JP6307818B2 - Method for producing group 13 nitride crystal - Google Patents

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Description

本発明は、13族窒化物結晶を製造するための技術に関する。   The present invention relates to a technique for producing a group 13 nitride crystal.

現在、紫外、紫〜青緑色レーザーダイオードに用いられているInAlGaN系(13族窒化物)半導体はc面にGaN基板を用いて製造されている。GaNの自立基板は、ELO、advance−DEEP法、VAS法等の転位密度を低減する成長方法を駆使することにより、サファイア基板又はGaAs基板等の異種基板上にHVPE法でGaNを厚く成長させた後、当該異種基板からGaN厚膜を分離する方法で製造されている。このようにして製造されるGaN基板は転移密度が10cm−2程度まで低減されており、大きさが2インチのもの等が実用化されている。 Currently, InAlGaN-based (group 13 nitride) semiconductors used for ultraviolet, violet to blue-green laser diodes are manufactured using a GaN substrate on the c-plane. The GaN free-standing substrate was grown thickly on the dissimilar substrate such as sapphire substrate or GaAs substrate by HVPE method by making full use of the growth method that reduces dislocation density such as ELO, advance-DEEP method, VAS method, etc. Thereafter, it is manufactured by a method of separating the GaN thick film from the heterogeneous substrate. The GaN substrate manufactured in this way has a transition density reduced to about 10 6 cm −2, and a substrate having a size of 2 inches has been put into practical use.

一方、液相成長によるGaN基板を実現する手法の一つとして、金属ナトリウムと金属ガリウムを含む混合融液中に窒素を溶解してGaNを結晶成長させるフラックス法が研究開発されている。フラックス法は、700〜900℃と比較的低温で且つ3〜8MPaと比較的低い容器内圧力で結晶成長を可能とするものであり、比較的容易に工業化可能な結晶成長方法である。また、研究開発段階ではあるが、フラックス法を用いてφ2インチのテンプレート基板に液層エピタキシャル成長させることによりGaNの自立基板を製造する方法が実現されている。   On the other hand, as one method for realizing a GaN substrate by liquid phase growth, a flux method in which nitrogen is dissolved in a mixed melt containing metallic sodium and metallic gallium to grow GaN crystals has been researched and developed. The flux method enables crystal growth at a relatively low temperature of 700 to 900 ° C. and a relatively low internal pressure of 3 to 8 MPa, and is a crystal growth method that can be industrialized relatively easily. Although in the research and development stage, a method of manufacturing a GaN free-standing substrate by liquid-phase epitaxial growth on a φ2 inch template substrate using a flux method has been realized.

特許文献1には、テンプレート基板上に結晶成長を行う際に、転位とインクルージョンを抑制するために融液の攪拌条件を変えて成長させる方法が開示されている。この方法では、先ず成長面が凹凸となるように設定された第1の攪拌条件を採用して結晶を成長させ、次に成長面が平滑となるように設定された第2の攪拌条件を採用して結晶を成長させる。   Patent Document 1 discloses a method of growing by changing the stirring condition of the melt in order to suppress dislocation and inclusion when crystal growth is performed on a template substrate. In this method, first, the first stirring condition set so that the growth surface is uneven is adopted to grow the crystal, and then the second stirring condition is set so that the growth surface becomes smooth. To grow crystals.

特許文献2には、転位密度が小さく且つ表面の平坦性が高い13族窒化物基板を製造することが可能な製造方法を提供する目的で、(i)13族窒化物半導体層を準備する工程と、(ii)前記半導体層の上部にパターニングされたマスク膜を形成する工程と、(iii)前記マスク膜から露出する複数の前記半導体層を種結晶として前記半導体層上にフラックス法で13族窒化物結晶を成長させる工程を含む13族窒化物基板の製造方法が開示されている。   In Patent Document 2, for the purpose of providing a manufacturing method capable of manufacturing a group 13 nitride substrate having a low dislocation density and high surface flatness, (i) a step of preparing a group 13 nitride semiconductor layer (Ii) forming a patterned mask film on the semiconductor layer; and (iii) using a plurality of semiconductor layers exposed from the mask film as seed crystals on the semiconductor layer by a flux method. A method for manufacturing a group 13 nitride substrate including a step of growing a nitride crystal is disclosed.

特許文献3には、c面基板上にGaNをc面成長させる方法では成長速度が遅いため、厚いc面のGaN基板を得るのが難しいことを解決する方法として、種結晶のa面に結晶成長する方法が開示されている。この方法では、13族窒化物半導体のa面が長手方向をm軸方向とする帯状に形成されており、種結晶のa面に13族窒化物半導体結晶をa軸方向に板状に成長させることで、13族窒化物半導体のc面基板を製造している。   In Patent Document 3, as a method for solving the problem that it is difficult to obtain a thick c-plane GaN substrate because the growth rate is slow in the method of growing GaN on the c-plane on the c-plane, a crystal is formed on the a-plane of the seed crystal. A method of growing is disclosed. In this method, the a-plane of the group 13 nitride semiconductor is formed in a band shape whose longitudinal direction is the m-axis direction, and the group 13 nitride semiconductor crystal is grown in a plate shape in the a-axis direction on the a-plane of the seed crystal. Thus, a c-plane substrate of a group 13 nitride semiconductor is manufactured.

現在、実用化されているφ2インチ以上のGaN自立基板はHVPE法で製造されたc面基板である。c面基板を用いて紫外、紫〜青緑色レーザーダイオードが実用化されている。   A GaN free-standing substrate having a diameter of 2 inches or more that is currently in practical use is a c-plane substrate manufactured by the HVPE method. Ultraviolet, violet to blue-green laser diodes have been put into practical use using c-plane substrates.

しかしながら、活性層のInGaN量子井戸のIn組成が大きくなるにつれてGaNとの格子定数差が大きくなることによって歪が増大すると、c面は極性面であるため、ピエゾ電界がかかり発光効率が大きく低下する。すなわち、青色から緑色へ長波長になるにつれて発光効率が低下し、純緑色でのレーザー発振が難しくなる。また、強電流注入においては、発光波長が短くなる、いわゆるブルーシフトが生じ、これも緑色領域でのレーザー発振を阻害している。   However, as the In composition of the InGaN quantum well of the active layer increases, the difference in lattice constant from GaN increases and the strain increases. Therefore, the c-plane is a polar plane, so a piezo electric field is applied and the luminous efficiency is greatly reduced. . That is, the emission efficiency decreases as the wavelength increases from blue to green, and laser oscillation in pure green becomes difficult. In addition, in the strong current injection, a so-called blue shift occurs in which the emission wavelength is shortened, which also inhibits laser oscillation in the green region.

上記問題を解決するため、c面以外の半極性又は無極性基板を用いた純緑色レーザーの開発が行われている。最近では、半極性{20−21}面基板上に作製された純緑色レーザーが報告されている。然るに、HVPE法で半極性{20−21}面基板を製造するには、c軸方向に厚く結晶成長する必要があるため、大きな基板を製造することは困難である。   In order to solve the above problem, a pure green laser using a semipolar or nonpolar substrate other than the c-plane has been developed. Recently, a pure green laser fabricated on a semipolar {20-21} plane substrate has been reported. However, in order to manufacture a semipolar {20-21} plane substrate by the HVPE method, it is necessary to grow a thick crystal in the c-axis direction, and thus it is difficult to manufacture a large substrate.

また、基板の欠陥も>10cm−2程度である。フラックス法においては、c面に液層エピタキシャル成長させ、c軸方向に結晶を成長させることによりバルクを作製する試みがなされている。しかしながら、c軸方向に結晶成長させる場合、結晶成長時に結晶内に金属ナトリウム、金属ガリウム、又はナトリウムとガリウムの混合物等の融液成分がインクルージョンとして入りやすいため、撹拌等の手段を用いて融液の精密制御が必要になる。 Moreover, the defect of a board | substrate is also about> 10 < 5 > cm <-2 >. In the flux method, an attempt is made to produce a bulk by growing a liquid layer epitaxially on the c-plane and growing a crystal in the c-axis direction. However, when the crystal is grown in the c-axis direction, melt components such as metal sodium, metal gallium, or a mixture of sodium and gallium are easily included in the crystal during crystal growth. It is necessary to control precisely.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、フラックス法を用いてインクルージョンが抑制された半極性又は無極性基板を製造できるようにすることを目的とする。   This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at enabling it to manufacture the semipolar or nonpolar board | substrate with which inclusion was suppressed using the flux method.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、13族窒化物がc軸配向して成長する結晶面を主面とする独立した種結晶であって、前記種結晶及び前記主面は、前記成長する13族窒化物のa軸方向をと長手方向とする形状である種結晶を準備する第1の工程と、前記種結晶をアルカリ金属と13族金属とを含む混合融液中に設置し、前記混合融液に窒素を溶解させることにより、前記主面に対してc軸方向への結晶成長を開始させる第2の工程と、前記結晶成長に影響を与える結晶成長条件を調整することにより、13族窒化物結晶の主成長面が{10−11}面と平行になるように前記結晶成長を継続させる第3の工程と、前記13族窒化物結晶を前記{10−11}面と平行にスライスする第4の工程と、を含み、前記第3の工程で成長した前記13族窒化物結晶は、6つの{10−11}面と、c面の窒素極性面からなり前記6つの{10−11}面と接する六角形状の底面と、を有し、前記6つの{10−11}面のうち対向する2つの面及び前記底面が、a軸方向に長い形状である13族窒化物結晶の製造方法である。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides an independent seed crystal having a crystal plane on which a group 13 nitride grows by c-axis orientation, the seed crystal and the seed crystal The main surface is a first step of preparing a seed crystal having a shape in which the a-axis direction of the growing group 13 nitride is a longitudinal direction, and the seed crystal is mixed and mixed with an alkali metal and a group 13 metal. A second step of starting crystal growth in the c-axis direction with respect to the principal surface by dissolving nitrogen in the mixed melt, and a crystal growth condition that affects the crystal growth By adjusting the third growth step so that the main growth surface of the group 13 nitride crystal is parallel to the {10-11} plane, and the group 13 nitride crystal is converted to the {10 -11} includes a fourth step of plane parallel slices, the said first The group 13 nitride crystal grown in this step has six {10-11} planes and a hexagonal bottom surface that is composed of a c-plane nitrogen polar plane and is in contact with the six {10-11} planes. In addition, in the manufacturing method of a group 13 nitride crystal, two of the six {10-11} planes facing each other and the bottom face are long in the a-axis direction.

