JPH1160394A - Growth of nitride crystal and growth of gallium nitride - Google Patents

Growth of nitride crystal and growth of gallium nitride

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JPH1160394A
JPH1160394A JP9221628A JP22162897A JPH1160394A JP H1160394 A JPH1160394 A JP H1160394A JP 9221628 A JP9221628 A JP 9221628A JP 22162897 A JP22162897 A JP 22162897A JP H1160394 A JPH1160394 A JP H1160394A
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gan
nitride
flux
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily grow a nitride crystal of a group III element such as GaN, especially a large-size bulk crystal which is not conventionally obtd. SOLUTION: The growing method of the nitride crystal includes a process to house a nitride crystal powder (source material 6) and a liquid sealing material 5 in a cylinder 7 and to heat the source material and to pressurize it with a piston 3. The GaN crystal is grown by heating a flux and GaN crystal powder under pressure to melt the GaN in the flux, then cooling to grow the GaN crystal. In this method, the flux is heated to >=800 deg.C and the flux contains at least one or more of Ga, In, Pd, Sn, Bi and Na.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、III 族元素の窒化
物結晶、特にGaN、AlN、InN等の結晶を製造す
る方法に関するものである。
The present invention relates to a method for producing a nitride crystal of a group III element, particularly a crystal of GaN, AlN, InN or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化物結晶のバルク結晶を製造する方法
は、未だ確立されていない。研究開発レベルのものとし
て、たとえば、S.Porowskiらによって次の文献が発表さ
れている程度である。"Prospects for hig-pressure cr
ystal growth of III −V nitrides" S.Porowski, J.J
un, P.Perlin,I.Grzegory,H.Teisseyre and T.Suski In
st.Phys.Conf.Ser.No.137:Chapter4 Paper Presented at the 5th SiC and Related Materia
ls Conf.,Washington,DC,1993 この方法は、高温高圧下で金属Ga中に窒素ガスを溶解
させ、これを冷却してGaN結晶を成長させるもので、
これまでに5mm程度の結晶が得られている。
2. Description of the Related Art A method for producing a bulk crystal of a nitride crystal has not yet been established. At the research and development level, for example, the following literature has been published by S. Porowski et al. "Prospects for hig-pressure cr
ystal growth of III -V nitrides "S. Porowski, JJ
un, P. Perlin, I. Grzegory, H. Teisseyre and T. Suski In
st.Phys.Conf.Ser.No.137: Chapter4 Paper Presented at the 5th SiC and Related Materia
ls Conf., Washington, DC, 1993 This method dissolves nitrogen gas in metallic Ga under high temperature and pressure and cools it to grow a GaN crystal.
A crystal of about 5 mm has been obtained so far.

【0003】一方、適当なフラックスに、結晶成長させ
たい物質を溶解し、再析出させて結晶を成長させる方法
は、フラックス法として、酸化物結晶の成長等に適用さ
れている。最近、次のような新聞発表もされている(日
刊工業新聞1997.1.21)。すなわち、『東北大
学において、金属Gaとアジ化ナトリウム粉末をステン
レスチューブに入れ、密封した後、これを700℃で3
日間加熱することにより、原料が分解してできたナトリ
ウムをフラックスとして用いるフラックス法でGaN単
結晶を成長させたところ、成長した結晶は約1mmサイ
ズであった。』 一方、シリンダーに原料とする物質を収納し、これをピ
ストンで加圧しながら加熱成形する方法はホットプレス
と呼ばれ、セラミックス等の成形に一般的に用いられて
いる。
On the other hand, a method of dissolving a substance to be crystal-grown in an appropriate flux and reprecipitating the crystal to grow the crystal is applied as a flux method to the growth of an oxide crystal or the like. Recently, the following newspaper has been announced (Nikkan Kogyo Shimbun 1997.1.21). That is, “At Tohoku University, metal Ga and sodium azide powder were placed in a stainless steel tube, sealed, and then placed at 700 ° C. for 3 hours.
By heating for one day, a GaN single crystal was grown by a flux method using sodium produced by decomposition of the raw material as a flux, and the grown crystal was about 1 mm in size. On the other hand, a method of accommodating a material as a raw material in a cylinder and performing heat molding while pressurizing the material with a piston is called a hot press, and is generally used for molding ceramics and the like.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、GaNに代
表されるIII 族元素の窒化物結晶は、青色発光素子用の
材料として注目を集めている。素子を作成するために
は、基板の上に例えばGaN結晶等をエピタキシャル成
長させる必要がある。このエピタキシャル成長において
は、成長する結晶中に歪みが発生することを防止するた
めに、基板となる結晶の格子定数や熱膨張率は、その上
に成長する結晶と同一であることが理想的であるが、こ
れまで大型のGaN結晶を製造することができなかった
ために、やむなくサファイア基板などで代用してきた。
SUMMARY OF THE INVENTION A nitride crystal of a group III element represented by GaN has attracted attention as a material for a blue light emitting device. In order to produce an element, it is necessary to epitaxially grow, for example, a GaN crystal or the like on a substrate. In this epitaxial growth, it is ideal that the lattice constant and the coefficient of thermal expansion of the crystal serving as the substrate are the same as those of the crystal grown thereon, in order to prevent the occurrence of strain in the growing crystal. However, since a large GaN crystal could not be manufactured, a sapphire substrate or the like has been used instead.

【0005】GaNのバルク結晶成長の開発も進められ
ているようではあるが、GaNは融点が非常に高く、ま
た融解する以前に、昇華、分解しやすい傾向があるた
め、従来用いられてきた半導体等の結晶成長方法では、
大型の結晶を成長させることができず、いまのところ数
mm角という非常に小さな結晶が得られているだけで、
実用化にはほど遠い状況である。
Although the development of bulk crystal growth of GaN seems to be proceeding, GaN has a very high melting point, and tends to sublimate and decompose before melting, so that semiconductors conventionally used have been used. Crystal growth methods such as
Large crystals cannot be grown, and only very small crystals of a few mm square have been obtained so far.
The situation is far from practical use.

【0006】一方、上記したホットプレス法では、適当
なバインダーを用いることでAlNのような窒化物の圧
粉成形も可能であるが、いまだ単結晶を成長させること
はできてはいない。これは、窒化物結晶の融点が非常に
高く、かつ、融点に達する前に窒化物が分解して窒素が
原料から抜け出てしまうためである。
On the other hand, in the above-mentioned hot press method, compaction molding of a nitride such as AlN is possible by using an appropriate binder, but a single crystal has not yet been grown. This is because the melting point of the nitride crystal is very high, and the nitride decomposes before the melting point is reached, and nitrogen comes out of the raw material.

【0007】本発明は、前述のような従来技術の問題点
を解消し、GaN等のIII 族元素の窒化物結晶、特に、
これまで得られていなかった大型のバルク結晶を容易に
成長させることができる、新規な結晶成長方法を提案す
ることにある。
The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art and provides a nitride crystal of a group III element such as GaN, in particular,
It is an object of the present invention to propose a new crystal growth method capable of easily growing a large bulk crystal that has not been obtained.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物結晶の成
長方法は、シリンダー内に窒化物結晶粉末と液体封止材
を収容し、ピストンで加圧しながら加熱する工程を含む
ことを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a method for growing a nitride crystal, comprising the steps of: accommodating a nitride crystal powder and a liquid sealing material in a cylinder; I do.

【0009】また、窒化物の融液を作製した後、常圧、
常温に戻し窒化物の融液を凝固させるようにしてもよ
い。窒化物結晶粉末が融解する直前まで加熱し窒化物の
結晶を固相成長させるようにしてもよい。窒化物結晶粉
末が、予め圧粉成形されていてもよい。窒化物の出発原
料はinjection 法で合成されたGaN結晶粉末であるこ
とが好ましい。少なくとも液体封止材が融解するまで
は、原料粉末を真空中又は窒素雰囲気中に置くようにす
ることが好ましい。シリンダー内の窒化物原料中に温度
勾配を設けることが好ましい。窒化物原料中の低温側に
種結晶を配することが好ましい。結晶成長中に昇降圧ま
たは昇降温またはその両方を繰りかえすことが好まし
い。液体封止材にB2 3 、KCl又はNaClを用い
ることができる。窒化物結晶粉末を圧粉成形する際に、
バインダーとして窒化物結晶の構成元素を用いることが
できる。窒化物結晶粉末を圧粉成形する際に、バインダ
ーとしてOH基を含有する化合物を用いることができ
る。
Further, after a nitride melt is prepared,
The temperature may be returned to room temperature to solidify the nitride melt. Heating may be performed until just before the nitride crystal powder is melted, so that the nitride crystal is solid-phase grown. The nitride crystal powder may be pre-compacted. The starting material of the nitride is preferably a GaN crystal powder synthesized by an injection method. It is preferable that the raw material powder be placed in a vacuum or a nitrogen atmosphere at least until the liquid sealing material is melted. It is preferable to provide a temperature gradient in the nitride raw material in the cylinder. It is preferable to arrange a seed crystal on the low temperature side in the nitride raw material. It is preferable to increase / decrease the pressure and / or increase / decrease the temperature during the crystal growth. B 2 0 3 in the liquid encapsulant, KCl or NaCl can be used. When compacting nitride crystal powder,
As a binder, a constituent element of a nitride crystal can be used. When compacting the nitride crystal powder, a compound containing an OH group can be used as a binder.

