JP5678981B2 - Crystal manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、結晶製造方法に関する。 The present invention relates to a crystal manufacturing method.
現在、紫〜青〜緑色光源として用いられているInGaAlN系(III族窒化物)デバイスは、そのほとんどがサファイアあるいはSiC基板上にMO−CVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法(分子線結晶成長法)等を用いた結晶成長により作製されている。サファイアやSiCを基板として用いる場合には、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなる。このために、デバイス特性が悪く、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという問題がある。 Currently, most of InGaAlN-based (group III nitride) devices used as purple-blue-green light sources are MO-CVD (metal organic chemical vapor deposition) or MBE ( It is produced by crystal growth using a molecular beam crystal growth method) or the like. When sapphire or SiC is used as a substrate, crystal defects due to large difference in thermal expansion coefficient and difference in lattice constant from group III nitride increase. For this reason, there is a problem that the device characteristics are poor, for example, it is difficult to extend the life of the light emitting device, or the operating power is increased.
さらに、サファイア基板の場合には絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題がある。また、サファイア基板上に作製したIII族窒化物半導体デバイスは、劈開によるチップ分離が困難であり、レーザダイオード(LD)で必要とされる共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現在はドライエッチングによる共振器端面形成や、あるいはサファイア基板を100μm以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも、従来のLDのような共振器端面とチップ分離を単一工程で、容易に行うことが不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。 Furthermore, in the case of a sapphire substrate, since it is insulative, it is impossible to take out the electrode from the substrate side as in the conventional light emitting device, and it is necessary to take out the electrode from the nitride semiconductor surface side where the crystal has grown. . As a result, there is a problem that the device area is increased, leading to high costs. Further, the group III nitride semiconductor device fabricated on the sapphire substrate is difficult to separate the chip by cleavage, and it is not easy to obtain the resonator end face required for the laser diode (LD) by cleavage. For this reason, at present, resonator end faces are formed by dry etching, or resonator end faces are formed in a form close to cleavage after polishing the sapphire substrate to a thickness of 100 μm or less. Also in this case, it is impossible to easily separate the resonator end face from the conventional LD and the chip in a single process, resulting in a complicated process and an increase in cost.
これらの問題を解決するために、サファイア基板上にIII族窒化物半導体膜を選択横方向成長やその他の工夫を行うことで、結晶欠陥を低減させることが提案されている。 In order to solve these problems, it has been proposed to reduce crystal defects by performing selective lateral growth and other devices on a sapphire substrate for a group III nitride semiconductor film.
例えば文献「Japanese Journal of Applied Physics Vol.36 (1997) Part 2,No.12A, L1568−1571」(以下、第1の従来技術と称す)には、図6に示すようなレーザダイオード(LD)が示されている。図6のレーザダイオードは、MO−VPE(有機金属気相成長)装置にてサファイア基板1上にGaN低温バッファ層2とGaN層3を順次成長した後に、選択成長用のSiO2マスク4を形成する。このSiO2マスク4は、別のCVD(化学気相堆積)装置にてSiO2膜を堆積した後に、フォトリソグラフィ、エッチング工程を経て形成される。次に、このSiO2マスク4上に再度、MO−VPE装置にて20μmの厚さのGaN膜3を成長することで、横方向にGaNが選択成長し、選択横方向成長を行わない場合に比較して結晶欠陥を低減させている。さらに、その上層に形成されている変調ドープ歪み超格子層(MD−SLS)5を導入することで、活性層6へ結晶欠陥が延びることを防いでいる。この結果、選択横方向成長及び変調ドープ歪み超格子層を用いない場合に比較して、デバイス寿命を長くすることが可能となる。
For example, in the document “Japan Journal of Applied Physics Vol. 36 (1997)
この第1の従来技術の場合には、サファイア基板上にGaN膜を選択横方向成長しない場合に比較して、結晶欠陥を低減させることが可能となるが、サファイア基板を用いることによる、絶縁性と劈開に関する前述の問題は依然として残っている。さらには、SiO2マスク形成工程を挟んで、MO−VPE装置による結晶成長が2回必要となり、工程が複雑化するという問題が新たに生じる。 In the case of the first prior art, it is possible to reduce crystal defects as compared with the case where the GaN film is not selectively grown in the lateral direction on the sapphire substrate. And the above-mentioned problems regarding cleavage still remain. Furthermore, the crystal growth by the MO-VPE apparatus is required twice with the SiO 2 mask formation process in between, and a new problem that the process becomes complicated arises.
