理は事前に28.8gのLiClと0.10gのLiNをTi製反応容器に入れて窒素雰囲気下で745℃、2時間熱することにより施した。
Example 1
Solid Li 3 GaN 2 ( 1.44 g) is placed in a nitriding-treated Ti vessel having an outer diameter of 34 mm, an inner diameter of 30 mm, and a height of 200 mm. Next, 8.64 g of NaCl and 20.16 g of LiCl are used as solvents. The mixture was pulverized and mixed well in a tungsten carbide mortar and placed in a Ti reaction vessel. Solid Li 3 GaN 2 was selected from a particle size of 600 μm or more and 2 mm or less using a sieve. The nitriding treatment of the Ti reaction vessel was performed in advance by putting 28.8 g of LiCl and 0.10 g of Li 3 N into the Ti reaction vessel and heating them at 745 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere.

次にTi製の反応容器(5)を石英製反応管(4)内にセットし、石英製反応管のガス導入口(1)およびガス排気口(2)を閉状態にした。これらの操作は全てArボックス中で行った。
次に、石英製反応管(4)をArボックスから取り出し、電気炉(3)にセットした。この石英製反応管(4)にガス導入管をつなぎ、導入管中を減圧にした後、石英製反応管のガス導入口(1)を開いて石英製反応管(4)内を減圧にしてからNで大気圧まで復圧し、石英製反応管(4)内をN雰囲気とした。その後、石英製反応管(4)のガス排気口(2)を開き、Nを100ccmで流通させた。
Next, the Ti reaction vessel (5) was set in the quartz reaction tube (4), and the gas introduction port (1) and the gas exhaust port (2) of the quartz reaction tube were closed. All these operations were performed in an Ar box.
Next, the quartz reaction tube (4) was taken out of the Ar box and set in the electric furnace (3). After connecting the gas introduction tube to the quartz reaction tube (4) and reducing the pressure in the introduction tube, the gas introduction port (1) of the quartz reaction tube is opened to reduce the pressure in the quartz reaction tube (4). From N 2 to atmospheric pressure, and the inside of the quartz reaction tube (4) was N 2 atmosphere. Thereafter, the gas exhaust port (2) of the quartz reaction tube (4) was opened, and N 2 was circulated at 100 ccm.

次に、電気炉の加熱を開始し、Ti製の反応容器(5)の内部が室温から745℃になるまで1時間で昇温し、NaCl及びLiClを溶融させて溶融塩とし、該溶融塩に原料(7)であるLiGaNが溶解して溶液を形成した。745℃で7時間保持した後、シード保持棒(8)の先端に取り付けたシード(6)を反応容器(5)中の溶液(9)に浸漬し、シードを100rpmにて回転させて結晶成長を開始した。反応容器(5)の底には、溶液の溶解度を越えている分のLiGaNが固体状で存在していた。シードには(10−11)面を主面とするGaN基板を用いた。 Next, heating of the electric furnace is started, and the temperature inside the Ti reaction vessel (5) is raised from room temperature to 745 ° C. over 1 hour, and NaCl and LiCl are melted to form a molten salt. Li 3 GaN 2 as the raw material (7) was dissolved into a solution. After holding at 745 ° C. for 7 hours, the seed (6) attached to the tip of the seed holding rod (8) is immersed in the solution (9) in the reaction vessel (5), and the seed is rotated at 100 rpm to grow crystals. Started. At the bottom of the reaction vessel (5), Li 3 GaN 2 exceeding the solubility of the solution was present in a solid state. As the seed, a GaN substrate having a (10-11) plane as a main surface was used.

745℃にて70時間結晶成長させた後、シード(6)を溶液(9)から引き上げてから炉の加熱を止め、石英製反応管(4)を急冷した。
シード(6)を石英製反応管(4)から取り出したところ、シード上にGaN成長層が
形成されたGaN結晶が得られた。
得られたGaN結晶を温水に投入して、NaClやLiClなどの付着している塩を溶解させた。GaN結晶の重量は、結晶成長前のシードの重量に比べて12.6wt%増加し、シードの主面にGaN結晶からなるGaN成長層ができていた。GaN成長層を含むGaN結晶の断面をカソードルミネッセンス−走査型電子顕微鏡(CL−SEM)で観察したところ、図2に示す成長表面が平坦なGaN成長層が確認できた。
After crystal growth at 745 ° C. for 70 hours, the seed (6) was pulled up from the solution (9), and then the heating of the furnace was stopped, and the quartz reaction tube (4) was rapidly cooled.
When the seed (6) was taken out from the quartz reaction tube (4), a GaN crystal in which a GaN growth layer was formed on the seed was obtained.
The obtained GaN crystal was poured into warm water to dissolve the adhered salt such as NaCl or LiCl. The weight of the GaN crystal increased by 12.6 wt% compared to the weight of the seed before crystal growth, and a GaN growth layer made of GaN crystal was formed on the main surface of the seed. When a cross section of the GaN crystal including the GaN growth layer was observed with a cathodoluminescence-scanning electron microscope (CL-SEM), a GaN growth layer having a flat growth surface shown in FIG. 2 was confirmed.