【0010】本発明のGaN結晶の成長方法は、フラッ
クスとGaN結晶粉末とを加圧下で加熱し、GaNをフ
ラックスに溶解させた後、これを冷却してGaNの結晶
を成長させるGaN結晶の成長方法において、フラック
スの加熱温度を800℃以上とし、かつ、前記フラック
スには少なくともGa、In、Pb、Sn、Bi、Na
のいずれかーつ以上を含むことを特徴とする。
According to the method of growing a GaN crystal of the present invention, the flux and the GaN crystal powder are heated under pressure to dissolve the GaN in the flux, and then cooled to grow the GaN crystal. In the method, the heating temperature of the flux is 800 ° C. or more, and the flux contains at least Ga, In, Pb, Sn, Bi, and Na.
Or any one or more of the above.

【0011】また原料を800℃以上に加熱する前に、
GaN結晶粉末の表面が融解させたフラックスで完全に
覆われるように、GaN結晶粉末と融解したフラックス
とを十分に混合しておくことが好ましい。原料のGaN
結晶粉末は、injection 法で合成されたGaNとGaと
の混合物であることが好ましい。原料のGaNが溶解し
たフラックス中に温度勾配を設け、これを冷却して低温
側にGaN結晶を析出させることができる。フラックス
中に種結晶を配し、GaN結晶を種結晶上に析出させる
ことができる。フラックス上に液体封止剤を浮かべるこ
とが好ましい。加圧手段として窒素等の圧縮ガスを用い
ることができる。加圧手段としてシリンダーとピストン
とを用いることができる。
Before heating the raw material to 800 ° C. or higher,
It is preferable that the GaN crystal powder and the melted flux are sufficiently mixed so that the surface of the GaN crystal powder is completely covered with the melted flux. Raw material GaN
The crystal powder is preferably a mixture of GaN and Ga synthesized by the injection method. A temperature gradient is provided in the flux in which the raw material GaN is dissolved, and this is cooled to precipitate GaN crystals on the lower temperature side. A seed crystal is arranged in the flux, and a GaN crystal can be deposited on the seed crystal. It is preferable to float a liquid sealant on the flux. A compressed gas such as nitrogen can be used as the pressurizing means. A cylinder and a piston can be used as the pressurizing means.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態にかか
る窒化物結晶の成長方法及びGaN結晶の成長方法につ
いて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A method for growing a nitride crystal and a method for growing a GaN crystal according to an embodiment of the present invention will be described below.

【0013】(1) 本発明の実施の一形態の要点は、
原料の窒化物を加熱、加圧する際に、該窒化物の分解や
昇華を防ぐために、液体封止材を用いたことにある。
(1) The gist of one embodiment of the present invention is as follows.
When heating and pressurizing the nitride of the raw material, a liquid sealing material is used in order to prevent decomposition and sublimation of the nitride.

【0014】ホットプレス法の変形例として、HIP
(熱間等方プレス)法が知られている。これは、試料に
圧力を均一に加えるため、適当な圧媒を用いてホットプ
レスを行う方法である。HIPにおける圧媒には、試料
との離型性を重要視するため、ガスや試料と反応しない
ような別の粉体を用いるのが一般的であり、原料の分解
や昇華を抑える効果は無い。この点が、液体封止剤を用
いる本発明とは異なる点である。一方、本実施の形態に
おける液体封止剤は、圧媒としても働くため、窒化物原
料の加圧が等方的に行え、均質な結晶を成長させること
ができる。
As a modification of the hot pressing method, HIP
(Hot isostatic pressing) method is known. This is a method in which hot pressing is performed using an appropriate pressure medium in order to uniformly apply pressure to a sample. For the pressure medium in the HIP, in order to emphasize the releasability from the sample, it is common to use another powder that does not react with the gas or the sample, and there is no effect of suppressing the decomposition and sublimation of the raw material. . This is a point different from the present invention using a liquid sealant. On the other hand, since the liquid sealant in the present embodiment also functions as a pressure medium, it is possible to pressurize the nitride raw material isotropically and grow a uniform crystal.

【0015】窒化物の出発原料として、injection 法で
作製したGaN結晶粉末を使用することができる。この
方法により作製された粉末が、粒径が細かく揃ってい
て、かつ高純度であるため、加圧した際に圧力が等方的
に加わりやすく、均質で高純度な結晶が成長できるから
である。またinjection 法では、GaN粉末を容易かつ
安価に、大量に得ることができるため、GaN単結晶の
製造コストを低減するのにも有効である。
As a starting material of the nitride, a GaN crystal powder produced by an injection method can be used. This is because the powder produced by this method has a uniform particle size and high purity, so that when pressure is applied, the pressure is easily applied isotropically, and a uniform and high-purity crystal can be grown. . In addition, in the injection method, a large amount of GaN powder can be obtained easily and inexpensively, which is effective in reducing the production cost of GaN single crystals.

【0016】バインダーとして、窒化物結晶の構成元素
を用いることができる。例えば、GaNの結晶成長であ
れば、GaN粉末に少量の金属Gaを加えてよく混ぜ合
わせ、これを出発原料として結晶成長を行うことが好ま
しい。これは、成長した結晶の純度を保つための手段で
ある。この意味からして、バインダーには不純物となる
ような成分を含んだものは使用しないことが望ましい。
上記以外のバインダーとして、OH基を含むものを使用
することができる。OH基を含むバインダー(例えばポ
リビニルアルコール)が、高温下で液体封止材であるB
2 3 やKClに吸収されやすく、不純物の汚染源にな
りにくいからである。
As a binder, a constituent element of a nitride crystal can be used. For example, in the case of crystal growth of GaN, it is preferable to add a small amount of metal Ga to GaN powder and mix well, and then use this as a starting material for crystal growth. This is a means for maintaining the purity of the grown crystal. In this sense, it is desirable not to use a binder containing a component that becomes an impurity.
As a binder other than the above, a binder containing an OH group can be used. A binder containing an OH group (for example, polyvinyl alcohol) is used as a liquid sealing material at a high temperature.
2 0 3 and easily absorbed in KCl, it is not easily become a source of contamination of impurities.

【0017】液体封止材として、B2 3 やKCl、N
aClを用いるのは、高温においても安定で、原料やシ
リンダー、ピストンと反応しないからである。
[0017] Liquid encapsulant, B 2 0 3 and KCl, N
The reason for using aCl is that it is stable even at high temperatures and does not react with the raw materials, cylinders and pistons.

【0018】液体封止材が融解するまで、原料粉末を真
空中に置くことが好ましい。原料の粉体粒子間に存在し
ているガスを抜き、成長結晶中や液体封止剤中に気泡を
作らないためである。また、同じく窒素中に置くことが
好ましい。原料の粉体中に窒素ガスを入れ、これを原料
融液中に溶かし込んで窒化物を少しでも合成させるため
である。
Preferably, the raw powder is placed in a vacuum until the liquid encapsulant melts. This is because the gas existing between the powder particles of the raw material is vented and bubbles are not formed in the grown crystal or the liquid sealant. It is also preferable to place the same in nitrogen. This is because a nitrogen gas is put into the raw material powder, and this is dissolved in the raw material melt to synthesize a nitride as much as possible.

【0019】原料中に温度勾配を設けることが好まし
い。結晶の成長方向を低温側から高温側への一方向に限
定し、大型で均質な単結晶を成長させるためである。低
温側に種結晶を配する場合も同様の目的である。
It is preferable to provide a temperature gradient in the raw material. This is because the crystal growth direction is limited to one direction from the low temperature side to the high temperature side, and a large and uniform single crystal is grown. The same purpose is applied to the case where a seed crystal is arranged on the low temperature side.

【0020】原料の高さを、直径よりも大きくすること
が好ましい。結晶成長中における原料内の温度勾配が径
方向よりも長手方向に大きくなるようにして、これによ
り上記した一方向への結晶成長が起きやすくするためで
ある。
It is preferable that the height of the raw material is larger than the diameter. This is because the temperature gradient in the raw material during the crystal growth is made larger in the longitudinal direction than in the radial direction, whereby the crystal growth in the above-described one direction is more likely to occur.