また、別の方法として、例えば文献「Applied Physics Letters, Vol.73, No.6, P.832−834(1998)」(以下、第2の従来技術と称す)には、GaN厚膜基板を応用することが提案されている。この第2の従来技術では、前述の第1の従来技術の20μmの選択横方向成長後に、H−VPE(ハイドライド気相成長)装置にて200μmのGaN厚膜を成長し、その後に、この厚膜成長したGaN膜を150μmの厚さになるように、サファイア基板側から研磨することにより、GaN基板を作製する。このGaN基板上にMO−VPE装置を用いて、LDデバイスとして必要な結晶成長を順次行ない、LDデバイスを作製する。この結果、結晶欠陥の問題に加えて、サファイア基板を用いることによる絶縁性と劈開に関する前述の問題点を解決することが可能となる。 As another method, for example, in a document “Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 6, P. 832-834 (1998)” (hereinafter referred to as a second conventional technique), a GaN thick film substrate is used. Application is proposed. In the second prior art, after the selective lateral growth of 20 μm of the first prior art described above, a 200 μm thick GaN film is grown by an H-VPE (hydride vapor phase epitaxy) apparatus, and then this thickness is increased. The grown GaN film is polished from the sapphire substrate side to a thickness of 150 μm to produce a GaN substrate. Using the MO-VPE apparatus on this GaN substrate, crystal growth necessary for the LD device is sequentially performed to manufacture the LD device. As a result, in addition to the problem of crystal defects, it is possible to solve the above-described problems related to insulation and cleavage by using a sapphire substrate.
しかしながら、第2の従来技術は、第1の従来技術よりもさらに工程が複雑になっており、より一層のコスト高となる。また、第2の従来技術の方法で200μmものGaN厚膜を成長させる場合には、基板であるサファイアとの格子定数差及び熱膨張係数差に伴う応力が大きくなり、基板の反りやクラックが生じるという問題が新たに発生する。また、このような複雑な工程を行なっても結晶欠陥密度は106個/cm2台程度までしか低減できず、実用的な半導体デバイスを得ることができない。 However, the process of the second conventional technique is more complicated than that of the first conventional technique, which further increases the cost. Further, when a GaN thick film having a thickness of 200 μm is grown by the second prior art method, the stress accompanying the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient from sapphire, which is the substrate, is increased, causing the substrate to warp and crack. A new problem arises. Even if such a complicated process is performed, the crystal defect density can be reduced only to about 10 6 / cm 2 , and a practical semiconductor device cannot be obtained.
この問題を回避するために、特開平10−256662号には、厚膜成長する元の基板(特開平10−256662号ではサファイアとスピネルが最も望ましいと記載されている)の厚さを1mm以上とすることが提案されている。この厚さ1mm以上の基板を用いることにより、厚膜のGaN膜を200μm成長しても、基板の反りやクラックが生じないとしている。しかし、このように厚い基板は、基板自体のコストが高く、また研磨に多くの時間を費やす必要があり、研磨工程のコストアップにつながる。すなわち、厚い基板を用いることにより、薄い基板を用いる場合に比較して、コストが高くなる。また、厚い基板を用いる場合には、厚膜のGaN膜を成長した後には基板の反りやクラックが生じないが、研磨の工程で応力緩和し、研磨途中で反りやクラックが発生する。このため、厚い基板を用いても、結晶品質の高いGaN基板を大面積化で容易に作成することはできない。 In order to avoid this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-256661 discloses that the thickness of the original substrate on which a thick film is grown (In Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-256661, sapphire and spinel are most desirable) is set to 1 mm or more Has been proposed. By using a substrate having a thickness of 1 mm or more, even when a thick GaN film is grown to 200 μm, the substrate is not warped or cracked. However, such a thick substrate has a high cost of the substrate itself and needs to spend a lot of time for polishing, leading to an increase in the cost of the polishing process. That is, using a thick substrate increases the cost compared to using a thin substrate. When a thick substrate is used, the substrate is not warped or cracked after the thick GaN film is grown, but stress is relaxed in the polishing process, and warping or cracking occurs during polishing. For this reason, even if a thick substrate is used, a GaN substrate having a high crystal quality cannot be easily formed with a large area.
一方、文献「Journal of Crystal Growth, Vol.189/190, p.153−158(1998)」(以下、第3の従来技術と称す)には、GaNのバルク結晶を成長させ、それをホモエピタキシャル基板として用いることが提案されている。この技術は、1400〜1700℃の高温、及び数10kbarもの超高圧の窒素圧力中で、液体GaからGaNを結晶成長させる手法となっている。この場合には、このバルク成長したGaN基板を用いて、デバイスに必要なIII族窒化物半導体膜を成長することが可能となる。従って、第1及び第2の従来技術のように工程を複雑化させることなく、GaN基板を提供できる。 On the other hand, in the document “Journal of Crystal Growth, Vol. It has been proposed to be used as a substrate. This technique is a technique for crystal growth of GaN from liquid Ga at a high temperature of 1400 to 1700 ° C. and an ultrahigh pressure of several tens of kbar. In this case, a group III nitride semiconductor film necessary for the device can be grown using the bulk-grown GaN substrate. Therefore, the GaN substrate can be provided without complicating the process as in the first and second conventional techniques.