本発明によれば、フラックス法を用いてインクルージョンが抑制された半極性又は無極性基板を製造することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to manufacture a semipolar or nonpolar substrate in which inclusion is suppressed using a flux method.

図1は、本発明の実施の形態1に係る13族窒化物結晶の製造方法の全体的な流れを示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing an overall flow of a method for producing a group 13 nitride crystal according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、実施の形態1及び実施例1に係る種結晶の上面図である。FIG. 2 is a top view of the seed crystal according to Embodiment 1 and Example 1. FIG. 図3は、図2のIII−III断面図である。3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 図4は、実施の形態1に係る13族窒化物結晶の製造方法を実行するための製造装置を例示する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a production apparatus for executing the method for producing a group 13 nitride crystal according to the first embodiment. 図5は、実施例1における結晶成長の過程を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a crystal growth process in the first embodiment. 図6は、実施例1における結晶成長により得られたGaN結晶の形状を例示する図である。6 is a diagram illustrating the shape of a GaN crystal obtained by crystal growth in Example 1. FIG. 図7は、図6の下面図である。FIG. 7 is a bottom view of FIG. 図8は、図7のVIII−VIII断面図である。8 is a cross-sectional view taken along the line VIII-VIII in FIG. 図9は、実施例2に係る結晶成長の過程を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a crystal growth process according to the second embodiment. 図10は、実施例2に係る種結晶の上面図である。FIG. 10 is a top view of the seed crystal according to the second embodiment. 図11は、図10のXI−XI断面図である。11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG. 図12は、実施例2における結晶成長により得られたGaN結晶の形状を例示する図である。12 is a diagram illustrating the shape of a GaN crystal obtained by crystal growth in Example 2. FIG. 図13は、図12の下面図である。FIG. 13 is a bottom view of FIG. 図14は、図13のXIII−XIII断面図である。14 is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. 図15は、実施例4におけるGaN基板の製造過程で用いられる種結晶の長手方向に垂直な断面を示す図である。FIG. 15 is a view showing a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the seed crystal used in the manufacturing process of the GaN substrate in Example 4. 図16は、実施例4におけるGaN基板の製造過程で製造される結晶を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing crystals manufactured in the manufacturing process of the GaN substrate in Example 4. 図17は、図16に示す結晶を更に成形して得られる結晶を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing a crystal obtained by further shaping the crystal shown in FIG. 図18は、実施例4において製造されるGaN基板を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing a GaN substrate manufactured in Example 4. 図19は、実施例5におけるGaN基板の製造過程で用いられる種結晶の長手方向に垂直な断面を示す図である。FIG. 19 is a view showing a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the seed crystal used in the manufacturing process of the GaN substrate in Example 5. 図20は、実施例5におけるGaN基板の製造過程で製造される結晶を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing crystals manufactured in the manufacturing process of the GaN substrate in Example 5. 図21は、図20に示す結晶を更に成形して得られる結晶を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing a crystal obtained by further shaping the crystal shown in FIG. 図22は、実施例5において製造されるGaN基板を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing a GaN substrate manufactured in Example 5. 図23は、実施例6におけるGaN基板の製造過程で用いられる種結晶の長手方向に垂直な断面を示す図である。FIG. 23 is a view showing a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the seed crystal used in the manufacturing process of the GaN substrate in Example 6. 図24は、実施例6におけるGaN基板の製造過程で製造される結晶を示す図である。FIG. 24 is a diagram showing crystals manufactured in the manufacturing process of the GaN substrate in Example 6. 図25は、図24に示す結晶を更に成形して得られる結晶を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing a crystal obtained by further shaping the crystal shown in FIG. 図26は、実施例6において製造されるGaN基板を示す図である。FIG. 26 is a view showing a GaN substrate manufactured in Example 6. FIG.

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る13族窒化物結晶の製造方法(以下、本製造方法と略記する)の全体的な流れを示している。本製造方法は、フラックス法により13族窒化物結晶を製造する方法である。本実施の形態においては、13族窒化物結晶として窒化ガリウム(GaN)の単結晶を製造する場合について説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an overall flow of a method for producing a group 13 nitride crystal according to the first embodiment (hereinafter abbreviated as the present production method). This production method is a method for producing a group 13 nitride crystal by a flux method. In the present embodiment, a case where a single crystal of gallium nitride (GaN) is manufactured as a group 13 nitride crystal will be described.

本製造方法は、種結晶準備工程(第1の工程)S1、結晶成長開始工程(第2の工程)S2、及び結晶成長継続工程8(第3の工程)S3を含む。   This manufacturing method includes a seed crystal preparation step (first step) S1, a crystal growth start step (second step) S2, and a crystal growth continuation step 8 (third step) S3.

種結晶準備工程S1は、GaN結晶の結晶成長の核となる種結晶を準備する工程である。図2は、種結晶10の上面図であり、図3は、図2におけるIII−III断面図である。種結晶10は短冊状(直方体)の形状を有し、サファイア基板11と主面12とから構成される。主面12はサファイア基板11の上面に形成され、GaN結晶で構成される。主面12は窒化ガリウムの結晶成長の主な起点となる面である。主面12の上面視長手方向と平行な軸をa軸、短手方向と平行な軸をm軸、主面12に対して垂直な軸をc軸とする。   The seed crystal preparation step S1 is a step of preparing a seed crystal that becomes the nucleus of crystal growth of the GaN crystal. FIG. 2 is a top view of the seed crystal 10, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. The seed crystal 10 has a strip shape (a rectangular parallelepiped shape) and includes a sapphire substrate 11 and a main surface 12. The main surface 12 is formed on the upper surface of the sapphire substrate 11 and is composed of a GaN crystal. The main surface 12 is a surface serving as a main starting point for crystal growth of gallium nitride. An axis parallel to the longitudinal direction of the major surface 12 is defined as an a axis, an axis parallel to the lateral direction is defined as an m axis, and an axis perpendicular to the major surface 12 is defined as a c axis.

種結晶10としては、13族窒化物がc軸配向して成長する結晶面を主面12とし、当該成長する13族窒化物のa軸と長手方向が略平行である短冊状の単結晶からなる種結晶を準備する。短冊状の種結晶10は、その主面12が13族窒化物がc軸配向して成長し単結晶になる結晶面であれば、その材質は特に限定されるものではない。また、種結晶10は全体が同一材質の単結晶であっても、下地基板上に13族窒化物がc軸配向して成長する結晶を積層した構造のようなものであっても良く、その構造は特に限定されるものではない。   The seed crystal 10 is a strip-shaped single crystal whose main surface 12 is a crystal plane on which group 13 nitride grows with c-axis orientation and whose longitudinal direction is substantially parallel to the a-axis of the growing group 13 nitride. Prepare a seed crystal. The material of the strip-shaped seed crystal 10 is not particularly limited as long as the main surface 12 is a crystal surface in which a group 13 nitride grows by c-axis orientation and becomes a single crystal. The seed crystal 10 may be a single crystal of the same material as a whole, or a structure in which a crystal in which a group 13 nitride is grown with c-axis orientation is stacked on a base substrate. The structure is not particularly limited.

また、短冊状の種結晶の形成方法は、特に限定するものではなく、適宜選択することができる。例えば、異種基板の主面に13族窒化物結晶がエピタキシャル成長されているいわゆるテンプレート基板から短冊状に切り出した結晶を種結晶10として利用することができる。テンプレート基板の下地となる異種基板の材質は特に限定されるものではなく、例えば、サファイア,SiC,ZnO,MgAl2O4 等の単結晶基板が使用可能である。   Moreover, the formation method of a strip-shaped seed crystal is not specifically limited, It can select suitably. For example, a crystal cut into a strip shape from a so-called template substrate in which a group 13 nitride crystal is epitaxially grown on the main surface of a different substrate can be used as the seed crystal 10. The material of the dissimilar substrate serving as the base of the template substrate is not particularly limited, and for example, a single crystal substrate such as sapphire, SiC, ZnO, MgAl 2 O 4 can be used.

種結晶10に結晶成長させる13族窒化物単結晶と種結晶10との熱膨張係数差を考慮するならば、下地の異種基板が取り除かれた13族窒化物単結晶の自立基板から短冊状に切り出した結晶を種結晶として利用することが好適である。さらに、テンプレート基板や自立基板上にNa Flux法でLPEして製造された13族窒化物結晶から短冊状に切り出した結晶を種結晶10として利用することが好適である。さらには、本実施の形態の結晶成長と同じ方法(例えばアルカリ金属にNaを使用したNa Flux法)で結晶成長されたバルク結晶を短冊状に加工して作製された結晶を種結晶10として利用することが好適である。   Considering the difference in thermal expansion coefficient between the group 13 nitride single crystal grown on the seed crystal 10 and the seed crystal 10, the group 13 nitride single crystal free-standing substrate from which the underlying heterogeneous substrate is removed is strip-shaped. It is preferable to use the cut-out crystal as a seed crystal. Furthermore, it is preferable to use, as the seed crystal 10, a crystal cut into a strip shape from a group 13 nitride crystal manufactured by LPE using a Na Flux method on a template substrate or a self-supporting substrate. Furthermore, a crystal produced by processing a bulk crystal grown by the same method as the crystal growth of the present embodiment (for example, Na Flux method using Na as an alkali metal) into a strip shape is used as a seed crystal 10. It is preferable to do.

種結晶10の長手方向は、成長する13族窒化物単結晶のa軸と平行、あるいは概ね平行とする。短手方向は、m軸と平行、あるいは概ね平行になる。短冊状結晶の長手方向の長さは特に限定するものではない。長手方向の長さが長いほど短時間で大きな結晶を製造することができるので所望の長さを適宜選択できる。短冊状結晶の幅(短手方向の長さ)Dは、適宜選択できるが、短冊状結晶の幅Dが大きくなると13族窒化物単結晶のc面が形成されやすくなり、c面の成長に原料が使われるため成長速度が遅くなる。またc面は凹凸が形成されやすいのでインクルージョンが入りやすくなる。そのため、短冊状結晶の幅Dは、必要以上に大きくしないことが望まれる。好適には5mm以下、さらに好適には2mm以下、さらに好適には1mm以下にすることが良い。最小の幅Dは、種結晶の取り扱いのしやすさと保持の方法で決めることができる。   The longitudinal direction of seed crystal 10 is parallel or substantially parallel to the a-axis of the growing group 13 nitride single crystal. The short direction is parallel to or substantially parallel to the m-axis. The length in the longitudinal direction of the strip crystal is not particularly limited. As the length in the longitudinal direction is longer, a larger crystal can be produced in a shorter time, so that a desired length can be appropriately selected. The width (length in the short direction) D of the strip-shaped crystal can be selected as appropriate. However, when the width D of the strip-shaped crystal is increased, the c-plane of the group 13 nitride single crystal is likely to be formed. Since raw materials are used, the growth rate is slow. In addition, since the c-plane is likely to be uneven, inclusion is likely to occur. Therefore, it is desirable that the width D of the strip-shaped crystal is not increased more than necessary. The thickness is preferably 5 mm or less, more preferably 2 mm or less, and even more preferably 1 mm or less. The minimum width D can be determined by the ease of handling and holding the seed crystal.