【0021】昇降圧や昇降温を繰り返し加えるようにし
てもよい。こうすることで窒化物結晶の核を析出させ、
再融解を生ぜしめ、選択的に優勢な成長核を残して、大
型の窒化物単結晶粒を成長させるためである。
It is also possible to repeatedly raise and lower the pressure and raise and lower the temperature. This precipitates nitride crystal nuclei,
This is because re-melting is caused, and large nitride single crystal grains are grown while leaving selectively dominant growth nuclei.

【0022】(2) 本発明の実施の他の形態の要点
は、フラックス法における溶質となる原料に、GaN自
体の粉末を用い、これが昇華、分解しないように、あら
かじめ原料粉末の表面をフラックスで覆ったことにあ
る。
(2) The essential point of another embodiment of the present invention is that a powder of GaN itself is used as a raw material to be a solute in a flux method, and the surface of the raw material powder is previously fluxed so as not to be sublimated or decomposed. I covered it.

【0023】フラックス法の原料に、成長させようとす
る結晶の粉末を用いることは、一見自明であり、また酸
化物結晶のフラックス法による結晶成長では一般的に行
われている方法でもある。しかし、GaNの結晶成長で
は、GaN自体を原料に用いたフラックス法は、これま
で行われたという報告はない。その理由としては、第一
にGaNの結晶粉末を作製すること自体が難しく原料の
入手が困難であったこと、第二に、粉末原料は密度が低
くフラックスに浮きやすく、表面がフラックスで濡れに
くく、結果としてフラックスに溶解しにくいことが挙げ
られる。なお、原料粉末の粒径を上げれば、溶解し易く
なると考えられるが、いまのところ簡便に粒径の大きな
GaN結晶を入手する方法は報告されていないのが現状
である。
The use of crystal powder to be grown as a raw material for the flux method is apparent at first glance, and it is also a commonly used method for crystal growth of oxide crystals by the flux method. However, in the crystal growth of GaN, there has been no report that a flux method using GaN itself as a raw material has been performed so far. The reasons are as follows: first, it was difficult to prepare the GaN crystal powder itself, and it was difficult to obtain the raw material. Second, the powder raw material had low density and was easily floated on the flux, and the surface was hardly wet by the flux. As a result, it is difficult to dissolve in the flux. It is believed that increasing the particle size of the raw material powder makes it easier to dissolve it. However, at present, there is no report on how to easily obtain a GaN crystal having a large particle size.

【0024】しかし、最近になって、injection 法とい
うGaNの粉末合成法が開発された。このGaNの粉末
合成方法を、本願発明者が鋭意検討した結果、本方法に
よれば、GaNの粉末を簡便に作製でき、上述の第一の
問題は解決された。また、injection 法では、GaN粉
末が金属Ga中に分散したものが得られ、これを原料に
用い、Gaをフラックスとして用いると、第二の問題で
ある粉末の濡れ性の問題も解決できることが判明した。
さらに、検討を重ねた結果、injection 法以外の方法,
例えば、塩化ガリウムとアンモニアガスを高温で反応さ
せる方法で作製したGaN粉末でも、あらかじめ融解し
たGaとよく混ぜ合わせ表面をフラックスで覆っておけ
ば、昇華や分解が問題にならない程度に抑えられること
がわかった。また、この効果は、フラックスにGaを用
いたときだけばかりでなく,In、Pb、Sn、Bi、
Naの少なくとも1つを含むフラックスを用いたときに
も認められた。
However, recently, a powder synthesis method of GaN called an injection method has been developed. As a result of intensive studies by the present inventor on the GaN powder synthesis method, according to the present method, the GaN powder can be easily produced, and the first problem described above has been solved. In addition, in the injection method, GaN powder dispersed in metallic Ga was obtained. It was found that using this as a raw material and using Ga as a flux could solve the second problem of powder wettability. did.
Furthermore, as a result of repeated studies, methods other than the injection method,
For example, GaN powder produced by a method of reacting gallium chloride and ammonia gas at a high temperature can be suppressed to such an extent that sublimation and decomposition do not become a problem if they are mixed well with molten Ga in advance and the surface is covered with flux. all right. This effect can be obtained not only when Ga is used for the flux but also for In, Pb, Sn, Bi,
It was also observed when a flux containing at least one of Na was used.

【0025】本実施の形態においては、GaNの成長を
800℃以上の温度で行うのは、800℃を境にして、
GaNの結晶成長のモードが変わるためである。
In this embodiment, the growth of GaN at a temperature of 800 ° C. or more is performed at a temperature of 800 ° C.
This is because the mode of GaN crystal growth changes.

【0026】すなわち、フラックスに溶解するGaNの
量は、フラックス温度が高いほど多くなり、従って、結
晶成長を効率よく行うためには、成長温度は高い方がよ
い。フラックスへのGaNの溶解度は、温度に対して連
続的に変化するため、800℃を境に溶解量が変化する
わけではないが、800℃以下の温度でGaNの結晶成
長を行おうとすると、溶解したGaNは未溶解のGaN
粉末表面だけに再析出し、圧力や冷却時間によらず、大
きな結晶を成長することができないことがわかった。
In other words, the amount of GaN dissolved in the flux increases as the flux temperature increases. Therefore, in order to perform crystal growth efficiently, the higher the growth temperature, the better. Since the solubility of GaN in the flux changes continuously with respect to temperature, the amount of dissolution does not change at a temperature of 800 ° C., but if the GaN crystal grows at a temperature of 800 ° C. or less, the dissolution rate becomes higher. GaN is undissolved GaN
It was found that it re-precipitated only on the powder surface and that large crystals could not be grown irrespective of the pressure and cooling time.

【0027】一方、800℃以上の温度であれば、未溶
解粉末上に析出は見られるものの、フラックスの低温部
で新しい結晶核も成長し、結果的にGaN単結晶を大き
く成長させる糸口が得られることがわかった。
On the other hand, at a temperature of 800 ° C. or higher, although precipitation is observed on the undissolved powder, new crystal nuclei also grow in the low temperature portion of the flux, and consequently a clue for growing GaN single crystals greatly is obtained. I knew it could be done.

【0028】なお、800℃近くの低温では、大型の結
晶を成長させることは難しいが、フラックス中に温度勾
配をつけ、長時間かけて温度差法で結晶を成長させれ
ば、不可能ではない。
At a low temperature near 800 ° C., it is difficult to grow a large crystal, but it is not impossible if a temperature gradient is provided in the flux and the crystal is grown by the temperature difference method over a long time. .

【0029】GaNの原料粉末表面にフラックスをなじ
ませる作業は、800℃よりも低い温度で行う必要があ
る。これは、800℃を超えると、GaNの昇華や分解
が始まるためである。従って、フラックスとして用いる
材料は、融点が800℃以下である必要がある。
The work of adjusting the flux to the surface of the GaN raw material powder needs to be performed at a temperature lower than 800 ° C. This is because when the temperature exceeds 800 ° C., sublimation or decomposition of GaN starts. Therefore, the material used as the flux needs to have a melting point of 800 ° C. or less.

【0030】フラックスとして用いる材料は、融点が8
00℃以下であるという条件の他に、GaNを溶解する
ことができると同時に、GaNと反応して別の化合物を
生成することがない材料を選ぶ必要がある。例えばアル
ミニウムなどは、前者の条件は満たすもののGaNと反
応してAlNを生成してしまうため、フラックスとして
利用することはできない。また、GaN結晶成長用のフ
ラックスとしては、GaNを溶解させるのに十分な高温
でも分解したりすることがなく、安定である必要もあ
る。
The material used as the flux has a melting point of 8
In addition to the condition that the temperature is not higher than 00 ° C., it is necessary to select a material that can dissolve GaN and that does not react with GaN to generate another compound. For example, although aluminum or the like satisfies the former condition, it reacts with GaN to generate AlN and cannot be used as a flux. Further, the flux for growing the GaN crystal needs to be stable without being decomposed even at a high temperature enough to dissolve GaN.

【0031】フラックスとしてGaにBiを混ぜたもの
を使用することができる。こうすることでGaNの結晶
成長時に、析出核の発生密度が抑制されて、単結晶の歩
留りが向上するという利点がある。
As a flux, a mixture of Ga and Bi can be used. By doing so, there is an advantage that the generation density of precipitation nuclei is suppressed during the crystal growth of GaN, and the yield of single crystals is improved.

【0032】フラックスの加圧を窒素等の圧縮ガスで行
うことができる。特に加圧ガスを窒素とすると、フラッ
クスに溶解しているGaNの分解、脱離を抑制すること
ができる。
The pressurization of the flux can be performed with a compressed gas such as nitrogen. In particular, when the pressurized gas is nitrogen, decomposition and desorption of GaN dissolved in the flux can be suppressed.