しかしながら、第3の従来技術では、高温,高圧中での結晶成長が必要となり、それに耐えうる反応容器が極めて高価になるという問題がある。加えて、このような成長方法をもってしても、得られる結晶の大きさは高々1cm程度であり、デバイスを実用化するには小さ過ぎるという問題がある。 However, in the third prior art, there is a problem that crystal growth at high temperature and high pressure is required, and a reaction vessel that can withstand the growth becomes extremely expensive. In addition, even with such a growth method, there is a problem that the size of the obtained crystal is at most about 1 cm, which is too small for practical use of the device.
この高温,高圧中でのGaN結晶成長の問題点を解決する手法として、文献「Chemistry of Materials Vol.9 (1997) P.413−416」(以下、第4の従来技術と称す)には、アルカリ金属であるNaをフラックスとして用いたGaN結晶成長方法が提案されている。この方法は、アジ化ナトリウム(NaN3)と金属Gaをフラックスおよび原料として、ステンレス製の反応容器(容器内寸法;内径=7.5mm、長さ=100mm)に窒素雰囲気で封入し、その反応容器を600〜800℃の温度で24〜100時間保持することにより、GaN結晶を成長させるものである。この第4の従来技術の場合には、600〜800℃程度の比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々100kg/cm2程度と第3の従来技術に比較して圧力を低くできる点が特徴である。しかし、この方法の問題点としては、得られる結晶の大きさが1mmに満たない程度に小さい点である。この程度の大きさではデバイスを実用化するには第3の従来技術の場合と同様に小さすぎる。 As a technique for solving this problem of GaN crystal growth at high temperature and high pressure, the document “Chemistry of Materials Vol. 9 (1997) P.413-416” (hereinafter referred to as the fourth conventional technique) includes: A GaN crystal growth method using Na, which is an alkali metal, as a flux has been proposed. In this method, sodium azide (NaN 3 ) and metal Ga are used as a flux and a raw material, and sealed in a stainless steel reaction vessel (inner dimensions; inner diameter = 7.5 mm, length = 100 mm) in a nitrogen atmosphere, and the reaction A GaN crystal is grown by holding the container at a temperature of 600 to 800 ° C. for 24 to 100 hours. In the case of the fourth prior art, crystal growth at a relatively low temperature of about 600 to 800 ° C. is possible, and the pressure in the container is at most about 100 kg / cm 2, which is higher than that of the third prior art. It is a feature that can be lowered. However, the problem with this method is that the crystal size obtained is small enough to be less than 1 mm. This size is too small for practical use of the device, as in the case of the third prior art.
本発明は、工程を複雑化させることなく、安価に実用的な大きさのIII族窒化物結晶及び高性能なIII族窒化物半導体デバイスを提供し、反応容器の外部におけるアルカリ金属の凝縮を防止できるようにすることを目的とする。 The present invention provides group III nitride crystals and high-performance group III nitride semiconductor devices that are inexpensive and practical without complicating the process, and prevents alkali metal condensation outside the reaction vessel. The purpose is to be able to.
上記目的を達成するために、本発明は、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と前記反応容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるときに、前記反応容器の外部にある前記窒素原料が通過する領域に凝縮するアルカリ金属を再蒸発させることを特徴とする結晶製造方法である。 To achieve the above object, the present invention is, in a counter-reaction container unit, by using a nitrogen material introduced from the outside of the alkali metal and the melt mixture containing at least group III metal the counter-reaction container unit, group III when growing a nitride crystal, a crystal manufacturing method, wherein the nitrogen raw material before outside of Kihan reaction container unit causes re-evaporated alkali metal condenses region passes.
以上に説明したように、本発明によれば、工程を複雑化させることなく、安価に実用的な大きさのIII族窒化物結晶及び高性能なIII族窒化物半導体デバイスを提供し、反応容器の外部におけるアルカリ金属の凝縮を防止することが可能となる。 As described above, according to the present invention, a III-nitride crystal having a practical size and a high-performance III-nitride semiconductor device can be provided inexpensively without complicating the process, and a reaction vessel It is possible to prevent the condensation of alkali metal outside.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明は、第1の反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と第1の反応容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるときに、アルカリ金属蒸気を第1の反応容器内に閉じ込めることを特徴としている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention grows a group III nitride crystal in a first reaction vessel using a mixed melt containing an alkali metal and at least a group III metal and a nitrogen raw material introduced from the outside of the first reaction vessel. In this case, the alkali metal vapor is confined in the first reaction vessel.