結晶成長開始工程S2は、主面12上にGaN結晶のc軸方向への結晶成長を開始させる工程である。当該結晶成長の開始は、種結晶10を13族金属(本実施の形態においてはGa)とアルカリ金属(本実施の形態においてはNa)とを含む混合融液中に設置し、当該混合融液に窒素を溶解させ、過飽和状態にすることにより行われる。   The crystal growth start step S2 is a step of starting crystal growth in the c-axis direction of the GaN crystal on the main surface 12. The crystal growth is started by placing the seed crystal 10 in a mixed melt containing a group 13 metal (Ga in the present embodiment) and an alkali metal (Na in the present embodiment). This is performed by dissolving nitrogen in a supersaturated state.

なお、種結晶10は複数設置することができるが、結晶成長中に互いに接することの無いように間隔があけられて設置される。この間隔によって、一つの反応容器に設置される種結晶10の個数が制限される。反応容器の材質は適宜選択できるが、アルミナやYAG,BN,SiC,TaC等が使用できる。   Although a plurality of seed crystals 10 can be installed, they are installed at intervals so as not to contact each other during crystal growth. This interval limits the number of seed crystals 10 installed in one reaction vessel. The material of the reaction vessel can be selected as appropriate, but alumina, YAG, BN, SiC, TaC or the like can be used.

反応容器内には、フラックスとなるアルカリ金属と原料となる13族金属が入れられ、窒素原料ガスが充填された圧力容器中で結晶成長温度まで昇温される。昇温過程でアルカリ金属と13族金属は溶解し、混合融液を形成する。そして、所定の結晶成長温度、所定の窒素原料ガス圧力下で、気相から混合融液中に溶解する窒素と混合融液中の13族金属が反応して、種結晶10の主面で13族窒化物の結晶成長が開始される。   In the reaction vessel, an alkali metal serving as a flux and a group 13 metal serving as a raw material are placed, and the temperature is raised to a crystal growth temperature in a pressure vessel filled with a nitrogen raw material gas. In the temperature raising process, the alkali metal and the group 13 metal are dissolved to form a mixed melt. Then, under a predetermined crystal growth temperature and a predetermined nitrogen raw material gas pressure, nitrogen dissolved in the mixed melt from the gas phase reacts with a group 13 metal in the mixed melt to cause 13 on the main surface of the seed crystal 10. Group nitride crystal growth begins.

具体的には、工程S2では、窒素分圧を1MPa〜6MPaの範囲内とすることが好ましい。また、工程S2では、混合融液の温度(結晶成長温度)は、800℃〜900℃の範囲内とすることが好ましい。例えば、13族金属(例えば、ガリウム)とアルカリ金属(例えば、ナトリウム)との総モル数に対するアルカリ金属のモル数の比率を50%〜90%の範囲内とし、混合融液の結晶成長温度を850℃〜900℃の範囲内とし、窒素分圧を1.5MPa〜6MPaの範囲内とすることが好ましい。さらに好適な実施形態としては、ガリウムとアルカリ金属とのモル比を0.3:0.7とし、結晶成長温度を860℃〜870℃の範囲とし、窒素分圧を2MPa〜3.5MPaの範囲とすることがより好ましい。   Specifically, in step S2, the nitrogen partial pressure is preferably in the range of 1 MPa to 6 MPa. In step S2, the temperature of the mixed melt (crystal growth temperature) is preferably in the range of 800 ° C to 900 ° C. For example, the ratio of the number of moles of alkali metal to the total number of moles of group 13 metal (for example, gallium) and alkali metal (for example, sodium) is in the range of 50% to 90%, and the crystal growth temperature of the mixed melt is set to It is preferable that the temperature is in the range of 850 ° C. to 900 ° C. and the nitrogen partial pressure is in the range of 1.5 MPa to 6 MPa. In a more preferred embodiment, the molar ratio of gallium to alkali metal is 0.3: 0.7, the crystal growth temperature is in the range of 860 ° C. to 870 ° C., and the nitrogen partial pressure is in the range of 2 MPa to 3.5 MPa. More preferably.

種結晶10の主面12で成長する13族窒化物はc軸配向した単結晶である。アルカリ金属は、主にNaが使用されるが、LiやKなどの他のアルカリ金属でも使用できる。また、これらを混合して使用することもできる。13族金属は、B,Al,Ga,Inであり、これらの単体、あるいは、複数を混合して使用することもできる。   The group 13 nitride grown on the main surface 12 of the seed crystal 10 is a c-axis oriented single crystal. As the alkali metal, Na is mainly used, but other alkali metals such as Li and K can also be used. Moreover, these can also be mixed and used. The group 13 metal is B, Al, Ga, In, and these can be used alone or in combination.

気相中の窒素は、一般的には窒素ガスが使用されるが、アンモニアその他の窒素を含むガスを使用することができる。気相には、窒素を含むガスの他に、Ar等の不活性ガスやその他のガスを混合することもできる。   Nitrogen gas is generally used as nitrogen in the gas phase, but ammonia or other gas containing nitrogen can be used. In addition to the gas containing nitrogen, an inert gas such as Ar or other gas can be mixed in the gas phase.

混合融液中には、アルカリ金属と13族金属と窒素の他に、Ge,Mg,Fe,Mn等のドーパント物質やCa,Ba,Sr等のフラックスとなるアルカリ土類金属、雑結晶の低減効果を有する炭素等を混合しても良い。   In the mixed melt, in addition to alkali metals, group 13 metals and nitrogen, dopant materials such as Ge, Mg, Fe, and Mn, alkaline earth metals that become fluxes such as Ca, Ba, and Sr, and reduction of miscellaneous crystals are reduced. Carbon having an effect may be mixed.

結晶成長継続工程S3は、上記工程S2により結晶成長を開始したGaN結晶20の主面12と平行でない斜面、すなわち結晶成長開始後における主な結晶成長面である主成長面21が{10−11}面と平行となるように結晶成長を継続させる工程である。このような成長面の制御は、GaN結晶20の結晶成長に影響を与える結晶成長条件を調整することにより行われる。当該結晶成長条件には窒素分圧、混合融液の温度、混合融液中のガリウム(Ga)とナトリウム(Na)との混合比率等が含まれる。   In the crystal growth continuation step S3, the slope that is not parallel to the main surface 12 of the GaN crystal 20 that has started crystal growth in the above step S2, that is, the main growth surface 21 that is the main crystal growth surface after the start of crystal growth is {10-11. } This is a step of continuing crystal growth so as to be parallel to the plane. Such control of the growth surface is performed by adjusting crystal growth conditions that affect the crystal growth of the GaN crystal 20. The crystal growth conditions include the nitrogen partial pressure, the temperature of the mixed melt, the mixing ratio of gallium (Ga) and sodium (Na) in the mixed melt, and the like.

工程S3では、所定の温度、圧力に保持して、種結晶10の主面12から成長開始した13族窒化物単結晶を{10−11}面を主な成長面12として結晶成長を継続し、種結晶10の主面12からはみ出した種結晶10より大きな13族窒化物結晶20を結晶成長する。結晶成長した13族窒化物結晶20は、種結晶10の長手方向に垂直な断面の形状が種結晶10側を底辺とする略三角形あるいは略台形を成し、種結晶10の主面12と平行でない斜面が平坦、あるいは概ね平坦な{10−11}であり、断面の形状が台形の場合はその上面はc面が形成されている。   In step S3, the group 13 nitride single crystal starting to grow from the main surface 12 of the seed crystal 10 is maintained at a predetermined temperature and pressure, and crystal growth is continued with the {10-11} plane as the main growth surface 12. A group 13 nitride crystal 20 larger than the seed crystal 10 protruding from the main surface 12 of the seed crystal 10 is grown. The grown group 13 nitride crystal 20 has a cross-sectional shape perpendicular to the longitudinal direction of the seed crystal 10 that forms a substantially triangular shape or a substantially trapezoidal shape with the seed crystal 10 side as a base, and is parallel to the main surface 12 of the seed crystal 10. If the slope is not flat or substantially flat {10-11} and the cross-sectional shape is trapezoidal, the c-plane is formed on the upper surface.

成長した13族窒化物結晶20の上部には、短冊状の種結晶10の長手方向に沿ってくぼみが形成されることがあるが、断面形状は概ね三角形か台形であり、これらの形状の結晶も本発明の適用範囲である。結晶上部よりも底部が大きく、斜面となる主成長面21が{10−11}面になっていれば、本発明の適用範囲になる。   Although a recess may be formed along the longitudinal direction of the strip-shaped seed crystal 10 on the grown group 13 nitride crystal 20, the cross-sectional shape is generally triangular or trapezoidal. Is also within the scope of the present invention. If the bottom is larger than the top of the crystal and the main growth surface 21 serving as a slope is a {10-11} plane, the application range of the present invention is obtained.

このような工程S3の結晶成長条件は、窒素分圧、混合融液の温度、ガリウムとアルカリ金属(例えば、ナトリウム)との総モル数に対するアルカリ金属のモル数の比率等の調整により実現できる。具体的には、工程S3では、窒素分圧を融液中の窒素が比較的低い過飽和度となる分圧に調整する。具体的には、2MPa〜3.5MPaの範囲内とすることが好ましい。   The crystal growth conditions in step S3 can be realized by adjusting the nitrogen partial pressure, the temperature of the mixed melt, the ratio of the number of moles of alkali metal to the total number of moles of gallium and alkali metal (for example, sodium), and the like. Specifically, in step S3, the nitrogen partial pressure is adjusted to a partial pressure at which the nitrogen in the melt has a relatively low degree of supersaturation. Specifically, it is preferable to be within a range of 2 MPa to 3.5 MPa.