【0033】フラックスからのGaNの脱離や、フラッ
クス自体の蒸発を抑えるためには、フラックスの表面を
液体封止剤で覆った上で加圧することが好ましい。この
場合の加圧ガスは、液体封止剤や装置の構成材料と反応
して不具合を引き起こさない性質のガスであれば種類は
問わない。もちろん、ピストン等で機械的に加圧するこ
とも可能である。
In order to suppress desorption of GaN from the flux and evaporation of the flux itself, it is preferable to apply pressure after covering the surface of the flux with a liquid sealant. The type of the pressurized gas in this case is not limited as long as it reacts with the liquid sealant or the constituent materials of the device and does not cause a problem. Of course, it is also possible to pressurize mechanically with a piston or the like.

【0034】[0034]

【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0035】(実施例1)本発明の一実施例として、図
1に示すような構成の装置を用いて、GaNの結晶成長
を行った例を示す。本実施例は液体封止剤を用いるもの
である。
(Example 1) As an example of the present invention, an example in which a GaN crystal was grown using an apparatus having a configuration as shown in FIG. 1 will be described. This embodiment uses a liquid sealant.

【0036】本装置は、ステンレス製の水冷筐体2の内
部に組まれている。水冷筐体2の底面には受け台9が設
置され、この受け台9上にはシリンダー7が載置されて
いる。シリンダー7の外周にはヒータ4、断熱材8が設
置されている。シリンダー7の上端にはピストン3が摺
動自在に嵌合されている。このピストン3は油圧シリン
ダー(図示せず)に連結された押棒1により上下させら
れ、シリンダー7内に配置された原料6を加圧すること
ができるようになっている。なお、シリンダー7、ピス
トン3、受け台9、ヒータ4、断熱材8は高純度グラフ
ァイトで作製されている。
This device is assembled inside a water-cooled casing 2 made of stainless steel. A receiving stand 9 is provided on the bottom surface of the water-cooled casing 2, and a cylinder 7 is mounted on the receiving stand 9. A heater 4 and a heat insulating material 8 are provided on the outer periphery of the cylinder 7. The piston 3 is slidably fitted to the upper end of the cylinder 7. The piston 3 is moved up and down by a push rod 1 connected to a hydraulic cylinder (not shown) so as to pressurize a raw material 6 disposed in a cylinder 7. The cylinder 7, the piston 3, the pedestal 9, the heater 4, and the heat insulating material 8 are made of high-purity graphite.

【0037】シリンダー7は内径10mm、高さ60m
mの円筒形であり、その内部に原料6としてinjection
法で作製したGaN結晶粉末を10gと液体封止剤5と
してのB2 3 を2g入れた。GaN結晶粉末とB2
3 とは、それぞれ乳鉢で十分すりつぶして、粒径を細か
くし、シリンダー7に入れる際は、B2 3 がGaN結
晶粉末の周囲を覆うように配置した。粉末の原料6は体
積が増えているため、シリンダー7内に一度に全量を入
れることが難しいので、原料のチャージの途中で、原料
6をピストン3を使って圧縮しながら、数度に分けてチ
ャージを行った。
The cylinder 7 has an inner diameter of 10 mm and a height of 60 m.
m as a cylindrical material, in which injection 6
10 g of the GaN crystal powder produced by the method and 2 g of B 2 O 3 as the liquid sealant 5 were added. GaN crystal powder and B 2 0
No. 3 was sufficiently ground in a mortar to reduce the particle size, and when placed in the cylinder 7, B 2 O 3 was arranged so as to cover the periphery of the GaN crystal powder. Since the volume of the powdered raw material 6 is increased, it is difficult to put the whole amount in the cylinder 7 at one time. During the charging of the raw material 6, the raw material 6 is compressed by using the piston 3 and divided into several degrees. Charged.

【0038】原料6をチャージした装置の筐体2内を、
雰囲気ガス置換用バルブ10を介して1×10-2tor
rまで減圧し、原料6の粉末内のガスを抜いた。この状
態で、原料にピストン3を使って4ton/cm2 の圧
力を加え、かつ、ヒータ4を用いて2200℃まで加熱
した。原料6の加圧、加熱を3時間行ったのち、ヒータ
温度を600℃まで2℃/minの割合で下げ、ピスト
ン3での加圧を解除し、さらに室温まで冷却して試料を
取り出した。
The inside of the housing 2 of the device charged with the raw material 6 is
1 × 10 -2 torr via atmosphere gas replacement valve 10
Then, the pressure in the powder of the raw material 6 was released. In this state, a pressure of 4 ton / cm 2 was applied to the raw material using the piston 3 and the raw material was heated to 2200 ° C. using the heater 4. After pressurizing and heating the raw material 6 for 3 hours, the heater temperature was lowered to 600 ° C. at a rate of 2 ° C./min, the pressurization at the piston 3 was released, and the sample was taken out after cooling to room temperature.

【0039】取り出したシリンダー7内には、融解した
GaNがゆっくり凝固してできたと思われる粒径の大き
なGaN単結晶があり、その周囲には金属Gaを含むG
aNの多結晶層があって、さらにその外周全面を薄いB
2 3 の被膜が覆っていた。GaN単結晶粒の大きさ
は、直径7mm、高さ16mmの六角柱状であった。
In the cylinder 7 taken out, there is a GaN single crystal having a large particle diameter, which is considered to be formed by slowly solidifying the melted GaN.
aN polycrystalline layer, and furthermore, a thin B
2 0 3 of the coating was covered. The size of the GaN single crystal grain was a hexagonal prism having a diameter of 7 mm and a height of 16 mm.

【0040】(実施例2)本発明の他の実施例として、
実施例1と同じ装置を用いて、次のようなGaNの結晶
成長を行った。本実施例も液体封止剤を用いるものであ
る。
(Embodiment 2) As another embodiment of the present invention,
Using the same apparatus as in Example 1, the following GaN crystal growth was performed. This embodiment also uses a liquid sealant.

【0041】シリンダー7の内壁およびピストン3と受
け台9の端面に、融解したB2 3を薄く塗布したもの
を準備した。次に、injection 法で作製したGaN粉末
10gと金属Ga0.5gを30℃に加熱してGaを融
解させた状態でよく混ぜ合わせ、これをプレス機で圧縮
して、直径9mm高さ22mmの円盤状に予備成形し
た。予備成形した原料6を、シリンダー7内にセット
し、窒素雰囲気中で650℃まで加熱して液体封止剤5
であるB2 3 を軟化させた状態で、ピストン3を用い
て原料6に4ton/cm2 の圧力を加えた。さらに、
この状態で原料を2200℃まで加熱し、3時間放置し
た。これ以降は、実施例1と同様に原料の冷却を行い、
実施例1と同程度の粒径のGaN単結晶を得た。
A thin coating of melted B 2 O 3 was prepared on the inner wall of the cylinder 7 and the end faces of the piston 3 and the pedestal 9. Next, 10 g of the GaN powder produced by the injection method and 0.5 g of metallic Ga were mixed well while heating to 30 ° C. to melt the Ga, and the mixture was compressed by a press to form a disk having a diameter of 9 mm and a height of 22 mm. Preformed into a shape. The preformed raw material 6 is set in a cylinder 7 and heated to 650 ° C. in a nitrogen atmosphere to form a liquid sealant 5.
In a state where B 2 O 3 was softened, a pressure of 4 ton / cm 2 was applied to the raw material 6 using the piston 3. further,
In this state, the raw material was heated to 2200 ° C. and left for 3 hours. Thereafter, the raw material is cooled in the same manner as in Example 1,
A GaN single crystal having a particle size similar to that of Example 1 was obtained.

【0042】(実施例3)本発明の他の実施例として、
実施例1と同じ装置を用いて、次のようなGaNの結晶
成長を行った。本実施例も液体封止剤を用いるものであ
る。
(Embodiment 3) As another embodiment of the present invention,
Using the same apparatus as in Example 1, the following GaN crystal growth was performed. This embodiment also uses a liquid sealant.

【0043】シリンダー7の内部に、原料6としてinje
ction 法で作製したGaN結晶粉末を10gと液体封止
剤5としてB2 3 を2g入れた。GaN粉末をシリン
ダーに入れる際は、B2 3 がGaN粉末の周囲を覆う
ように配置した。
In the cylinder 7, as raw material 6, inje
10 g of the GaN crystal powder produced by the ction method and 2 g of B 2 O 3 as the liquid sealant 5 were added. When the GaN powder was put into the cylinder, B 2 O 3 was arranged so as to cover the periphery of the GaN powder.