本発明の結晶成長方法では、第1の反応容器内には、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液があり、この第1の反応容器は結晶成長が可能なように温度制御されている。窒素原料はこの第1の反応容器の外部より導入され、アルカリ金属とIII族金属と窒素原料が反応することで、III族窒化物が結晶成長する。なお、ここで、窒素原料とは、窒素分子,原子状窒素,あるいは窒素を含む化合物から生成された窒素分子や原子状窒素のことである。 In the crystal growth method of the present invention, in the first reaction vessel, there is a mixed melt containing an alkali metal and at least a group III metal, and the temperature of the first reaction vessel is controlled so that crystal growth is possible. Yes. The nitrogen raw material is introduced from the outside of the first reaction vessel, and the alkali metal, the group III metal, and the nitrogen raw material react to cause group III nitride crystal growth. Here, the nitrogen raw material refers to nitrogen molecules, atomic nitrogen, or nitrogen molecules or atomic nitrogen generated from nitrogen-containing compounds.
III族窒化物が結晶成長する温度領域では、アルカリ金属はある蒸気圧を有する。本発明では、このアルカリ金属蒸気が第1の反応容器内に閉じ込められ、第1の反応容器外に拡散することがないようにしている。 In the temperature region where the group III nitride crystal grows, the alkali metal has a certain vapor pressure. In the present invention, the alkali metal vapor is confined in the first reaction vessel so that it does not diffuse out of the first reaction vessel.
特に、本発明は、第1の反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と第1の反応容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるときに、窒素原料が第1の反応容器の外部から第1の反応容器内に通過する領域を、アルカリ金属蒸気が塞がないようにすることを特徴としている。 In particular, the present invention relates to a group III nitride crystal using a mixed melt containing an alkali metal and at least a group III metal in a first reaction vessel and a nitrogen raw material introduced from the outside of the first reaction vessel. Is characterized in that the alkali metal vapor does not block the region where the nitrogen source passes from the outside of the first reaction vessel into the first reaction vessel.
ここで、窒素原料が第1の反応容器の外部から第1の反応容器内に通過する領域を、アルカリ金属蒸気が塞がないようにするということは、その領域にアルカリ金属が凝縮しないことのみならず、その領域に凝縮したアルカリ金属(例えば機械的に)を取り除くことをも含んでいる。 Here, to prevent the alkali metal vapor from blocking the region where the nitrogen raw material passes from the outside of the first reaction vessel into the first reaction vessel, only that the alkali metal does not condense in that region. It also includes removing alkali metal (eg, mechanically) condensed in the region.
上記のようなアルカリ金属の凝集等を防止するため、本発明では、第1の反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と第1の反応容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるときに、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液の表面より上部の温度を、アルカリ金属蒸気が凝縮しない温度以上に制御することを特徴としている。すなわち、第1の反応容器内の混合融液表面より上部の温度が、混合融液表面を含む混合融液の温度以上となっていることもこれに含まれる。 In order to prevent the aggregation of the alkali metal as described above, the present invention introduces the mixed melt containing the alkali metal and at least a group III metal from the outside of the first reaction vessel in the first reaction vessel. When a group III nitride crystal is grown using a nitrogen source, the temperature above the surface of the mixed melt containing an alkali metal and at least a group III metal is controlled to a temperature that does not condense the alkali metal vapor. It is characterized by. That is, the temperature above the surface of the mixed melt in the first reaction vessel is equal to or higher than the temperature of the mixed melt including the surface of the mixed melt.
図1は本発明の結晶成長装置の第1の構成例を示す図である。図1の例では、第1の反応容器101内には、アルカリ金属としてのNaと、少なくともIII族金属元素を含む物質としての金属Gaとが収容され、それらはIII族窒化物結晶が成長する温度領域で混合融液102を形成している。
FIG. 1 is a diagram showing a first configuration example of the crystal growth apparatus of the present invention. In the example of FIG. 1, Na as an alkali metal and metal Ga as a substance containing at least a group III metal element are accommodated in the
ここで、第1の反応容器101は、ステンレス製であり、第1の反応容器101内の空間領域には、少なくとも窒素元素を含む物質として窒素ガス(N2)103が充填されている。この窒素ガス103は、窒素供給管104を通して、第1の反応容器101外から供給可能な状態となっており、窒素圧力を調整するために、図1の装置では、圧力調整機構105が設けられている。この圧力調整機構105は、例えば、圧力センサー及び圧力調整弁等により構成されており、この圧力調整機構105によって、第1の反応容器101内の窒素圧力は、例えば50気圧に制御されている。
Here, the