また、工程S3では、混合融液の温度(結晶成長温度)は、YAGやアルミナ等の材質の反応容器が融液に溶解したり反応したりして結晶が成長するのに問題となることのない温度に調整する。具体的には、860℃〜870℃の範囲内とすることが好ましい。さらに高温においても安定な材質の反応容器を使用する場合には温度を上げることもできる。また、ガリウムとアルカリ金属(例えば、ナトリウム)との総モル数に対するアルカリ金属のモル数の比率は、前述の窒素、温度の条件で{10−11}面となる主成長面21が形成されやすい、50%〜80%の範囲内、さらには60%〜75%とすることが好ましい。   Further, in step S3, the temperature of the mixed melt (crystal growth temperature) may cause a problem in that crystals grow as a reaction vessel made of a material such as YAG or alumina dissolves or reacts in the melt. Adjust to no temperature. Specifically, it is preferable to set it within the range of 860 ° C to 870 ° C. Furthermore, when using a reaction vessel made of a material that is stable even at high temperatures, the temperature can be raised. Further, the ratio of the number of moles of alkali metal to the total number of moles of gallium and alkali metal (for example, sodium) is such that the main growth surface 21 that becomes the {10-11} plane is easily formed under the above-described conditions of nitrogen and temperature. In the range of 50% to 80%, more preferably 60% to 75%.

なお、工程S2を、工程S3と同じ結晶成長条件(温度、分圧、アルカリ金属のモル比等の条件)とすることで、工程S2と工程S3とを同じ条件で継続して進行させることができる。   In addition, by setting the step S2 to the same crystal growth conditions as the step S3 (conditions such as temperature, partial pressure, alkali metal molar ratio, etc.), the step S2 and the step S3 can be continued under the same conditions. it can.

フラックス法による13族窒化物の結晶成長では、{10−11}面は平坦な結晶面が形成されやすいので、結晶中にインクルージョンがほとんど入ることはない。従って、本実施の形態の結晶製造方法では、c面を主な成長面として結晶成長する従来のフラックス法液相エピタキシャル成長で必要とされた撹拌などの手段による融液の精密制御をせずとも、インクルージョンが低減し13族窒化物結晶を製造することができる。また、種結晶10が短冊状であるので、大きな結晶を成長する時間も比較的短時間で済む。さらに、本実施の形態の製造方法は、基板上に複数の結晶開始領域を形成し、そこから成長した隣接する結晶を合体させて大型化する結晶製造方法とは異なり、ひとつの種結晶10を成長させて大型単結晶を製造するので、歪や欠陥の発生が無く、品質の高い13族窒化物単結晶20を製造することができる。   In the crystal growth of the group 13 nitride by the flux method, since the {10-11} plane is likely to form a flat crystal plane, the inclusion hardly enters the crystal. Therefore, in the crystal manufacturing method of the present embodiment, the precise control of the melt by means such as stirring required in the conventional flux method liquid phase epitaxial growth in which the crystal growth is performed with the c-plane as the main growth surface is possible. Inclusion is reduced and a group 13 nitride crystal can be produced. Further, since the seed crystal 10 has a strip shape, the time for growing a large crystal can be relatively short. Furthermore, the manufacturing method according to the present embodiment is different from the crystal manufacturing method in which a plurality of crystal start regions are formed on a substrate and adjacent crystals grown from the regions are combined to increase the size. Since a large single crystal is produced by growth, it is possible to produce a high-quality group 13 nitride single crystal 20 without generation of distortion or defects.

図4は、本製造方法を実行するための製造装置100を例示している。ステンレス製の閉じた形状の耐圧容器101内に反応容器102が設置されている。反応容器102内にはガリウムとナトリウムを含む混合融液103が保持される。混合融液103内には種結晶10が設置される。混合融液103内で種結晶10を核としてGaN結晶20が結晶成長する。   FIG. 4 illustrates a manufacturing apparatus 100 for executing the manufacturing method. A reaction vessel 102 is installed in a closed pressure vessel 101 made of stainless steel. A mixed melt 103 containing gallium and sodium is held in the reaction vessel 102. A seed crystal 10 is placed in the mixed melt 103. In the mixed melt 103, the GaN crystal 20 grows using the seed crystal 10 as a nucleus.

耐圧容器101の内部空間104には窒素(N)ガスとアルゴン(Ar)ガスが充填される。内部空間104はガス供給管105と連通している。内部空間104内の窒素圧力とアルゴン圧力はガス供給管105を介して圧力制御装置106,107により制御される。ガス供給管105は窒素供給管108とアルゴン供給管109に分岐している。窒素供給管108とアルゴン供給管109のいずれを内部空間104に連通させるかはバルブ110,111の開閉により決定することができる。また、ガス供給管105には耐圧容器101内の全圧力をモニターする圧力計112が設置されている。ガス供給管105の圧力計112と上記両管108,109の分岐部との間にはバルブ113が設置されている。 The internal space 104 of the pressure vessel 101 is filled with nitrogen (N 2 ) gas and argon (Ar) gas. The internal space 104 communicates with the gas supply pipe 105. The nitrogen pressure and the argon pressure in the internal space 104 are controlled by the pressure control devices 106 and 107 via the gas supply pipe 105. The gas supply pipe 105 is branched into a nitrogen supply pipe 108 and an argon supply pipe 109. Which of the nitrogen supply pipe 108 and the argon supply pipe 109 is connected to the internal space 104 can be determined by opening and closing the valves 110 and 111. The gas supply pipe 105 is provided with a pressure gauge 112 that monitors the total pressure in the pressure vessel 101. A valve 113 is installed between the pressure gauge 112 of the gas supply pipe 105 and the branch portion of both the pipes 108 and 109.

窒素ガスは窒化ガリウムの原料である。窒素ガスと不活性ガスであるアルゴンとを混合するのは、全圧を高くしナトリウムの蒸発を抑制しつつ、窒素ガスの圧力を独立して制御するためである。これにより、結晶成長の制御を高い精度で行うことが可能となる。   Nitrogen gas is a raw material for gallium nitride. The reason why the nitrogen gas and the inert gas argon are mixed is to independently control the pressure of the nitrogen gas while increasing the total pressure and suppressing the evaporation of sodium. This makes it possible to control crystal growth with high accuracy.

反応容器102は耐圧容器101から取り外すことができる。反応容器102の材質は特に限定されるものではないが、BN焼結体、P−BN等の窒化物、アルミナ、YAG等の酸化物、SiC等の炭化物等を使用することができる。本実施の形態においてはYAGが使用されている。   The reaction vessel 102 can be removed from the pressure vessel 101. The material of the reaction vessel 102 is not particularly limited, but BN sintered bodies, nitrides such as P-BN, oxides such as alumina and YAG, carbides such as SiC, and the like can be used. In this embodiment, YAG is used.

耐圧容器101の外側にはヒーター115が設置されている。ヒーター115の温度は所定の制御装置により制御可能となっている。耐圧容器101はバルブ113部分で製造装置100から取り外すことが可能であり、耐圧容器101部分のみをグローブボックスに入れて作業することが可能となっている。   A heater 115 is installed outside the pressure vessel 101. The temperature of the heater 115 can be controlled by a predetermined control device. The pressure vessel 101 can be removed from the manufacturing apparatus 100 at the valve 113 portion, and only the pressure vessel 101 portion can be put in the glove box for operation.

(実施例1)
以下に、上記本製造方法により13族窒化物結晶を製造した一例である実施例1を説明する。先ず、第1の工程S1について説明する。本実施例では、サファイア基板11上にMOCVDにより主面12となるGaN層をエピタキシャル成長させたφ2インチのテンプレート基板から短冊状に切り出したものを種結晶10として使用した(図2参照)。
Example 1
Hereinafter, Example 1, which is an example of manufacturing a group 13 nitride crystal by the present manufacturing method, will be described. First, the first step S1 will be described. In the present example, a strip-shaped template substrate obtained by epitaxially growing a GaN layer serving as the main surface 12 on the sapphire substrate 11 by MOCVD was used as the seed crystal 10 (see FIG. 2).

このとき、短冊状の種結晶10の長手方向がGaN層のa軸に概ね平行になるように切り出した。ダイシング装置によりサファイア基板11の裏面から基板の厚さ方向の途中までm軸に沿って切り込みを入れた後、圧力をかけて分割した。このようにすることにより、長手方向がサファイア基板11のm軸に沿った、すなわち長手方向がGaN層(主面12)のa軸に概ね平行な短冊状の種結晶10を切り出すことができた。本実施例では、種結晶10の長手方向の長さを45mm、短手方向の長さ(幅D(図3参照))を1mmとした。   At this time, the strip-shaped seed crystal 10 was cut out so that the longitudinal direction thereof was substantially parallel to the a-axis of the GaN layer. After cutting along the m-axis from the back surface of the sapphire substrate 11 to the middle of the thickness direction of the substrate with a dicing device, the substrate was divided by applying pressure. By doing so, it was possible to cut out the strip-shaped seed crystal 10 whose longitudinal direction was along the m-axis of the sapphire substrate 11, that is, whose longitudinal direction was substantially parallel to the a-axis of the GaN layer (main surface 12). . In this example, the length of the seed crystal 10 in the longitudinal direction was 45 mm, and the length in the lateral direction (width D (see FIG. 3)) was 1 mm.

次に、第2の工程S2及び第3の工程S3を説明する。本実施例では、図4に示す製造装置100を用いてGaN結晶20を製造した。ステンレス製の閉じた形状の耐圧容器101内に反応容器102を設置した。反応容器102内に金属ナトリウムと金属ガリウムを含む混合融液103を保持した。   Next, the second step S2 and the third step S3 will be described. In this example, the GaN crystal 20 was manufactured using the manufacturing apparatus 100 shown in FIG. The reaction vessel 102 was installed in a closed pressure vessel 101 made of stainless steel. A mixed melt 103 containing metallic sodium and metallic gallium was held in the reaction vessel 102.

耐圧容器101の内部空間104に窒素(N)ガスとアルゴン(Ar)ガスを充満させた。耐圧容器101内の窒素圧力とアルゴン圧力を制御するためのガス供給管105を、耐圧容器101を貫通するように装着した。ガス供給管105は窒素供給管108とアルゴン供給管109に分岐しており、それぞれバルブ110,111で分離可能とした。窒素圧力とアルゴン圧力はそれぞれ圧力制御装置106,107で調整した。 The internal space 104 of the pressure vessel 101 was filled with nitrogen (N 2 ) gas and argon (Ar) gas. A gas supply pipe 105 for controlling the nitrogen pressure and the argon pressure in the pressure vessel 101 was attached so as to penetrate the pressure vessel 101. The gas supply pipe 105 is branched into a nitrogen supply pipe 108 and an argon supply pipe 109, which can be separated by valves 110 and 111, respectively. The nitrogen pressure and the argon pressure were adjusted by pressure control devices 106 and 107, respectively.