【0044】原料をチャージした装置の水冷筐体2内
を、雰囲気ガス置換用バルブ10を介して1×10-2
orrまで減圧し、原料6の粉末内のガスを抜いた。こ
の状態で、原料にピストン3を使って100ton/c
2 の圧力を加え、かつ、ヒータ4を用いて1900℃
まで加熱した。原料の加圧、加熱をしながら48時間放
置した後、ヒータ温度を600℃まで20℃/minの
割合で下げ、ピストンでの加圧を解除し、さらに室温ま
で冷却して試料を取り出した。
The inside of the water-cooled casing 2 of the apparatus charged with the raw material is passed through the atmosphere gas replacement valve 10 to 1 × 10 -2 t.
The pressure in the powder of the raw material 6 was released by reducing the pressure to orr. In this state, using the piston 3 for the raw material, 100 ton / c
m 2 , and 1900 ° C. using heater 4
Until heated. After the raw material was left for 48 hours while being pressurized and heated, the heater temperature was lowered to 600 ° C. at a rate of 20 ° C./min, the pressurization by the piston was released, and the sample was taken out after cooling to room temperature.

【0045】取り出したシリンダー内には、GaNの結
晶粒が固相成長してできたと思われる粒径の大きなGa
N単結晶がいくつかあり、その周囲には比較的粒径の細
かいGaNの多結晶層があって、さらに、その外周全面
を薄いB2 3 の被膜が覆っていた。GaN単結晶の形
は特に定まっておらず、大きさは最も大きなもので、直
径6mm、高さ10mm程度であった。
In the taken-out cylinder, a Ga particle having a large particle diameter, which is considered to have been formed by solid phase growth of GaN crystal grains, was used.
N single crystal are several, at its periphery there is a relatively grain size fine GaN polycrystal layer, further, the outer periphery entire thin B 2 0 3 coatings were covered. The shape of the GaN single crystal is not particularly defined, and has the largest size, about 6 mm in diameter and about 10 mm in height.

【0046】(実施例4)本発明の他の実施例として、
実施例1と同じ装置を用いて、次のようなGaNの結晶
成長を行った。本実施例も液体封止剤を用いるものであ
る。
(Embodiment 4) As another embodiment of the present invention,
Using the same apparatus as in Example 1, the following GaN crystal growth was performed. This embodiment also uses a liquid sealant.

【0047】シリンダー7の内部に、原料6としてinje
ction 法で作製したGaN結晶粉末を10gと液体封止
剤5としてB2 3 を2g入れた。GaN粉末をシリン
ダー7に入れる際は、B2 3 がGaN粉末の周囲を覆
うように配置した。
In the cylinder 7, as raw material 6, inje
10 g of the GaN crystal powder produced by the ction method and 2 g of B 2 O 3 as the liquid sealant 5 were added. When loading GaN powder the cylinder 7, B 2 0 3 is arranged so as to cover the periphery of the GaN powder.

【0048】原料をチャージした装置の水冷筐体2内
を、雰囲気ガス置換用バルブ10を介して1×10-2
orrまで減圧し、原料6の粉末内のガスを抜いた。こ
の状態で、原料にピストン3を使って10ton/cm
2 の圧力を加え、かつ、ヒータ4を用いて2200℃ま
で加熱した。原料の加圧、加熱を3時間行った後、ヒー
タ温度を2000℃まで下げ30分放置し、さらに加圧
荷重を9.5ton/cm2 に下げ、かつ、ヒータ温度
を2100℃に上げて30分放置し、その後、ヒータ温
度を2000℃に下げ、加圧荷重を10ton/cm2
に上げるというサイクルを5回繰り返し、最後にヒータ
温度を600℃まで2℃/minの割合で下げ、ピスト
ンによる加圧を解除し、さらに室温まで冷却して試料を
取り出した。
The inside of the water-cooled casing 2 of the apparatus charged with the raw material is passed through the atmosphere gas replacement valve 10 to 1 × 10 -2 t.
The pressure in the powder of the raw material 6 was released by reducing the pressure to orr. In this state, 10 ton / cm
2 and a heater 4 was used to heat to 2200 ° C. After pressurizing and heating the raw materials for 3 hours, lower the heater temperature to 2000 ° C. and leave it for 30 minutes, further reduce the pressing load to 9.5 ton / cm 2 , and raise the heater temperature to 2100 ° C. for 30 minutes. After that, the heater temperature was lowered to 2000 ° C., and the pressure load was reduced to 10 ton / cm 2.
Was repeated 5 times. Finally, the heater temperature was lowered to 600 ° C. at a rate of 2 ° C./min, the pressurization by the piston was released, and the sample was taken out after cooling to room temperature.

【0049】取り出したシリンダー内には、融解したG
aNがゆっくり凝固してできたと思われる粒径の大きな
GaN単結晶があり、その周囲には金属Gaを含むGa
Nの多結晶層がほんのわずかあって、さらにその外周全
面を薄いB2 3 の被膜が覆っていた。GaN単結晶粒
の大ききは、直径8mm、高さ18mmの六角柱状であ
った。
In the removed cylinder, the melted G
There is a GaN single crystal having a large particle diameter, which is thought to be formed by slow solidification of aN, and Ga surrounding metal Ga
Polycrystalline layer is a few of N, the outer peripheral entire thin B 2 0 3 coating had covered further. The size of the GaN single crystal grain was a hexagonal prism having a diameter of 8 mm and a height of 18 mm.

【0050】(実施例5)本発明の他の実施例として、
図2に示すような構成の装置を用いて、GaNの結晶成
長を行った例を示す。本実施例も液体封止剤を用いるも
のである。
(Embodiment 5) As another embodiment of the present invention,
An example in which GaN crystal growth is performed using an apparatus having a configuration as shown in FIG. 2 will be described. This embodiment also uses a liquid sealant.

【0051】本装置は、図1に示す装置とほぼ同様な構
成であるが、原料を加熱するヒータを上部ヒータ13と
下部ヒータ14に分け、原料6中に図中上下方向の温度
勾配を設けることができるようにした点に相違がある。
原料中で温度勾配をつけやすくするために、受け台9は
水冷構造とした。
This apparatus has substantially the same configuration as the apparatus shown in FIG. 1, except that the heater for heating the raw material is divided into an upper heater 13 and a lower heater 14, and a vertical temperature gradient is provided in the raw material 6 in the figure. There is a difference in what we can do.
The pedestal 9 had a water-cooled structure in order to facilitate the temperature gradient in the raw material.

【0052】高純度グラファイト製のシリンダー7の底
部に、前記実施例と同様な方法により作製したGaN単
結晶を整形し、種結晶11として配置した。その上に、
原料6としてinjection 法で作製したGaN結晶粉末を
10gを乗せた。液体封止剤5としてのB2 3 を2
g、GaN種結晶と粉末原料の周囲を覆うように配置し
た。
A GaN single crystal produced by the same method as in the above embodiment was shaped at the bottom of a cylinder 7 made of high-purity graphite and placed as a seed crystal 11. in addition,
As a raw material 6, 10 g of a GaN crystal powder produced by an injection method was placed. The B 2 0 3 as a liquid sealant 5 2
g, a GaN seed crystal and a powder material were arranged so as to cover the periphery thereof.

【0053】原料をチャージした装置の筐体2内を、雰
囲気ガス置換用バルブ10を介して1×10-2torr
まで減圧し、原料6の粉末内のガスを抜いた。この状態
で、原料にピストン3を使って10ton/cm2 の圧
力を加え、かつ、ヒータ14を用いて原料の上方を22
00℃に、ヒータ13を用いて原料の下方を2000℃
に加熱した。原料粉末が完全に融解するまで、この状態
で3時間放置したのち、ヒータ温度をそれぞれ1800
℃、1600℃まで0.5℃/minの割合で下げ、そ
の後はそれぞれ80O℃、600℃まで10℃/min
の割合で下げて、ピストンでの加圧を解除し、さらに室
温まで冷却して試料を取り出した。
The inside of the housing 2 of the apparatus charged with the raw material is passed through the atmosphere gas replacement valve 10 to 1 × 10 −2 torr.
The pressure in the powder of the raw material 6 was released. In this state, a pressure of 10 ton / cm 2 is applied to the raw material using the piston 3, and the upper part of the raw material is
2000 ° C. below the raw material using a heater 13
Heated. After being left in this state for 3 hours until the raw material powder is completely melted, the heater temperature was set to 1800
C. to 1600 ° C. at a rate of 0.5 ° C./min.
, The pressure with the piston was released, and the sample was taken out after cooling to room temperature.

【0054】取り出したシリンダー内には、融解したG
aNが種結晶上に成長してできたと思われるGaN単結
晶があり、その外周全面を薄いB2 3 の被膜が覆って
いた。GaN単結晶は、直径10mm、高さ20mmの
円柱状であった。
In the removed cylinder, the melted G
There was a GaN single crystal which seems to be formed by growing aN on the seed crystal, and the entire outer periphery was covered with a thin B 2 O 3 film. The GaN single crystal was cylindrical with a diameter of 10 mm and a height of 20 mm.