また、図1の結晶成長装置では、アルカリ金属NaとIII族金属Gaの混合融液102が保持されている第1の反応容器101の領域の外側には、この混合融液102内あるいは混合融液102表面で、III族窒化物が結晶成長可能な温度に制御できるように第1の加熱装置106が設けられている。
In the crystal growth apparatus of FIG. 1, the
さらに、図1の結晶成長装置では、混合融液102の表面より上部の温度を制御できるように、第2の加熱装置107が第1の加熱装置106の上部に設けられている。
Furthermore, in the crystal growth apparatus of FIG. 1, a
このような構成では、第1の加熱装置106によりIII族窒化物結晶が成長する温度(例えば750℃)に制御することで、アルカリ金属であるNaとIII族金属原料であるGaが混合融液102を形成する。ここで、アルカリ金属であるNaとIII族金属原料であるGaからなる混合融液102の表面よりも上部の温度が混合融液102の温度以上となるように、第2の加熱装置107により第1の反応容器101の上部の温度が制御されている。この状態で、混合融液102からIII族金属であるGaが供給され、成長温度に一定保持することで、III族窒化物としてのGaN結晶が混合融液中108及び混合融液表面109で結晶成長する。
In such a configuration, the
図1の結晶成長装置では、NaとGaの混合融液中108及び混合融液表面109で、窒素ガスとGaとが反応することで、あるいは、窒素ガスから供給された融液中の窒素成分とGaとが反応することで、継続的なGaN結晶が成長し、結晶サイズの大きなものを得ることが可能となる。
In the crystal growth apparatus of FIG. 1, nitrogen gas reacts with Ga in the
さらに、図1の結晶成長装置では、アルカリ金属であるNaとIII族金属原料であるGaからなる混合融液102の表面よりも上部の温度が混合融液102の温度以上となるように、第2の加熱装置107により第1の反応容器101の上部の温度が制御されていることで、第1の反応容器101の上部へのNaの凝縮が防止できる。すなわち、混合融液102上部の温度が混合融液102の温度以上であることから、第1の反応容器101の上部へのNaの凝縮が防止できる。この結果、窒素供給管104へのNaの凝縮を防止することが可能となる。すなわち、窒素供給管104へのNaの凝縮による窒素導入の阻害を防止することが可能となる。また、混合融液102のアルカリ金属NaとIII族金属Gaとの組成の変化が生じにくくなり、安定的な結晶成長が可能となる。ここで、アルカリ金属(アルカリ金属蒸気)Naは第1の反応容器101内に閉じ込められることとなる。
Further, in the crystal growth apparatus of FIG. 1, the temperature above the surface of the
換言すれば、混合融液102の表面よりも上部の温度が混合融液102の温度よりも低い場合には、第1の反応容器101の内壁や窒素供給管104へのNaの凝縮が生じてしまう。この結果、混合融液102中のアルカリ金属NaとIII族金属Gaとの組成が変化したり、窒素供給管104をNaが塞いでしまい、窒素の供給が困難な状態になる。本発明では、混合融液102の表面よりも上部の温度が混合融液102の温度以上となるように、第2の加熱装置107により第1の反応容器101の上部の温度が制御されていることで、このような状況を回避することが可能となる。
In other words, when the temperature above the surface of the
また、図1の結晶成長装置において、さらに、窒素原料が第1の反応容器101の外部から第1の反応容器101内に通過する領域を、温度制御するようにすることもできる。
Further, in the crystal growth apparatus of FIG. 1, the temperature of the region where the nitrogen source passes from the outside of the
図2は本発明の結晶成長装置の第2の構成例を示す図であり、図2の結晶成長装置では、図1の結晶成長装置において、さらに、窒素原料が第1の反応容器101の外部から第1の反応容器101内に通過する領域を、温度制御するように構成されている。
FIG. 2 is a diagram showing a second configuration example of the crystal growth apparatus of the present invention. In the crystal growth apparatus of FIG. 2, in the crystal growth apparatus of FIG. To the temperature of the region passing through the
すなわち、図2の結晶成長装置では、窒素原料が第1の反応容器101の外部から第1の反応容器101内に通過する領域(すなわち窒素供給管104)を温度制御するために、窒素供給管104の外側に第3の加熱装置110が設けられている。
That is, in the crystal growth apparatus of FIG. 2, a nitrogen supply pipe is used to control the temperature of the region (that is, the nitrogen supply pipe 104) through which the nitrogen source passes from the outside of the
図2の結晶成長装置では、第3の加熱装置110によって窒素供給管104の温度制御が可能となる。すなわち、第3の加熱装置110によって窒素供給管104を加熱することで、図1の結晶成長装置よりもさらに効果的に、アルカリ金属が窒素供給管104に凝縮することを防止することができる。その結果、窒素を反応容器101内により一層スムーズに導入することが可能となり、安定的な結晶成長が可能となる。
In the crystal growth apparatus of FIG. 2, the temperature of the
このように、図2の結晶成長装置では、窒素原料が第1の反応容器101の外部から第1の反応容器101内に通過する領域(窒素供給管104)を加熱することで、アルカリ金属のその領域(窒素供給管104)への凝縮を防止している。前述したように、窒素原料が通過する領域(窒素供給管104)へのアルカリ金属の凝縮を防ぐ以外に、この領域(窒素供給管104)に吸着したアルカリ金属を(例えば機械的に)取り除くこともできるが、装置上の構造等を考慮すると、図2の結晶成長装置のような構造の方が簡便に本来の機能を満足する。また、図2の結晶成長装置のように窒素原料が通過する領域(窒素供給管104)の温度を制御可能となっていることで、もしアルカリ金属がその領域(窒素供給管104)に凝縮した場合でも、この領域(窒素供給管104)を加熱することで、凝集したアルカリ金属を再蒸発させることが可能となる。
As described above, in the crystal growth apparatus of FIG. 2, by heating the region (nitrogen supply pipe 104) through which the nitrogen raw material passes from the outside of the
図1,図2の結晶成長装置の構成例の他にも、アルカリ金属蒸気を第1の反応容器内に閉じ込める機能を実現することが可能である。例えば、第1の反応容器の外側に第2の反応容器を設け、第2の反応容器の外側から窒素原料を導入し、第1の反応容器は、第2の反応容器からの窒素原料を透過しつつ、アルカリ金属蒸気を閉じ込める構造とすることもできる。 In addition to the configuration example of the crystal growth apparatus of FIGS. 1 and 2, it is possible to realize a function of confining alkali metal vapor in the first reaction vessel. For example, a second reaction vessel is provided outside the first reaction vessel, a nitrogen material is introduced from the outside of the second reaction vessel, and the first reaction vessel permeates the nitrogen material from the second reaction vessel. However, a structure in which alkali metal vapor is confined can also be employed.