耐圧容器101内の全圧力を圧力計112によりモニターした。尚、窒化ガリウムの原料である窒素ガスに不活性ガスであるアルゴンを混合するのは、全圧を高くしナトリウムの蒸発を抑制しつつ、窒素ガスの圧力を独立して制御するためである。これにより、制御性の高い結晶成長が可能となる。   The total pressure in the pressure vessel 101 was monitored by a pressure gauge 112. The reason why the inert gas, argon, is mixed with the nitrogen gas, which is a gallium nitride raw material, is to independently control the pressure of the nitrogen gas while increasing the total pressure and suppressing the evaporation of sodium. Thereby, crystal growth with high controllability becomes possible.

反応容器102は耐圧容器101から取り外し可能とした。反応容器102の材質は特に限定するものではなく、BN結体、P−BN等の窒化物、アルミナ、YAG等の酸化物、SiC等の炭化物等を使用することができるが、本実施例ではYAGを使用した。   The reaction vessel 102 can be detached from the pressure vessel 101. The material of the reaction vessel 102 is not particularly limited, and nitrides such as BN aggregates and P-BN, oxides such as alumina and YAG, carbides such as SiC, and the like can be used. YAG was used.

耐圧容器101の外側には任意の温度に制御可能なヒーター115を設置した。耐圧容器101はバルブ113部分で製造装置100から取り外し可能とした。耐圧容器101部分のみをグローブボックスに入れて所定の作業を行った。   A heater 115 that can be controlled to an arbitrary temperature is installed outside the pressure vessel 101. The pressure vessel 101 can be detached from the manufacturing apparatus 100 at the valve 113 portion. Only the pressure vessel 101 part was put in the glove box and a predetermined operation was performed.

以下に、上記製造装置100を使用した第2の工程S2及び第3の工程S3によるGaN結晶20の結晶成長の過程を説明する。図5は、本実施例における結晶成長の過程を示している。先ず、耐圧容器101をバルブ113部分で製造装置100から分離し、酸素1ppm以下、露点−80℃以下の高純度Ar雰囲気のグローブボックスに入れた。   Hereinafter, the process of crystal growth of the GaN crystal 20 in the second step S2 and the third step S3 using the manufacturing apparatus 100 will be described. FIG. 5 shows the process of crystal growth in this example. First, the pressure vessel 101 was separated from the manufacturing apparatus 100 at the valve 113 portion and placed in a glove box having a high purity Ar atmosphere with oxygen of 1 ppm or less and dew point of -80 ° C. or less.

次いで、YAGからなる内径92mmの反応容器102内に第1の工程S1で準備した短冊状の種結晶10を、主面12を上にして設置した(図5中状態A1参照)。主面12を上にして設置することで、成長した結晶の裏面側、すなわち窒素極性面である(000−1)c面(図3参照)が反応容器102の底を向くことになる。窒素極性面は多結晶化しやすいため、GaNの単結晶を成長させるには窒素極性面側の結晶成長を抑制することが望まれる。窒素極性面が反応容器102の底を向くように種結晶10を設置することで、窒素極性面、すなわち(000−1)c面側の結晶成長を抑制することができ、多結晶化を抑制することができた。   Next, the strip-shaped seed crystal 10 prepared in the first step S1 was placed in the reaction vessel 102 made of YAG having an inner diameter of 92 mm with the main surface 12 facing upward (see state A1 in FIG. 5). By setting the main surface 12 up, the rear surface side of the grown crystal, that is, the (000-1) c surface (see FIG. 3), which is a nitrogen polar surface, faces the bottom of the reaction vessel 102. Since the nitrogen polar plane is easily polycrystallized, it is desired to suppress the crystal growth on the nitrogen polar plane side in order to grow a GaN single crystal. By installing the seed crystal 10 so that the nitrogen polar surface faces the bottom of the reaction vessel 102, crystal growth on the nitrogen polar surface, that is, the (000-1) c-plane side can be suppressed, and polycrystallization is suppressed. We were able to.

次いで、反応容器102内に13族金属原料であるガリウム(Ga)とフラックスとしてのナトリウム(Na)を入れた。本実施例では、ガリウムを100gとナトリウムを77g入れ、ガリウムとナトリウムのモル比を0.3:0.7とした。また、カーボンを0.34g添加した。   Next, gallium (Ga), which is a Group 13 metal raw material, and sodium (Na) as a flux were placed in the reaction vessel 102. In this example, 100 g of gallium and 77 g of sodium were added, and the molar ratio of gallium to sodium was set to 0.3: 0.7. Further, 0.34 g of carbon was added.

次いで、反応容器102を耐圧容器101内に設置した。耐圧容器101を密閉し、バルブ113を閉じ、反応容器102内を外部雰囲気と遮断した。これらの一連の作業は高純度Arガス雰囲気のグローブボックス内で行ったので、耐圧容器101内にはArガスが充填された。   Next, the reaction vessel 102 was installed in the pressure vessel 101. The pressure vessel 101 was sealed, the valve 113 was closed, and the reaction vessel 102 was shut off from the external atmosphere. Since these series of operations were performed in a glove box having a high-purity Ar gas atmosphere, the pressure vessel 101 was filled with Ar gas.

次いで、耐圧容器101をグローブボックスから出し、製造装置100に組み込んだ。すなわち、耐圧容器101をヒーター115に隣接する所定の場所に設置し、バルブ113部分で窒素とアルゴンのガス供給管105に接続した。バルブ113とバルブ111を開け、アルゴン供給管109からArガスを入れ、圧力制御装置107で圧力を調整して耐圧容器101内の全圧を2.5MPaにしてバルブ111を閉じた。   Next, the pressure vessel 101 was taken out of the glove box and incorporated in the manufacturing apparatus 100. That is, the pressure vessel 101 was installed at a predetermined location adjacent to the heater 115 and connected to the nitrogen and argon gas supply pipe 105 at the valve 113 portion. The valve 113 and the valve 111 were opened, Ar gas was introduced from the argon supply pipe 109, the pressure was adjusted by the pressure control device 107, the total pressure in the pressure vessel 101 was set to 2.5 MPa, and the valve 111 was closed.

次いで、窒素供給管108から窒素ガスを入れ、圧力制御装置106で圧力を調整してバルブ110を開け、耐圧容器101内の全圧を4MPaにした。すなわち、耐圧容器101の内部空間104の窒素の分圧は1.5MPaである。その後、バルブ110を閉じ、圧力制御装置106を8MPaに設定した。   Next, nitrogen gas was introduced from the nitrogen supply pipe 108, the pressure was adjusted by the pressure control device 106, the valve 110 was opened, and the total pressure in the pressure vessel 101 was 4 MPa. That is, the partial pressure of nitrogen in the internal space 104 of the pressure vessel 101 is 1.5 MPa. Thereafter, the valve 110 was closed and the pressure control device 106 was set to 8 MPa.

次いで、ヒーター115に通電し、反応容器102を結晶成長温度まで昇温させた。結晶成長温度は870℃とした。結晶成長温度において反応容器102内のガリウムとナトリウムは融解し、混合融液103が形成された。混合融液103の温度は反応容器102の温度と同温になった。この結晶成長温度まで昇温すると、耐圧容器101内の気体が熱せられ、全圧が8MPaとなった。すなわち、窒素分圧は3MPaとなった。   Next, the heater 115 was energized to raise the temperature of the reaction vessel 102 to the crystal growth temperature. The crystal growth temperature was 870 ° C. Gallium and sodium in the reaction vessel 102 melted at the crystal growth temperature, and a mixed melt 103 was formed. The temperature of the mixed melt 103 became the same as the temperature of the reaction vessel 102. When the temperature was raised to the crystal growth temperature, the gas in the pressure vessel 101 was heated, and the total pressure became 8 MPa. That is, the nitrogen partial pressure was 3 MPa.

次いで、バルブ110を開け、窒素ガス圧力を8MPaかけた。これは窒素が窒化ガリウムの結晶成長で消費されても耐圧容器101内の窒素分圧を3MPaに維持するためである。   Next, the valve 110 was opened, and a nitrogen gas pressure was applied at 8 MPa. This is because the partial pressure of nitrogen in the pressure vessel 101 is maintained at 3 MPa even when nitrogen is consumed by crystal growth of gallium nitride.

このようにして窒素を混合融液103中に溶解させ、種結晶10の主面12のGaN層からGaN結晶20の結晶成長を開始させた(図5中状態B1参照)。反応容器102内の温度を870℃、窒素ガス分圧を3MPaに維持して300時間結晶成長を継続した。   In this way, nitrogen was dissolved in the mixed melt 103, and crystal growth of the GaN crystal 20 was started from the GaN layer on the main surface 12 of the seed crystal 10 (see state B1 in FIG. 5). Crystal growth was continued for 300 hours while maintaining the temperature in the reaction vessel 102 at 870 ° C. and the nitrogen gas partial pressure at 3 MPa.

GaN結晶20は種結晶10の主面12から成長を開始し、主面12からはみ出して成長を続けた。このとき、主な結晶成長面である主成長面21は{10−10}面となった(図3参照)。c面(主面12)と平行な上面22もわずかに形成されながら結晶成長を続けた。窒素極性面となる底面23には多結晶を含む微結晶25が形成された(図5状態C1〜E1参照)。   The GaN crystal 20 started growing from the main surface 12 of the seed crystal 10 and continued to grow out of the main surface 12. At this time, the main growth surface 21 which is the main crystal growth surface was a {10-10} plane (see FIG. 3). Crystal growth continued while the upper surface 22 parallel to the c-plane (main surface 12) was also slightly formed. Microcrystals 25 including polycrystals were formed on the bottom surface 23 serving as a nitrogen polar surface (see states C1 to E1 in FIG. 5).

上記結晶成長を300時間継続した後、ヒーター115を止め、混合融液103を室温まで降温した。耐圧容器101内の圧力を下げた後、耐圧容器101を開けた。反応容器102内の種結晶10上に単結晶のGaN結晶20が結晶成長していた。   After the crystal growth was continued for 300 hours, the heater 115 was stopped and the mixed melt 103 was cooled to room temperature. After reducing the pressure in the pressure vessel 101, the pressure vessel 101 was opened. A single crystal GaN crystal 20 was grown on the seed crystal 10 in the reaction vessel 102.