【0055】なお、実施例1〜5においては、液体封止
材としては、B2 3 やKCl、NaClの他に、Ba
Cl2 やCaCl2 なども用いることができる。
[0055] In Examples 1-5, the liquid encapsulant, B 2 0 3 and KCl, other NaCl, Ba
Cl 2 or CaCl 2 can also be used.

【0056】上記実施例では、荷重の印加方向をすべて
上下方向としたが、水平方向で行う変形例もあり得る。
また、加熱手段を抵抗加熱ではなく誘導加熱等に変えた
り、さらに複数の加熱手段を用いて、結晶成長時の温度
分布設定、温度制御を細かく行うことができるようにす
る等の変形例が考えられる。温度勾配の方向も、上下逆
でも構わないし、水平方向でもよい。また、温度勾配の
方向と荷重の印可方向は、必ずしも一致している必要は
ない。
In the above-described embodiment, the directions in which the load is applied are all vertical, but there may be variations in which the load is applied in the horizontal direction.
In addition, a modification example is considered in which the heating means is changed to induction heating instead of resistance heating, and furthermore, a plurality of heating means are used so that temperature distribution setting and temperature control during crystal growth can be finely performed. Can be The direction of the temperature gradient may be upside down or horizontal. In addition, the direction of the temperature gradient and the direction in which the load is applied do not necessarily need to match.

【0057】(実施例6)本発明の更に他の実施例とし
て、図3に示すような構成の装置を用いて、GaNの結
晶成長を行った例を示す。本実施例はフラックスを用い
るものである。
(Embodiment 6) As still another embodiment of the present invention, an example in which a GaN crystal is grown using an apparatus having the structure shown in FIG. 3 will be described. This embodiment uses a flux.

【0058】本装置は、水冷されたステンレス製の高圧
チャンバ21の内部に、それぞれ高純度グラファイトで
作製された断熱材22、ヒータ23、サセプタ24を収
納して構成されている。
The present apparatus is configured such that a heat insulating material 22, a heater 23, and a susceptor 24 made of high-purity graphite are housed in a high-pressure chamber 21 made of water-cooled stainless steel.

【0059】そして、内径50mm、高さ150mmの
円筒状のpBNルツボ25の底部に、種結晶28とし
て、MOCVD法でGaNをあらかじめエピタキシャル
成長させたサファイア基板を置いた。サファイア基板
は、フラックスを入れた際に浮き上がらないよう、ルツ
ボ底部に固定した。
On the bottom of a cylindrical pBN crucible 25 having an inner diameter of 50 mm and a height of 150 mm, a sapphire substrate on which GaN was epitaxially grown in advance by MOCVD as a seed crystal 28 was placed. The sapphire substrate was fixed to the bottom of the crucible so as not to float when the flux was put.

【0060】このルツボ内に、原料27として、injcct
ion 法で合成したGaNの粉末15gとフラックスとし
て金属Ga100gを入れた。GaN粉末と金属Ga
は、50℃に加熱して金属Gaを融解させた状態で良く
混ぜ合わせ、GaN粉末の表面を金属Gaが覆うように
した。
In this crucible, injcct
15 g of GaN powder synthesized by the ion method and 100 g of metal Ga as a flux were put. GaN powder and metallic Ga
Was heated to 50 ° C. to melt the metal Ga and mixed well so that the surface of the GaN powder was covered with the metal Ga.

【0061】次に、炉内をバルブ26を操作して、窒素
ガスで20MPaに昇圧し、この圧力を保ちながら、原
料27を1600℃まで昇温した。原料27を1600
℃に3時間保持し、GaN粉末をGaフラックスに溶解
させた後、原料温度を1℃/minの割合で800℃ま
で冷却し、その後は急冷して、圧力を大気圧まで戻し
た。
Next, the inside of the furnace was operated to increase the pressure to 20 MPa with nitrogen gas by operating the valve 26, and the raw material 27 was heated to 1600 ° C. while maintaining this pressure. Raw material 27 is 1600
C. for 3 hours to dissolve the GaN powder in the Ga flux, then cooled the raw material temperature to 800.degree. C. at a rate of 1.degree. C./min, and then cooled rapidly to return the pressure to atmospheric pressure.

【0062】上記成長工程を経たサファイア基板からな
る種結晶28を炉内から取り出し、付着しているGaを
塩酸で洗い流したところ、サファイア基板上に厚さ約
1.3mmのGaN単結晶が成長していた。
The seed crystal 28 made of the sapphire substrate having undergone the above growth step was taken out of the furnace, and the adhered Ga was washed away with hydrochloric acid. As a result, a GaN single crystal having a thickness of about 1.3 mm grew on the sapphire substrate. I was

【0063】(実施例7)本発明の他の実施例として、
図4に示すような構成の装置を用いて、GaNの結晶成
長を行った例を示す。本実施例もフラックスを用いるも
のである。
(Embodiment 7) As another embodiment of the present invention,
An example in which GaN crystal growth was performed using an apparatus having a configuration as shown in FIG. 4 will be described. This embodiment also uses a flux.

【0064】本装置の構成は、実施例6で述べた装置と
ほぼ同様な構成であるが、ヒータを上部ヒータ31、中
部ヒータ32、下部ヒータ33の3つに分割した点で相
違し、各温度の制御を独立で行うことで、原料27の上
下方向に温度勾配をつけられるようになっている。
The configuration of this apparatus is almost the same as that of the apparatus described in the sixth embodiment, except that the heater is divided into three parts, an upper heater 31, a middle heater 32 and a lower heater 33. By independently controlling the temperature, a temperature gradient can be provided in the vertical direction of the raw material 27.

【0065】ルツボ25の底部に、種結晶28として、
実施例6の方法で作製したGaNの単結晶を置いた。種
結晶28は、フラックスを入れた際に浮き上がらないよ
う、ルツボ25の底部に固定した。このルツボ25内
に、原料37として、GaNの粉末50gと、フラック
スとしてGa100gとBi20gを入れた。GaN粉
末は、金属Gaをアンモニアガス気流中で900℃に加
熱し、GaとNを反応させた後、未反応のGaを王水で
除去して得られたものを用いた。
At the bottom of the crucible 25, as a seed crystal 28,
A GaN single crystal produced by the method of Example 6 was placed. The seed crystal 28 was fixed to the bottom of the crucible 25 so as not to float when the flux was put. In the crucible 25, 50 g of GaN powder as a raw material 37 and 100 g of Ga and 20 g of Bi as flux were put. The GaN powder used was obtained by heating metallic Ga to 900 ° C. in an ammonia gas stream to react Ga and N, and then removing unreacted Ga with aqua regia.

【0066】GaN粉末とフラックスは、Arガス雰囲
気中で250℃に加熱して、フラックスを融解させた状
態で良く混ぜ合わせ、GaN粉末の表面をフラックスが
覆うようにした。
The GaN powder and the flux were heated to 250 ° C. in an Ar gas atmosphere and mixed well in a state where the flux was melted, so that the surface of the GaN powder was covered with the flux.

【0067】次に、GaN粉末とフラックスを混ぜ合わ
せた原料27の上に、液体封止剤29としてのB2 3
を15g乗せた。このようにして種結晶28、原料2
7、液体封止剤29をチャージしたルツボ25を成長炉
内にセットした。そして、バルブ26を操作して、Ar
ガス雰囲気としてこの中で一旦700℃に加熱してB2
3 を融解させ、次に炉内を真空にして一定時間保持し
た。これは、GaN粉末とフラックスを混ぜ合わせた際
に、フラックス中に取り込まれた気泡を抜くための作業
である。そして、約45分経過した頃、B2 3 から泡
が出てこなくなったので、炉内をArガスで20MPa
に昇圧し、この圧力を保ちながら、原料27の加熱を開
始した。
Next, B 2 O 3 as a liquid sealant 29 is placed on a raw material 27 obtained by mixing a GaN powder and a flux.
Was put on 15 g. Thus, seed crystal 28, raw material 2
7. The crucible 25 charged with the liquid sealant 29 was set in the growth furnace. Then, by operating the valve 26, Ar
Heated once 700 ° C. In this a gas atmosphere B 2
0 3 melted was then furnace holds a certain time in the vacuum. This is an operation for removing bubbles taken in the flux when the GaN powder and the flux are mixed. Then, around the time has passed about 45 minutes, because the foam from the B 2 0 3 is no longer come out, the inside of the furnace in Ar gas 20MPa
The heating of the raw material 27 was started while maintaining this pressure.

【0068】上部ヒータ31の温度は1600℃、中部
ヒータ32の温度は1400℃、下部ヒータ33の温度
は1200℃に制御し、その状態で96時間放置した。
The temperature of the upper heater 31 was controlled at 1600.degree. C., the temperature of the middle heater 32 was controlled at 1400.degree. C., and the temperature of the lower heater 33 was controlled at 1200.degree.