このような構成では、窒素原料は第2の反応容器の外部より第2の反応容器内に導入される。第1の反応容器の内部にはアルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液があり、窒素原料は第2の反応容器を透過して第1の反応容器内に導入され、第1の反応容器内においてアルカリ金属とIII族金属と窒素原料が反応することで、III族窒化物が結晶成長する。III族窒化物が結晶成長する温度領域では、アルカリ金属はある蒸気圧を有し、そのアルカリ金属蒸気は第1の反応容器内に閉じ込められる。 In such a configuration, the nitrogen raw material is introduced into the second reaction vessel from the outside of the second reaction vessel. There is a mixed melt containing an alkali metal and at least a group III metal inside the first reaction vessel, and the nitrogen raw material is introduced into the first reaction vessel through the second reaction vessel. The alkali metal, the group III metal, and the nitrogen raw material react in the container, so that the group III nitride crystal grows. In the temperature region where the group III nitride crystal grows, the alkali metal has a certain vapor pressure, and the alkali metal vapor is confined in the first reaction vessel.
図3は本発明の結晶成長装置の第3の構成例を示す図であり、図3の結晶成長装置では、第1の反応容器101の外側に第2の反応容器111を設け、第2の反応容器111の外側から窒素原料を導入し、第1の反応容器101は、第2の反応容器111からの窒素原料を透過しつつ、アルカリ金属蒸気を閉じ込める構造となっている。
FIG. 3 is a diagram showing a third configuration example of the crystal growth apparatus of the present invention. In the crystal growth apparatus of FIG. 3, a
すなわち、図3の結晶成長装置では、第1の反応容器101の外側に第2の反応容器111がある。そして、第1の反応容器101の上部には蓋112がある。ここで、第1の反応容器101の材質はBN(窒化硼素)であり、第2の反応容器111はステンレス製である。
That is, in the crystal growth apparatus of FIG. 3, the
第1の反応容器101内には、アルカリ金属としてのNaと、少なくともIII族金属元素を含む物質としての金属Gaが収容されており、それらはIII族窒化物結晶が成長する温度領域で混合融液102を形成している。そして、少なくとも窒素元素を含む物質として窒素ガス(N2)が、第1の反応容器101内の空間領域103と、第2の反応容器111内の空間領域113に充填されている。この窒素ガスは、窒素供給管104を通して、第2の反応容器111の外部から第2の反応容器111内に供給可能となっている。さらに、第1の反応容器101の蓋112には、窒素ガスが透過できる程度の微細な隙間があり、その隙間を透過して窒素ガスが第2の反応容器111から第1の反応容器101内に供給可能となっている。
The
なお、窒素圧力を調整するために、図3の装置では、圧力調整機構105が設けられている。この圧力調整機構105は、例えば、圧力センサー及び圧力調整弁等により構成されており、この圧力調整機構105によって、第2の反応容器111,第1の反応容器101内の窒素圧力は、例えば50気圧に制御されている。
In order to adjust the nitrogen pressure, the apparatus of FIG. 3 is provided with a
また、図3の結晶成長装置では、第2の反応容器111の外側には、第1の反応容器101内の混合融液102内あるいは混合融液102表面で、III族窒化物が結晶成長可能な温度に制御できるように加熱装置116が設けられている。
In the crystal growth apparatus of FIG. 3, group III nitride can be grown on the outside of the
このような構成では、加熱装置116により、III族窒化物結晶が成長する温度(例えば750℃)に制御することで、アルカリ金属であるNaとIII族金属原料であるGaとの混合融液102が形成される。この状態で、混合融液102からIII族金属であるGaが供給され、成長温度に一定保持することで、III族窒化物としてのGaN結晶が混合融液中108及び混合融液表面109で結晶成長する。
In such a configuration, the
図3の結晶成長装置では、NaとGaの混合融液中108及び混合融液表面109で、窒素ガスとGaとが反応することで、あるいは、窒素ガスから供給された融液中の窒素成分とGaとが反応することで、継続的なGaN結晶が成長し、結晶サイズの大きなものを得ることが可能となる。
In the crystal growth apparatus of FIG. 3, nitrogen gas reacts with Ga in the mixed melt of Na and Ga and the