図6は、上記結晶成長により得られたGaN結晶20の形状を例示している。図7は、図6の底面図である。図8は、図7のVIII−VIII断面図である。当該GaN結晶20は種結晶10の長手方向に平行な2辺が長い六角形の底面23と上面22とを有する台状の形状となった。上面22には長手方向に沿ってくぼみ24が形成されていた。GaN結晶20の断面は略台形であった。6つの斜面(主成長面21)は比較的平坦な{10−11}面であった。底面23は窒素極性面((000−1)c面)に形成されていた。底面23には微結晶25(図5参照)が付着していた。しかし、微結晶25は反応容器102の底面にその結晶成長が制限されたため僅かな量であった。底面23の略中央に種結晶10のテンプレート基板であるサファイア基板11が位置していた。サファイア基板11にはクラックが入っていた。   FIG. 6 illustrates the shape of the GaN crystal 20 obtained by the crystal growth. FIG. 7 is a bottom view of FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line VIII-VIII in FIG. The GaN crystal 20 has a trapezoidal shape having a hexagonal bottom surface 23 and a top surface 22 having long two sides parallel to the longitudinal direction of the seed crystal 10. A recess 24 is formed in the upper surface 22 along the longitudinal direction. The cross section of the GaN crystal 20 was substantially trapezoidal. The six slopes (main growth surface 21) were {10-11} planes that were relatively flat. The bottom surface 23 was formed on a nitrogen polar surface ((000-1) c surface). Microcrystals 25 (see FIG. 5) were attached to the bottom surface 23. However, the amount of microcrystals 25 was small because the crystal growth was limited on the bottom surface of the reaction vessel 102. The sapphire substrate 11, which is a template substrate for the seed crystal 10, was located in the approximate center of the bottom surface 23. The sapphire substrate 11 was cracked.

結晶成長したGaN結晶20のサイズは、底面23の長手方向の長さが約59mm、底面23の短手方向の長さ(幅)が約12mm、上面22の長手方向の長さが約45mm、高さが約10mmであった。   The grown GaN crystal 20 has a size of about 59 mm in the longitudinal direction of the bottom surface 23, about 12 mm in the length (width) in the short direction of the bottom surface 23, and about 45 mm in the longitudinal direction of the top surface 22. The height was about 10 mm.

SIMS分析によりGaN結晶20中に1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。また、GaN結晶20中に不純物レベルでナトリウムが含まれていたが、クラックやボイドの発生原因となるような金属ガリウム、金属ナトリウム、又はガリウムとナトリウムの合金等のインクルージョンはなかった。 By SIMS analysis, 10 14 to 10 15 cm −3 of sodium was detected in the GaN crystal 20. Moreover, although GaN crystal 20 contained sodium at an impurity level, there was no inclusion such as metal gallium, metal sodium, or an alloy of gallium and sodium that would cause cracks or voids.

(実施例2)
以下に、本実施の形態の実施例2について説明する。尚、上記実施例1と同一又は同様の作用効果を奏する箇所については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。
(Example 2)
Hereinafter, Example 2 of the present embodiment will be described. In addition, the same code | symbol may be attached | subjected about the location which show | plays the same or similar effect as the said Example 1, and the description may be abbreviate | omitted.

図9は、本実施例における結晶成長の過程を示している。図10は、本実施例に係る種結晶30の上面図である。図11は、図10のXI−XI断面図である。図12は、本実施例における結晶成長により得られたGaN結晶40の形状を例示している。図13は、図12の下面図である。図14は、図13のXIII−XIII断面図である。   FIG. 9 shows the process of crystal growth in this example. FIG. 10 is a top view of the seed crystal 30 according to the present embodiment. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG. FIG. 12 illustrates the shape of the GaN crystal 40 obtained by crystal growth in this example. FIG. 13 is a bottom view of FIG. 14 is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG.

先ず、第1の工程S1により短冊状の種結晶30を準備する工程を説明する。本実施例では、主面12が(0001)c面であり、HVPE製のφ2インチのGaN自立基板から短冊状に切り出した結晶からなる種結晶30を用いた。ダイヤモンドペンでGaN基板の裏面をGaN自立基板のa軸(m面)に沿って数回掛けがくことで容易に短冊状の結晶を切り出すことができた。このようにして長手方向がGaNのa軸に概ね平行な短冊状の種結晶30を切り出した(図10参照)。   First, the process of preparing the strip-shaped seed crystal 30 by 1st process S1 is demonstrated. In the present example, a seed crystal 30 made of a crystal cut out in a strip shape from a φ2 inch GaN free-standing substrate made of HVPE and having a (0001) c plane as the main surface 12 was used. A strip-shaped crystal could be easily cut out by hanging the back surface of the GaN substrate several times along the a-axis (m-plane) of the GaN free-standing substrate with a diamond pen. In this way, a strip-shaped seed crystal 30 whose longitudinal direction was approximately parallel to the a-axis of GaN was cut out (see FIG. 10).

本実施例では、長手方向の長さが45mm、短手方向の長さ(幅)が0.8mmの種結晶30を使用した。実施例1との違いは、HVPE製のGaN自立基板から切り出した結晶を種結晶30として使用した点と、種結晶30の短手方向の長さを0.8mmにした点である。   In this example, a seed crystal 30 having a length in the longitudinal direction of 45 mm and a length (width) in the lateral direction of 0.8 mm was used. The difference from Example 1 is that a crystal cut from a HVPE GaN free-standing substrate was used as the seed crystal 30 and that the length in the short direction of the seed crystal 30 was 0.8 mm.

次いで、第2の工程S2及び第3の工程S3について説明する。本実施例で使用した製造装置100は実施例1で用いたものと同様であり、結晶成長条件も同様であるので、以下実施例1と異なるところのみを説明する。本実施例では、反応容器102として内径92mmの純度99.99%のアルミナ製容器を使用した。種結晶30を主面12((0001)c面)が上になるように設置した(図9中状態A2参照)。原料の仕込み量、成長温度、窒素ガス分圧、成長時間等の結晶成長条件は実施例1と同じにした(図9中状態B2〜E2参照)。   Next, the second step S2 and the third step S3 will be described. Since the manufacturing apparatus 100 used in this example is the same as that used in Example 1 and the crystal growth conditions are the same, only the differences from Example 1 will be described below. In this example, an alumina container having an inner diameter of 92 mm and a purity of 99.99% was used as the reaction container 102. The seed crystal 30 was placed so that the main surface 12 ((0001) c plane) was on top (see state A2 in FIG. 9). Crystal growth conditions such as raw material charge, growth temperature, nitrogen gas partial pressure, and growth time were the same as in Example 1 (see states B2 to E2 in FIG. 9).

上記工程により図12に示すようなGaN結晶40が得られた。当該GaN結晶40は種結晶30の長手方向に平行な2辺が長い六角形の底面23を有し、種結晶30の長手方向と垂直な断面が概ね三角形の形状を有する単結晶であった(図13及び図14参照)。GaN結晶40の上部41にはその長手方向に沿って僅かにくぼみ24が形成されていた。6つの斜面(主成長面21)は比較的平坦な{10−11}面であった。底面23は窒素極性面((000−1)c面)に形成されていた。底面23には微結晶25(図9参照)が付着していた。しかし、微結晶25は反応容器102の底面にその結晶成長が制限されたため僅かな量であった。底面23の略中央に種結晶30が位置していた。種結晶30にはクラック等は見られなかった。   A GaN crystal 40 as shown in FIG. 12 was obtained by the above process. The GaN crystal 40 is a single crystal having a hexagonal bottom surface 23 with two long sides parallel to the longitudinal direction of the seed crystal 30 and a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the seed crystal 30 having a generally triangular shape ( (See FIGS. 13 and 14). In the upper portion 41 of the GaN crystal 40, a slight recess 24 was formed along the longitudinal direction thereof. The six slopes (main growth surface 21) were {10-11} planes that were relatively flat. The bottom surface 23 was formed on a nitrogen polar surface ((000-1) c surface). Microcrystals 25 (see FIG. 9) were attached to the bottom surface 23. However, the amount of microcrystals 25 was small because the crystal growth was limited on the bottom surface of the reaction vessel 102. The seed crystal 30 was located approximately at the center of the bottom surface 23. No cracks or the like were found in the seed crystal 30.

結晶成長したGaN結晶40のサイズは、底面23の長手方向の長さが約59mm、底面23の短手方向の長さ(幅)が約12mm、上部41の長手方向の長さが約45mm、高さが約11mmであった。   The size of the grown GaN crystal 40 is such that the length in the longitudinal direction of the bottom surface 23 is about 59 mm, the length (width) in the short direction of the bottom surface 23 is about 12 mm, and the length in the longitudinal direction of the upper portion 41 is about 45 mm. The height was about 11 mm.

SIMS分析によりGaN結晶40中に1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。また、GaN結晶40中に不純物レベルでナトリウムが含まれていたが、クラックやボイドの発生原因となるような金属ガリウム、金属ナトリウム、又はガリウムとナトリウムの合金等のインクルージョンはなかった。 By SIMS analysis, 10 14 to 10 15 cm −3 of sodium was detected in the GaN crystal 40. Further, although GaN crystal 40 contained sodium at an impurity level, there was no inclusion such as metal gallium, metal sodium, or an alloy of gallium and sodium that would cause cracks or voids.

(実施例3)
本実施例では、主面12が(0001)c面であり、フラックス法で製造したバルクGaN結晶を加工して製造したGaN基板から短冊状に切り出した結晶からなる種結晶50を用いた。当該GaN基板はフラックス法で自発核成長したGaN結晶を種結晶として大型化したバルク結晶から製造されたものである。
(Example 3)
In this example, a seed crystal 50 made of a crystal cut out in a strip shape from a GaN substrate manufactured by processing a bulk GaN crystal manufactured by a flux method was used. The GaN substrate is manufactured from a bulk crystal that is enlarged using a GaN crystal spontaneously grown by a flux method as a seed crystal.

このように製造されたバルクGaN基板は異種基板を使用せずに結晶成長するため、実施例2で示したHVPE製のGaN自立基板とは異なり、残留応力や反りが小さく局率半径が大きく、c軸やa軸がより揃っている。また、当該バルクGaN基板の主面12であるc面の転位密度は10cm−2以下であるのに対し、HVPE製の自立基板の転位密度は10cm−2程度であり、バルクGaN基板の転位密度はHVPE製の自立基板より4桁以上小さい値となる。 Since the bulk GaN substrate manufactured in this manner grows crystals without using a heterogeneous substrate, unlike the HVPE GaN free-standing substrate shown in Example 2, the residual stress and warpage are small and the locality radius is large. The c-axis and a-axis are more aligned. Moreover, the dislocation density of the c-plane which is the main surface 12 of the bulk GaN substrate is 10 2 cm −2 or less, whereas the dislocation density of the HVPE self-supporting substrate is about 10 6 cm −2 , and the bulk GaN The dislocation density of the substrate is 4 or more orders of magnitude smaller than that of a free-standing substrate made of HVPE.