【0069】本成長では、高温部で溶解したGaNが、
低温部に拡散して過飽和になり、最低温部に設置した種
結晶上でGaNの析出が生じる。成長時間が実施例6に
較べて長いのは、フラックス中での溶質の拡散に時間を
要するためである。チャージしたGaN粉末は、一度に
全量がフラックスに溶解することはなく、成長中に未溶
解のGaNがフラックス中に存在しているが、GaN粉
末はフラックスよりも密度が小さいため、フラックスの
上方に浮いていて、種結晶上での結晶成長に悪影響を及
ぼすことはない。
In this growth, GaN dissolved in the high-temperature part becomes
It diffuses into a low-temperature part and becomes supersaturated, and GaN precipitates on a seed crystal provided in the lowest-temperature part. The reason why the growth time is longer than that in Example 6 is that it takes time to diffuse the solute in the flux. The entire amount of the charged GaN powder does not dissolve in the flux at once, and undissolved GaN is present in the flux during the growth, but since the GaN powder has a smaller density than the flux, the GaN powder has a higher density than the flux. It floats and does not adversely affect the crystal growth on the seed crystal.

【0070】96時間の放置の後、各ヒータ温度を5℃
/minの割合で3時間徐冷し、その後は急冷して、圧
力を大気圧まで戻した。
After leaving for 96 hours, the temperature of each heater was set to 5 ° C.
The mixture was gradually cooled at a rate of / min for 3 hours, and then rapidly cooled to return the pressure to the atmospheric pressure.

【0071】上記成長工程を経た種結晶28を炉内から
取り出し、付着しているフラックスを王水で洗い流した
ところ、種結晶に厚さ約4mmのGaN単結晶が成長し
ていた。
The seed crystal 28 having undergone the above growth step was taken out of the furnace, and the attached flux was washed away with aqua regia. As a result, a GaN single crystal having a thickness of about 4 mm had grown on the seed crystal.

【0072】(実施例8)本発明の他の実施例として、
図5に示すような構成の装置を用いて、GaNの結晶成
長を行った例を示す。本実施例もフラックスを用いるも
のである。
(Embodiment 8) As another embodiment of the present invention,
An example in which crystal growth of GaN is performed using an apparatus having a configuration as shown in FIG. This embodiment also uses a flux.

【0073】本装置は、ステンレス製の水冷筐体41の
内部に組まれている。水冷筐体42の底面には受け台4
5が設置され、この受け台45上にシリンダー51が載
置されている。シリンダー51の外周には上部ヒータ4
4、下部ヒータ43及び断熱材42が設置されている。
シリンダー51の上端にはピストン50が摺動自在に嵌
合されている。ピストン50は油圧シリンダー(図示せ
ず)に連結された押棒49により上下させられ、シリン
ダー51内に配置された原料47を加圧することができ
るようになっている。なお、シリンダー11、ピストン
10、上部ヒータ31、下部ヒータ33、断熱材2は,
高純度グラファイトで作製されている。シリンダー11
が載置される受け台45は、水冷パイプ52により冷却
されるようになっており、これにより各ヒータ43,4
4の設定温度を変えることと併せて、原料47中に上下
方向の温度勾配を設定することができるようになってい
る。
This device is assembled inside a water-cooled casing 41 made of stainless steel. At the bottom of the water-cooled housing 42,
5, and a cylinder 51 is mounted on the receiving table 45. The upper heater 4 is provided on the outer periphery of the cylinder 51.
4. A lower heater 43 and a heat insulating material 42 are provided.
A piston 50 is slidably fitted to the upper end of the cylinder 51. The piston 50 is moved up and down by a push rod 49 connected to a hydraulic cylinder (not shown) so that the raw material 47 arranged in the cylinder 51 can be pressurized. The cylinder 11, the piston 10, the upper heater 31, the lower heater 33, and the heat insulating material 2
Made of high purity graphite. Cylinder 11
Is cooled by a water-cooled pipe 52, whereby the heaters 43, 4
In addition to changing the set temperature of 4, the temperature gradient in the up-down direction can be set in the raw material 47.

【0074】内径10mm、高さ60mmの円筒状のシ
リンダー51の底部に、種結晶48として、直径10m
m、厚さ0.5mmに成形したGaN単結晶を置いた。
このシリンダー内に、injection 法で合成したGaNの
粉末と金属Gaの混合物15gならびにフラックスとし
て金属Gaを10g入れた。injection 法で合成したG
aNの粉末と金属Gaの混合物は、はじめから混合物と
して得られるため、GaN粉末をGaと混合する手間が
省ける。混合物中に含まれているGaN粉末の量を正確
に求めることは難しいが、今回チャージした混合物中に
含まれるGaN粉末の量は、サンプリングした混合物の
分析結果から、約5gと見積もられた。
At the bottom of a cylindrical cylinder 51 having an inner diameter of 10 mm and a height of 60 mm, a seed crystal 48 having a diameter of 10 m
m, a GaN single crystal formed to a thickness of 0.5 mm was placed.
In this cylinder, 15 g of a mixture of GaN powder and metal Ga synthesized by an injection method and 10 g of metal Ga as a flux were put. G synthesized by injection method
Since the mixture of the aN powder and the metal Ga is obtained as a mixture from the beginning, the work of mixing the GaN powder with Ga can be omitted. Although it is difficult to accurately determine the amount of the GaN powder contained in the mixture, the amount of the GaN powder contained in the mixture charged this time was estimated to be about 5 g from the analysis result of the sampled mixture.

【0075】原料をチャージした装置の水冷筐体41内
を、雰囲気ガス置換用のバルプ46を介して1×10-2
torrまで減圧し、原料47中に混入しているガスの
気泡を抜いた。この状態で、原料にピストン50を使っ
て10ton/cm2 の圧力を加え、かつ、上部ヒータ
44を2200℃に、下部ヒータ43を1800℃に加
熱した。この状態で、原料47の上方の温度は約210
0℃、下方の温度は1900℃になっていると計算され
た。原料47の加圧、加熱を3時間行ったのち、上部ヒ
ータ温度を800℃、下部ヒータ温度を600℃までそ
れぞれ2℃/minの割合で下げ、ピストン50による
加圧を解除し、さらに室温まで冷却して試料を取り出し
た。
The inside of the water-cooled casing 41 of the apparatus charged with the raw material is passed through a valve 46 for replacing atmospheric gas with 1 × 10 −2.
The pressure was reduced to torr, and gas bubbles mixed in the raw material 47 were removed. In this state, a pressure of 10 ton / cm 2 was applied to the raw material using the piston 50, and the upper heater 44 was heated to 2200 ° C. and the lower heater 43 was heated to 1800 ° C. In this state, the temperature above the raw material 47 is about 210
The lower temperature was calculated to be 0 ° C and 1900 ° C. After pressurizing and heating the raw material 47 for 3 hours, the upper heater temperature is lowered to 800 ° C. and the lower heater temperature is lowered to 600 ° C. at a rate of 2 ° C./min. The sample was taken out after cooling.

【0076】取り出したシリンダー内には、融解したG
aNがゆっくり凝固してできたと思われる粒径の大きな
GaN単結晶があり、その周囲にはGaN粉末を少量含
む金属Gaの層があった。GaN単結晶粒は、中央部が
膨らんだ円柱状で、直径10mm、高さ最大11mmで
あった。
In the removed cylinder, the melted G
There was a GaN single crystal having a large particle size, which is considered to be formed by slow solidification of aN, and a metal Ga layer containing a small amount of GaN powder was present around the GaN single crystal. The GaN single crystal grains had a cylindrical shape with a bulging center, a diameter of 10 mm, and a maximum height of 11 mm.

【0077】なお、本実施の形態の結晶成長法はGaN
のみならず、GaN以外の窒化物結晶、例えばAINや
InN、また、これらの混晶結晶の成長にも応用が可能
である。その場合は、利用できるフラックスの種類や、
成長温度などが変わってくるが本質的にはGaNの場合
と同様である。
It should be noted that the crystal growth method of the present embodiment uses GaN.
In addition, the present invention can be applied to the growth of a nitride crystal other than GaN, for example, AIN or InN, or a mixed crystal thereof. In that case, the type of available flux,
Although the growth temperature changes, it is essentially the same as in the case of GaN.

【0078】また、液体封止剤29としては、B2 3
以外に、NaCl、KCl、BaCl2 、CaCl2
どが利用できる。
[0078] Further, as the liquid sealant 29, B 2 0 3
Besides, NaCl, KCl, BaCl 2 , CaCl 2 and the like can be used.

【0079】原料47の加熱手段であるヒータ31,3
2,33,43,44は、抵抗加熱式、誘導加熱式、輻
射加熱式等を用いることができる。
The heaters 31 and 3 serving as heating means for the raw material 47
For 2, 33, 43, and 44, a resistance heating type, an induction heating type, a radiation heating type, or the like can be used.