ところで、図3の結晶成長装置では、第1の反応容器101とその蓋112があることで、第1の反応容器101内のアルカリ金属を第1の反応容器101内に大部分閉じ込めることが可能となる。これにより、アルカリ金属とIII族金属の組成の変動が抑制され、制御性良くIII族窒化物結晶を成長することが可能となる。この時、アルカリ金属の窒素供給管104への凝縮も抑制できる。
By the way, in the crystal growth apparatus of FIG. 3, the
また、図1の結晶成長装置において説明したように、アルカリ金属であるNaとIII族金属原料であるGaからなる混合融液102の表面より上部の温度が混合融液102の温度以上となるように第1の反応容器101内の温度を制御する場合には、より確実にアルカリ金属の混合融液102以外への凝縮等による拡散を防止することが可能となる。
Further, as described in the crystal growth apparatus of FIG. 1, the temperature above the surface of the
また、図1,図2,図3の結晶成長装置において、窒素原料を第1の反応容器101、あるいは、第2の反応容器111の水平方向から、もしくは、水平方向よりも下側方向から、反応容器101または111内に導入することもできる。
Moreover, in the crystal growth apparatus of FIG.1, FIG.2, FIG.3, a nitrogen raw material is used from the horizontal direction of the
図4は本発明の結晶成長装置の第4の構成例を示す図であり、図4の結晶成長装置では、窒素供給管104が第2の反応容器111の下側に接続されている。そのため、窒素原料である窒素ガスは、第2の反応容器111の下側から供給される。本願の発明者は、蒸気となったアルカリ金属は反応容器内の上部により多く凝縮することを実験的に確認しており、図4の結晶成長装置のように下側から窒素ガスを導入することで、窒素供給管104へのアルカリ金属の凝縮をより確実に防止することができる。その結果、窒素ガスの導入をより確実に行うことが可能となり、結晶成長の制御性(窒素圧力の制御)を高めることができる。
FIG. 4 is a diagram showing a fourth configuration example of the crystal growth apparatus of the present invention. In the crystal growth apparatus of FIG. 4, a
なお、図4の例では、窒素ガスを第2の反応容器111の下側から導入したが、窒素ガスの導入方向は、第2の反応容器111に対し水平方向よりも下側方向であれば上述の効果を得ることができる。
In the example of FIG. 4, nitrogen gas is introduced from the lower side of the
また、図4の結晶成長装置は、図3の結晶成長装置の構成に適用したものとなっているが、図1あるいは図2の結晶成長装置の構成に適用することもできる。すなわち、この場合、窒素原料を第1の反応容器101、あるいは、第2の反応容器111の水平方向から、もしくは、水平方向よりも下側方向から、反応容器101または111内に導入することで、図4の結晶成長装置において得られたと同様の効果を得ることができる。
4 is applied to the configuration of the crystal growth apparatus of FIG. 3, it can also be applied to the configuration of the crystal growth apparatus of FIG. 1 or FIG. That is, in this case, the nitrogen raw material is introduced into the
なお、上述の例では、低融点かつ高蒸気圧の金属(アルカリ金属)としてNaを用いているが、Naのかわりに、カリウム(K)等を用いることもできる。すなわち、アルカリ金属としては、III族窒化物結晶を成長させる温度において、融液となるものであれば、任意のアルカリ金属を用いることができる。 In the above example, Na is used as a low melting point and high vapor pressure metal (alkali metal), but potassium (K) or the like may be used instead of Na. That is, as the alkali metal, any alkali metal can be used as long as it becomes a melt at the temperature at which the group III nitride crystal is grown.
また、上述の例では、少なくともIII族金属元素を含む物質として、Gaを用いているが、Ga以外にも、AlやIn等の単体の金属、あるいは、それらの混合物、合金等を用いることもできる。 In the above example, Ga is used as a substance containing at least a group III metal element. However, in addition to Ga, a simple metal such as Al or In, or a mixture or alloy thereof may be used. it can.
また、上述の例では、少なくとも窒素元素を含む物質として窒素ガスを用いているが、窒素ガス以外にも、NH3等のガスを用いることもできる。 In the above example, nitrogen gas is used as the substance containing at least nitrogen element. However, other than nitrogen gas, a gas such as NH 3 can also be used.