(実施例2)
シードとして(20−21)面を主面とするGaN基板を用いた点を除いて、実施例1と同じ方法でシード上にGaN成長層が形成されたGaN結晶を得た。GaN結晶の重量は、結晶成長前のシードの重量に比べて15.3wt%増加し、シードの主面にGaN結晶からなるGaN成長層ができていた。GaN成長層を含むGaN結晶の断面をCL−SEMで観察したところ、図3に示す成長表面が平坦なGaN成長層が確認できた。
(Example 2)
A GaN crystal in which a GaN growth layer was formed on the seed was obtained by the same method as in Example 1 except that a GaN substrate having a (20-21) plane as a main surface was used as a seed. The weight of the GaN crystal increased by 15.3 wt% compared to the weight of the seed before crystal growth, and a GaN growth layer made of GaN crystal was formed on the main surface of the seed. When the cross section of the GaN crystal including the GaN growth layer was observed with a CL-SEM, a GaN growth layer having a flat growth surface shown in FIG. 3 was confirmed.

(実施例3)
固体のLi3GaN2を2.88gとし、溶媒を11.52gのNaClと17.28gのLiClとして、溶液を形成した後の745℃での保持を10.5時間、シードを浸漬して結晶成長させる時間を304時間とした以外は、実施例1と同じ方法でシード上にGaN成長層が形成されたGaN結晶を得た。GaN結晶の重量は、結晶成長前のシードの重量に比べて61.9wt%増加し、シードの主面にGaN結晶からなるGaN成長層ができていた。GaN成長層を含むGaN結晶の断面をCL−SEMで観察したところ、図5に示す成長表面が平坦なGaN成長層が確認できた。
(Example 3)
The solid Li3GaN2 is 2.88 g, the solvent is 11.52 g NaCl and 17.28 g LiCl, and the solution is formed and held at 745 ° C. for 10.5 hours, and the seed is immersed to grow crystals. A GaN crystal having a GaN growth layer formed on the seed was obtained in the same manner as in Example 1 except that the time was changed to 304 hours. The weight of the GaN crystal increased by 61.9 wt% compared to the weight of the seed before crystal growth, and a GaN growth layer made of GaN crystal was formed on the main surface of the seed. When a cross-section of the GaN crystal including the GaN growth layer was observed with a CL-SEM, a GaN growth layer with a flat growth surface shown in FIG. 5 was confirmed.

(比較例1)
シードとして(10−20)面を主面とするGaN基板を用いた点を除いて、実施例1と同じ方法でシード上にGaN成長層が形成されたGaN結晶を得た。GaN結晶の重量は、結晶成長前のシードの重量に比べて12.1wt%増加し、シードの主面にGaN結晶からなるGaN成長層ができていた。GaN成長層を含むGaN結晶の断面をCL−SEMで観察したところ、図4に示すような、成長表面に鋸歯状の凹凸が確認できた。
(Comparative Example 1)
A GaN crystal in which a GaN growth layer was formed on the seed was obtained in the same manner as in Example 1 except that a GaN substrate having a (10-20) plane as a main surface was used as a seed. The weight of the GaN crystal increased by 12.1 wt% compared to the weight of the seed before crystal growth, and a GaN growth layer made of GaN crystal was formed on the main surface of the seed. When a cross-section of the GaN crystal including the GaN growth layer was observed with a CL-SEM, sawtooth-like irregularities were confirmed on the growth surface as shown in FIG.

本発明の第13族金属窒化物結晶の製造方法によれば、半導体デバイスに応用するのに十分なサイズを有する第13族金属窒化物結晶を安価な装置を用いて工業的に有利な方法で製造することができる。したがって、本発明は産業上の利用可能性が高い。   According to the method for producing a Group 13 metal nitride crystal of the present invention, a Group 13 metal nitride crystal having a size sufficient for application to a semiconductor device can be industrially advantageous using an inexpensive apparatus. Can be manufactured. Therefore, the present invention has high industrial applicability.

1 ガス導入口
2 ガス排出口
3 電気炉
4 石英製反応管
5 反応容器
6 シード
7 原料
8 シード保持棒
9 溶液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas inlet 2 Gas outlet 3 Electric furnace 4 Quartz reaction tube 5 Reaction vessel 6 Seed 7 Raw material 8 Seed holding rod 9 Solution

Claims (6)

溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液中において、第13族金属窒化物結晶の(10−11)面または(20−21)である主面を有するシードの該主面上に第13族金属窒化物結晶を成長させる結晶成長工程を有することを特徴とする、第13族金属窒化物結晶の成長方法。 In a solution containing a nitrogen element and a Group 13 metal element in a molten salt, the main surface of the seed having a main surface which is a (10-11) plane or (20-21) of a Group 13 metal nitride crystal A method for growing a Group 13 metal nitride crystal, comprising a crystal growth step for growing a Group 13 metal nitride crystal on the top. 前記結晶成長工程の前に、第13族金属元素と第13族以外の金属元素とを含有する複合金属窒化物を溶融塩に溶解して前記溶液を得る工程を有する、請求項1に記載の成長方法。 2. The method according to claim 1, further comprising a step of dissolving the composite metal nitride containing a Group 13 metal element and a metal element other than Group 13 in a molten salt to obtain the solution before the crystal growth step. Growth method. GaN結晶の成長方法である、請求項1または2に記載の成長方法。 The growth method according to claim 1, wherein the growth method is a GaN crystal growth method. 前記シードの主面がGaN結晶の(10−11)面または(20−21)面である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の成長方法。 The growth method according to claim 1, wherein a main surface of the seed is a (10-11) plane or a (20-21) plane of a GaN crystal. 前記溶融塩が、第13族金属元素および窒素元素を含まない溶融塩である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の成長方法。 The growth method according to any one of claims 1 to 4, wherein the molten salt is a molten salt that does not contain a Group 13 metal element and a nitrogen element. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の成長方法により、基板上に第13族金属窒化物結晶を成長させる工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the step of growing a Group 13 metal nitride crystal on a substrate by the growth method according to claim 1.
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