本実施例では、このような高品質の結晶を種結晶50として使用するため、高品質のGaN結晶60を成長させることができた。短冊状の種結晶50はダイヤモンドペンで上記バルクGaN基板の裏面をa軸(m面)に沿って数回掛けがくことで容易に切り出すことができた。本実施例では、長手方向の長さが15mm、短手方向の長さ(幅)が0.8mmの種結晶50を4つ使用した。   In this example, since such a high-quality crystal was used as the seed crystal 50, a high-quality GaN crystal 60 could be grown. The strip-shaped seed crystal 50 could be easily cut out by hanging the back surface of the bulk GaN substrate several times along the a-axis (m-plane) with a diamond pen. In this example, four seed crystals 50 having a length in the longitudinal direction of 15 mm and a length (width) in the lateral direction of 0.8 mm were used.

次いで、第2の工程S2及び第3の工程S3について説明する。本実施例で使用した製造装置100は実施例1で用いたものと同様であり、結晶成長条件も同様であるので、以下実施例1と異なるところのみを説明する。本実施例では、反応容器102として内径92mmの純度99.99%のアルミナ製容器を使用した。4つの種結晶50を主面12((0001)c面)が上になるように且つ間隔をあけて設置した。原料の仕込み量については、ガリウムを165g、ナトリウムを127g入れ、ガリウムとナトリウムのモル比を0.3:0.7とした。また、カーボンを0.57g添加した。   Next, the second step S2 and the third step S3 will be described. Since the manufacturing apparatus 100 used in this example is the same as that used in Example 1 and the crystal growth conditions are the same, only the differences from Example 1 will be described below. In this example, an alumina container having an inner diameter of 92 mm and a purity of 99.99% was used as the reaction container 102. Four seed crystals 50 were placed with the main surface 12 ((0001) c plane) facing upward and spaced apart. Regarding the amount of raw material charged, 165 g of gallium and 127 g of sodium were added, and the molar ratio of gallium to sodium was set to 0.3: 0.7. Further, 0.57 g of carbon was added.

第2の工程S2及び第3の工程S3共に、温度及び圧力を実施例1と同じ結晶成長条件として、反応容器102内の温度を870℃、窒素ガス分圧を3MPaに保持して700時間結晶成長を継続させた。当該工程により得られたGaN結晶60は、実施例2と同様に、種結晶50(30)の長手方向に平行な2辺が長い六角形の底面23を有し、種結晶50の長手方向と垂直な断面が概ね三角形の形状を有する単結晶であった(図13及び図14参照)。GaN結晶40の上部41にはその長手方向に沿って僅かにくぼみ24が形成されていた。6つの斜面(主成長面21)は比較的平坦な{10−11}面であった。底面23は窒素極性面((000−1)c面)に形成されていた。底面23には微結晶25(図9参照)が付着していた。しかし、微結晶25は反応容器102の底面にその結晶成長が制限されたため僅かな量であった。底面23の略中央に種結晶50が位置していた。種結晶50にはクラック等は見られなかった。   In both the second step S2 and the third step S3, the temperature and pressure are set to the same crystal growth conditions as in Example 1, the temperature in the reaction vessel 102 is maintained at 870 ° C., the nitrogen gas partial pressure is maintained at 3 MPa, and crystallization is performed for 700 hours. Continued growth. Similar to Example 2, the GaN crystal 60 obtained by this process has a hexagonal bottom surface 23 having two long sides parallel to the longitudinal direction of the seed crystal 50 (30). The vertical cross section was a single crystal having a substantially triangular shape (see FIGS. 13 and 14). In the upper portion 41 of the GaN crystal 40, a slight recess 24 was formed along the longitudinal direction thereof. The six slopes (main growth surface 21) were {10-11} planes that were relatively flat. The bottom surface 23 was formed on a nitrogen polar surface ((000-1) c surface). Microcrystals 25 (see FIG. 9) were attached to the bottom surface 23. However, the amount of microcrystals 25 was small because the crystal growth was limited on the bottom surface of the reaction vessel 102. The seed crystal 50 was located approximately at the center of the bottom surface 23. No cracks or the like were found in the seed crystal 50.

結晶成長したGaN結晶20のサイズは、底面23の長手方向の長さが約47〜50mm、底面23の短手方向の長さ(幅)が約28〜30mm、上部41の長手方向の長さが約15mm、高さが約24〜26mmであった。   The size of the grown GaN crystal 20 is such that the length in the longitudinal direction of the bottom surface 23 is about 47 to 50 mm, the length (width) in the short direction of the bottom surface 23 is about 28 to 30 mm, and the length in the longitudinal direction of the upper portion 41. Was about 15 mm and the height was about 24-26 mm.

SIMS分析によりGaN結晶40中に1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。また、GaN結晶20中に不純物レベルでナトリウムが含まれていたが、クラックやボイドの発生原因となるような金属ガリウム、金属ナトリウム、又はガリウムとナトリウムの合金等のインクルージョンはなかった。 By SIMS analysis, 10 14 to 10 15 cm −3 of sodium was detected in the GaN crystal 40. Moreover, although GaN crystal 20 contained sodium at an impurity level, there was no inclusion such as metal gallium, metal sodium, or an alloy of gallium and sodium that would cause cracks or voids.

(実施例4)
以下に、実施例1、実施例2又は実施例3のように製造されたGaN結晶20,40,60を加工することにより、これらの{10−11}面又は{10−1−1}面を主面12とする半極性のGaN基板(13族窒化物結晶基板)を製造する例を示す。
Example 4
In the following, by processing the GaN crystals 20, 40, 60 manufactured as in Example 1, Example 2, or Example 3, these {10-11} planes or {10-1-1} planes An example of manufacturing a semipolar GaN substrate (a group 13 nitride crystal substrate) having the main surface 12 as a base material is shown.

図15〜図18は、本実施例におけるGaN基板73,74の製造過程を示している。本実施例では、実施例1で製造したGaN結晶20を使用してGaN基板73,74を製造した。図15は、実施例1に係るGaN結晶20の種結晶10の長手方向に垂直な断面を示している。   15 to 18 show the manufacturing process of the GaN substrates 73 and 74 in this embodiment. In this example, the GaN substrates 73 and 74 were manufactured using the GaN crystal 20 manufactured in Example 1. FIG. 15 shows a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the seed crystal 10 of the GaN crystal 20 according to the first embodiment.

先ず、GaN結晶20の長手方向の両脇部分を切断し、GaN結晶20を四角柱形状に成形する。次いで、図15中破線で示すように、四角柱形状に成形されたGaN結晶20を{10−11}面と平行にスライスすることにより、図16に示すような結晶71を製造した。当該結晶71のサイズは最大で約45×11mmであった。スライス前の結晶の表面を(10−11)面、スライス後に現れる裏面を(10−1−1)面と定義する。(10−11)面は窒素極性が優勢な半極性面であり、等価な結晶面として{10−11}と表記する。 First, both side portions in the longitudinal direction of the GaN crystal 20 are cut to form the GaN crystal 20 into a quadrangular prism shape. Next, as shown by a broken line in FIG. 15, a GaN crystal 20 formed into a quadrangular prism shape was sliced in parallel with the {10-11} plane, thereby producing a crystal 71 as shown in FIG. 16. The maximum size of the crystal 71 was about 45 × 11 mm 2 . The surface of the crystal before slicing is defined as the (10-11) plane, and the back surface that appears after slicing is defined as the (10-1-1) plane. The (10-11) plane is a semipolar plane in which the nitrogen polarity is dominant, and is expressed as {10-11} as an equivalent crystal plane.

次いで、図17に示すように、スライスして得られた結晶71を更に所望の大きさに成形した結晶72を製造した。当該結晶72の(10−11)面又は(10−1−1)面を研磨し、その後CMP処理を施した。このようにして、図18に示すように、(10−11)面又は(10−1−1)面を主面12とする四角形の半極性のGaN基板73,74を製造した。   Next, as shown in FIG. 17, a crystal 72 was produced by further shaping the crystal 71 obtained by slicing into a desired size. The (10-11) plane or (10-1-1) plane of the crystal 72 was polished and then subjected to CMP treatment. Thus, as shown in FIG. 18, square semipolar GaN substrates 73 and 74 having the (10-11) plane or the (10-1-1) plane as the main surface 12 were manufactured.

GaN基板73,74の断面を蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞75が観察された。成長縞75はGaN基板73,74の主面12である{10−11}面と平行に形成されていた。   When the cross sections of the GaN substrates 73 and 74 were observed with a fluorescence microscope, growth fringes 75 were observed. The growth stripes 75 were formed in parallel with the {10-11} plane which is the main surface 12 of the GaN substrates 73 and 74.

SIMS分析によりGaN基板73,74中に1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。また、GaN基板73,74中に不純物レベルでナトリウムが含まれていたが、クラックやボイドの発生原因となるような金属ガリウム、金属ナトリウム、又はガリウムとナトリウムの合金等のインクルージョンはなかった。 By SIMS analysis, 10 14 to 10 15 cm −3 of sodium was detected in the GaN substrates 73 and 74. Moreover, although GaN substrates 73 and 74 contained sodium at an impurity level, there was no inclusion of metal gallium, metal sodium, or an alloy of gallium and sodium that would cause cracks and voids.

(実施例5)
本実施例では、実施例2で製造したGaN結晶40に対して実施例4とは異なる切り出し方をすることにより、{20−21}面を主面12とする四角形の半極性のGaN基板を製造した。
(Example 5)
In this example, the GaN crystal 40 manufactured in Example 2 was cut out differently from Example 4, so that a square semipolar GaN substrate having a {20-21} plane as the main surface 12 was obtained. Manufactured.

図19〜図22は、本実施例におけるGaN基板83の製造過程を示している。本実施例では、実施例2で製造したGaN結晶40を使用してGaN基板83を製造した。図19は、実施例2に係るGaN結晶40の種結晶30の長手方向に垂直な断面を示している。   19 to 22 show the manufacturing process of the GaN substrate 83 in this embodiment. In this example, the GaN substrate 83 was manufactured using the GaN crystal 40 manufactured in Example 2. FIG. 19 shows a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the seed crystal 30 of the GaN crystal 40 according to the second embodiment.