また、上述の例では、第1の反応容器101をステンレス製のものとしているが、第1の反応容器101としては、外部と雰囲気を遮断し、III族窒化物結晶を成長させることが可能な温度,圧力に耐えうるもので、かつアルカリ金属と反応せずにIII族窒化物が結晶成長する際に不純物として溶出するようなものでなければ、任意の材料からなるものを用いることができる。
In the above example, the
上述した各結晶成長装置(すなわち、図1,図2,図3,あるいは図4に示したような結晶成長装置)を用いて、III族窒化物結晶を結晶成長させることで、結晶品質が高く、デバイスを作製することが可能な程度に大きいIII族窒化物結晶を、低コストで提供することができる。 By using the above-mentioned crystal growth apparatuses (that is, the crystal growth apparatuses as shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, or FIG. 4), a group III nitride crystal is grown, so that the crystal quality is high. A group III nitride crystal large enough to produce a device can be provided at low cost.
本発明によるIII族窒化物結晶の成長方法の一例としては、III族金属としてGa、窒素原料として窒素ガス、フラックスとしてNaを用い、反応容器及びフラックス容器の温度を750℃とし、窒素圧力を50kg/cm2Gに一定にする。このような条件下で、GaN結晶が成長可能である。 As an example of a method for growing a group III nitride crystal according to the present invention, Ga is used as a group III metal, nitrogen gas is used as a nitrogen raw material, Na is used as a flux, the temperature of the reaction vessel and the flux vessel is 750 ° C., and the nitrogen pressure is 50 kg. / Cm 2 G to be constant. Under such conditions, GaN crystals can be grown.
また、本発明の成長方法により成長させたIII族窒化物結晶を用いて、III族窒化物半導体デバイスを作製することができる。 In addition, a group III nitride semiconductor device can be manufactured using a group III nitride crystal grown by the growth method of the present invention.
図5は本発明に係る半導体デバイスの構成例を示す図である。なお、図5の例では、半導体デバイスは半導体レーザとして構成されている。図5を参照すると、この半導体デバイスは、上述したような仕方で結晶成長させたIII族窒化物結晶を用いたn型GaN基板301上に、n型AlGaNクラッド層302、n型GaNガイド層303、InGaNMQW(多重量子井戸)活性層304、p型GaNガイド層305、p型AlGaNクラッド層306、p型GaNコンタクト層307が順次に結晶成長されている。この結晶成長方法としては、MO−VPE(有機金属気相成長)法やMBE(分子線エピタキシー)法等の薄膜結晶成長方法を用いることができる。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor device according to the present invention. In the example of FIG. 5, the semiconductor device is configured as a semiconductor laser. Referring to FIG. 5, in this semiconductor device, an n-type
次いで、GaN,AlGaN,InGaNの積層膜にリッジ構造を形成し、SiO2絶縁膜308をコンタクト領域のみ穴開けした状態で形成し、上部及び下部に各々p側オーミック電極Al/Ni309及びn側オーミック電極Al/Ti310を形成して、図5の半導体デバイス(半導体レーザ)が構成される。
Next, a ridge structure is formed in the laminated film of GaN, AlGaN, and InGaN, and the SiO 2 insulating film 308 is formed in a state where only the contact region is drilled, and the p-side ohmic electrode Al /
この半導体レーザのp側オーミック電極Al/Ni309及びn側オーミック電極Al/Ti310から電流を注入することで、この半導体レーザは発振し、図5の矢印Aの方向にレーザ光を出射させることができる。
By injecting current from the p-side ohmic electrode Al /
この半導体レーザは、本発明のIII族窒化物結晶(GaN結晶)を基板301として用いているため、半導体レーザデバイス中の結晶欠陥が少なく、大出力動作且つ長寿命のものとなっている。また、GaN基板301はn型であることから、基板301に直接電極310を形成することができ、第1の従来技術(図6)のようにp側とn側の2つの電極を表面からのみ取り出す必要がなく、低コスト化を図ることが可能となる。
Since this group III nitride crystal (GaN crystal) of the present invention is used as the
さらに、図5の半導体デバイスでは、光出射端面を劈開で形成することが可能となり、チップの分離と併せて、低コストで高品質なデバイスを実現することができる。 Furthermore, in the semiconductor device of FIG. 5, the light emitting end face can be formed by cleavage, and in combination with chip separation, a high-quality device can be realized at low cost.
101 第1の反応容器
102 混合融液
103 窒素ガス
104 窒素供給管
105 圧力調整機構
106 第1の加熱装置
107 第2の加熱装置
108 混合融液中
109 混合融液表面
110 第3の加熱装置
111 第2の反応容器
112 蓋
116 加熱装置
301 n型GaN基板
302 n型AlGaNクラッド層
303 n型GaNガイド層
304 InGaN MQW(多重量子井戸)活性層
305 p型GaNガイド層
306 p型AlGaNクラッド層
307 p型GaNコンタクト層
308 SiO2絶縁膜
309 p側オーミック電極Al/Ni
310 n側オーミック電極Al/Ti
101
310 n-side ohmic electrode Al / Ti
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