先ず、GaN結晶40の長手方向の両脇部分を切断し、GaN結晶40を三角柱形状に成形する。次いで、図19中破線で示すように、三角柱形状に成形されたGaN結晶40を{20−21}面と平行にスライスすることにより、図20に示すような結晶81を製造した。当該結晶81のサイズは最大で約45×11mmであった。 First, both side portions in the longitudinal direction of the GaN crystal 40 are cut to form the GaN crystal 40 into a triangular prism shape. Next, as shown by a broken line in FIG. 19, the GaN crystal 40 formed into a triangular prism shape is sliced in parallel to the {20-21} plane, thereby producing a crystal 81 as shown in FIG. The maximum size of the crystal 81 was about 45 × 11 mm 2 .

次いで、図21に示すように、スライスして得られた結晶81を更に所望の大きさに成形した結晶82を製造した。当該結晶82の表面を研磨し、その後CMP処理を施した。このようにして、図22に示すように、(20−21)面を主面12とする四角形の半極性のGaN基板83を製造した。   Next, as shown in FIG. 21, a crystal 82 obtained by further shaping the crystal 81 obtained by slicing into a desired size was manufactured. The surface of the crystal 82 was polished and then subjected to CMP treatment. In this way, as shown in FIG. 22, a square semipolar GaN substrate 83 having the (20-21) plane as the main surface 12 was manufactured.

GaN基板83の断面を蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞85が観察された。成長縞85は{10−11}面と平行に形成されていた。   When the cross section of the GaN substrate 83 was observed with a fluorescence microscope, growth stripes 85 were observed. The growth stripes 85 were formed in parallel with the {10-11} plane.

SIMS分析によりGaN基板83中に1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。また、GaN基板83中に不純物レベルでナトリウムが含まれていたが、クラックやボイドの発生原因となるような金属ガリウム、金属ナトリウム、又はガリウムとナトリウムの合金等のインクルージョンはなかった。 By SIMS analysis, 10 14 to 10 15 cm −3 of sodium was detected in the GaN substrate 83. Further, although GaN substrate 83 contained sodium at an impurity level, there was no inclusion of metal gallium, metal sodium, or an alloy of gallium and sodium that would cause cracks or voids.

(実施例6)
本実施例では、実施例3で製造したGaN結晶60に対して実施例4及び実施例5とは異なる切り出し方をすることにより、{10−10}m面を主面12とする四角形の半極性のGaN基板93を製造した。
(Example 6)
In this example, the GaN crystal 60 manufactured in Example 3 was cut out differently from Example 4 and Example 5 to obtain a square half with a {10-10} m plane as the main surface 12. A polar GaN substrate 93 was manufactured.

図23〜図26は、本実施例におけるGaN基板93の製造過程を示している。本実施例では、実施例3で製造したGaN結晶60を使用してGaN基板93を製造した。図23は、実施例3に係るGaN結晶60の種結晶50の長手方向に垂直な断面を示している。   23 to 26 show the manufacturing process of the GaN substrate 93 in the present embodiment. In this example, the GaN substrate 93 was manufactured using the GaN crystal 60 manufactured in Example 3. FIG. 23 shows a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the seed crystal 50 of the GaN crystal 60 according to the third embodiment.

先ず、GaN結晶60の長手方向の両脇部分を切断し、GaN結晶60を三角柱形状に成形する。次いで、図23中破線で示すように、三角柱形状に成形されたGaN結晶60を{10−10}面と平行にスライスすることにより、図24に示すように、様々なサイズの結晶91を製造した。これらのうち最大の結晶91Aのサイズは約15×26mmであった。 First, both side portions in the longitudinal direction of the GaN crystal 60 are cut to form the GaN crystal 60 into a triangular prism shape. Next, as shown by a broken line in FIG. 23, a GaN crystal 60 formed into a triangular prism shape is sliced in parallel with the {10-10} plane, thereby producing crystals 91 of various sizes as shown in FIG. did. Among these, the size of the largest crystal 91A was about 15 × 26 mm 2 .

次いで、図25に示すように、スライスして得られた結晶91を更に所望の大きさに成形した結晶92を製造した。当該結晶92の表面を研磨し、その後CMP処理を施した。このようにして、図26に示すように、(10−10)面を主面12とする四角形の半極性のGaN基板93を製造した。   Next, as shown in FIG. 25, a crystal 92 was manufactured by further shaping the crystal 91 obtained by slicing into a desired size. The surface of the crystal 92 was polished and then subjected to CMP treatment. In this way, as shown in FIG. 26, a square semipolar GaN substrate 93 having the (10-10) plane as the main surface 12 was manufactured.

GaN基板93の断面を蛍光顕微鏡で観察すると、成長縞95が観察された。成長縞95は{10−11}面と平行に形成されていた。   When the cross section of the GaN substrate 93 was observed with a fluorescence microscope, growth fringes 95 were observed. The growth stripes 95 were formed in parallel with the {10-11} plane.

SIMS分析によりGaN基板93中に1014〜1015cm−3のナトリウムが検出された。また、GaN基板93中に不純物レベルでナトリウムが含まれていたが、クラックやボイドの発生原因となるような金属ガリウム、金属ナトリウム、又はガリウムとナトリウムの合金等のインクルージョンはなかった。 By SIMS analysis, 10 14 to 10 15 cm −3 of sodium was detected in the GaN substrate 93. Further, although GaN substrate 93 contained sodium at an impurity level, there was no inclusion of metal gallium, metal sodium, or an alloy of gallium and sodium that would cause cracks or voids.

10,30,50 種結晶
11 サファイア基板
12 主面
20,40,60 GaN結晶(13族窒化物結晶)
21 主成長面
22 上面
23 底面
24 くぼみ
25 微結晶
41 上部
71,72,81,82,91,92 結晶
73,74,83,93 GaN基板(13族窒化物結晶基板)
75,85,95 成長縞
100 (13族窒化物結晶の)製造装置
101 耐圧容器
102 反応容器
103 混合融液
104 内部空間
105 ガス供給管
106,107 圧力制御装置
108 窒素供給管
109 アルゴン供給管
110,111,113 バルブ
112 圧力計
115 ヒーター
10, 30, 50 Seed crystal 11 Sapphire substrate 12 Main surface 20, 40, 60 GaN crystal (Group 13 nitride crystal)
21 Main growth surface 22 Upper surface 23 Bottom surface 24 Recess 25 Microcrystal 41 Upper portion 71, 72, 81, 82, 91, 92 Crystal 73, 74, 83, 93 GaN substrate (Group 13 nitride crystal substrate)
75, 85, 95 Growth stripes 100 (Group 13 nitride crystal) production apparatus 101 Pressure vessel 102 Reaction vessel 103 Mixed melt 104 Internal space 105 Gas supply pipe 106,107 Pressure control device 108 Nitrogen supply pipe 109 Argon supply pipe 110 , 111, 113 Valve 112 Pressure gauge 115 Heater

国際公開2010/092736号International Publication No. 2010/092736 特開2005−12171号公報JP 2005-12171 A 特開2010−37153号公報JP 2010-37153 A

Claims (5)

13族窒化物がc軸配向して成長する結晶面を主面とする独立した種結晶であって、前記種結晶及び前記主面は、前記成長する13族窒化物のa軸方向を長手方向とする形状である種結晶を準備する第1の工程と、
前記種結晶をアルカリ金属と13族金属とを含む混合融液中に設置し、前記混合融液に窒素を溶解させることにより、前記主面に対してc軸方向への結晶成長を開始させる第2の工程と、
前記結晶成長に影響を与える結晶成長条件を調整することにより、13族窒化物結晶の主成長面が{10−11}面と平行になるように前記結晶成長を継続させる第3の工程と、
前記13族窒化物結晶を前記{10−11}面と平行にスライスする第4の工程と、を含み、
前記第3の工程で成長した前記13族窒化物結晶は、6つの{10−11}面と、c面の窒素極性面からなり前記6つの{10−11}面と接する六角形状の底面と、を有し、
前記6つの{10−11}面のうち対向する2つの面及び前記底面が、a軸方向に長い形状である
13族窒化物結晶の製造方法。
An independent seed crystal having a crystal plane on which a group 13 nitride grows with c-axis orientation as a main surface, wherein the seed crystal and the main surface are longitudinal in the a-axis direction of the group 13 nitride to be grown A first step of preparing a seed crystal having a shape of
The seed crystal is placed in a mixed melt containing an alkali metal and a group 13 metal, and nitrogen is dissolved in the mixed melt to start crystal growth in the c-axis direction with respect to the main surface. Two steps;
Adjusting the crystal growth conditions affecting the crystal growth, a third step of continuing the crystal growth so that the main growth surface of the group 13 nitride crystal is parallel to the {10-11} plane;
Slicing the group 13 nitride crystal parallel to the {10-11} plane ,
The group 13 nitride crystal grown in the third step is composed of six {10-11} planes and a hexagonal bottom surface in contact with the six {10-11} planes, which are c-plane nitrogen polar planes. Have
A method for producing a group 13 nitride crystal, wherein two opposing faces and the bottom face of the six {10-11} faces are long in the a-axis direction.
前記混合融液中の窒素の過飽和度が所定の範囲内となるように前記結晶成長条件を調整する
請求項1に記載の13族窒化物結晶の製造方法。
The method for producing a group 13 nitride crystal according to claim 1, wherein the crystal growth conditions are adjusted so that the degree of supersaturation of nitrogen in the mixed melt is within a predetermined range.
前記結晶成長条件には窒素分圧、前記混合融液の温度、及び前記混合融液中の前記アルカリ金属と前記13族金属との混合比率が含まれる
請求項2に記載の13族窒化物結晶の製造方法。
The group 13 nitride crystal according to claim 2, wherein the crystal growth conditions include a nitrogen partial pressure, a temperature of the mixed melt, and a mixing ratio of the alkali metal and the group 13 metal in the mixed melt. Manufacturing method.
前記第3の工程において、
前記窒素分圧を2〜3.5MPaとし、
前記混合融液の温度を860〜870℃とし、
前記アルカリ金属と前記13族金属との総モル数に対する前記アルカリ金属のモル数の比率を50〜80%とする
請求項3に記載の13族窒化物結晶の製造方法。
In the third step,
The nitrogen partial pressure is 2 to 3.5 MPa,
The temperature of the mixed melt is 860 to 870 ° C.,
The method for producing a group 13 nitride crystal according to claim 3, wherein a ratio of the number of moles of the alkali metal to the total number of moles of the alkali metal and the group 13 metal is 50 to 80%.
前記種結晶の主面は長方形状であり、
前記長方形状の短手方向の長さは1mm以下である
請求項1〜4のいずれか1項に記載の13族窒化物結晶の製造方法。
The main surface of the seed crystal is rectangular,
The method for producing a group 13 nitride crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein a length of the rectangular shape in a short direction is 1 mm or less.
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