【0080】[0080]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化物結
晶の成長方法によると、これまで不可能に近かったIII
族窒素化合物(例えば、GaN)のバルク結晶を、簡便
な方法で製造することができる。
As described above, according to the method of growing a nitride crystal of the present invention, it has been almost impossible
Bulk crystals of group nitrogen compounds (eg, GaN) can be manufactured in a simple manner.

【0081】本発明に用いる装置は、セラミクスの成形
等に広く用いられている市販のホットプレス装置や、半
導体の結晶成長に一般的に用いられているLECを流用
することができるため、特殊な装置が不要であり、危険
も少ない。
As the apparatus used in the present invention, a commercially available hot press apparatus widely used for molding of ceramics and the like and an LEC generally used for crystal growth of semiconductors can be used. No equipment is required and the danger is low.

【0082】また、原料以外に必要なものは、少量の液
体封止剤やフラックスだけであり、経済的である。特に
フラックスを用いる方法ではフラックスは繰り返し利用
が可能であるため、特に経済的である。
In addition to the raw materials, only a small amount of liquid sealant and flux are required, which is economical. In particular, the method using a flux is particularly economical because the flux can be repeatedly used.

【0083】本発明により得られた窒化物結晶を基板結
晶として用いることにより、窒化物系LEDの高効率化
や長寿命化が達成できるばかりでなく、未だ実用化にい
たっていない窒化物系LDの実用化を促進する効果も期
待できる。
By using the nitride crystal obtained by the present invention as a substrate crystal, not only high efficiency and long life of a nitride LED can be achieved, but also a nitride LD which has not yet been put to practical use. It can also be expected to promote the practical use of.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例に用いられる結晶成長装置を
示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a crystal growth apparatus used in an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施例に用いられる結晶成長装置
の断面図である。
FIG. 2 is a sectional view of a crystal growing apparatus used in another embodiment of the present invention.

【図3】本発明の更に他の実施例に用いられるGaN結
晶成長装置を示す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing a GaN crystal growth apparatus used in still another embodiment of the present invention.

【図4】本発明の更に他の実施例に用いられるGaN結
晶成長装置を示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a GaN crystal growth apparatus used in still another embodiment of the present invention.

【図5】本発明の更に他の実施例に用いられるGaN結
晶成長装置を示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a GaN crystal growth apparatus used in still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 押棒 2 水冷筐体 3 ピストン 4 ヒータ 5 液体封止剤 6 原料 7 シリンダー 8 断熱材 9 受け台 10 雰囲気ガス置換用バルブ 11 種結晶 13 上部ヒータ 14 下部ヒータ 21 高圧チャンバ 22 断熱材 23 ヒータ 24 サセプタ 25 ルツボ 26 バルブ 27 原料 28 種結晶 29 液体封止剤 31 上部ヒータ 32 中央ヒータ 33 下部ヒータ 41 水冷筐体 42 断熱材 43 下部ヒータ 44 上部ヒータ 45 受け台 46 バルブ 47 原料 48 種結晶 49 押棒 50 ピストン 51 シリンダー 52 水冷パイプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Push rod 2 Water-cooled housing 3 Piston 4 Heater 5 Liquid sealant 6 Raw material 7 Cylinder 8 Insulation material 9 Cradle 10 Atmosphere gas replacement valve 11 Seed crystal 13 Upper heater 14 Lower heater 21 High pressure chamber 22 Heat insulator 23 Heater 24 Susceptor 25 Crucible 26 Valve 27 Raw material 28 Seed crystal 29 Liquid sealant 31 Upper heater 32 Central heater 33 Lower heater 41 Water-cooled housing 42 Insulation material 43 Lower heater 44 Upper heater 45 Receiving stand 46 Valve 47 Raw material 48 Seed crystal 49 Push rod 50 Piston 51 cylinder 52 water cooling pipe

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリンダー内に窒化物結晶粉末と液体封
止材を収容し、ピストンで加圧しながら加熱する工程を
含むことを特徴とする窒化物結晶の成長方法。
1. A method for growing a nitride crystal, comprising the steps of: accommodating a nitride crystal powder and a liquid sealing material in a cylinder; and heating while pressurizing with a piston.
【請求項2】 請求項1において、窒化物の融液を作製
した後、常圧、常温に戻し窒化物の融液を凝固させるこ
とを特徴とする窒化物結晶の成長方法。
2. The method of growing a nitride crystal according to claim 1, wherein after the melt of the nitride is produced, the pressure is returned to normal pressure and room temperature to solidify the melt of the nitride.
【請求項3】 請求項1において、窒化物結晶粉末が融
解する直前まで加熱し窒化物の結晶を固相成長させるこ
とを特徴とする窒化物結晶の成長方法。
3. The method of growing a nitride crystal according to claim 1, wherein heating is performed until immediately before the melting of the nitride crystal powder, and the nitride crystal is grown in a solid phase.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれかにおいて、該窒
化物結晶粉末が、予め圧粉成形されていることを特徴と
する窒化物結晶の成長方法。
4. The method for growing a nitride crystal according to claim 1, wherein the nitride crystal powder is compacted in advance.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれかにおいて、該窒
化物の出発原料はinjection 法で合成されたGaN結晶
粉末であることを特徴とするGaN結晶の成長方法。
5. The method of growing a GaN crystal according to claim 1, wherein the starting material of the nitride is a GaN crystal powder synthesized by an injection method.
【請求項6】 請求項1〜3のいずれかにおいて、少な
くとも液体封止材が融解するまでは、原料粉末を真空中
又は窒素雰囲気中に置くことを特徴とする窒化物結晶の
成長方法。
6. The method for growing a nitride crystal according to claim 1, wherein the raw material powder is placed in a vacuum or a nitrogen atmosphere at least until the liquid sealing material is melted.
【請求項7】 請求項1〜3いずれかにおいて、シリン
ダー内の窒化物原料中に温度勾配を設けることを特徴と
する窒化物結晶の成長方法。
7. The method for growing a nitride crystal according to claim 1, wherein a temperature gradient is provided in the nitride raw material in the cylinder.
【請求項8】 請求項7において、窒化物原料中の低温
側に種結晶を配したことを特徴とする窒化物結晶の成長
方法。
8. The method for growing a nitride crystal according to claim 7, wherein a seed crystal is arranged on a low temperature side in the nitride raw material.
【請求項9】 請求項1〜3のいずれかにおいて、結晶
成長中に昇降圧または昇降温またはその両方を繰りかえ
すことを特徴とする窒化物結晶の成長方法。
9. The method for growing a nitride crystal according to claim 1, wherein the step of raising and lowering the temperature and / or the step of raising and lowering the temperature are repeated during the crystal growth.
【請求項10】 請求項1〜3のいずれかにおいて、液
体封止材にB2 3、KCl又はNaClを用いること
を特徴とする窒化物結晶の成長方法。
10. In any one of claims 1 to 3, the growth method of the nitride crystal, which is characterized by using a B 2 0 3, KCl or NaCl to the liquid encapsulant.
【請求項11】 請求項4において、窒化物結晶粉末を
圧粉成形する際に、バインダーとして窒化物結晶の構成
元素を用いることを特徴とする窒化物結晶の成長方法。
11. The method for growing a nitride crystal according to claim 4, wherein when compacting the nitride crystal powder, a constituent element of the nitride crystal is used as a binder.
【請求項12】 請求項4において、窒化物結晶粉末を
圧粉成形する際に、バインダーとしてOH基を含有する
化合物を用いることを特徴とする窒化物結晶の成長方
法。
12. The method for growing a nitride crystal according to claim 4, wherein a compound containing an OH group is used as a binder when compacting the nitride crystal powder.
【請求項13】 フラックスとGaN結晶粉末とを加圧
下で加熱し、GaNをフラックスに溶解させた後、これ
を冷却してGaNの結晶を成長させるGaN結晶の成長
方法において、フラックスの加熱温度を800℃以上と
し、かつ、前記フラックスには少なくともGa、In、
Pb、Sn、Bi、Naのいずれかーつ以上を含むこと
を特徴とするGaN結晶の成長方法。
13. A GaN crystal growth method for heating a flux and a GaN crystal powder under pressure to dissolve GaN in a flux and then cooling the GaN to grow a GaN crystal. 800 ° C. or higher, and the flux contains at least Ga, In,
A method for growing a GaN crystal, comprising at least one of Pb, Sn, Bi, and Na.
【請求項14】 請求項13において、原料を800℃
以上に加熱する前に、GaN結晶粉末の表面が融解させ
たフラックスで完全に覆われるように、GaN結晶粉末
と融解したフラックスとを十分に混合しておくことを特
徴とするGaN結晶の成長方法。
14. The method according to claim 13, wherein the raw material is 800 ° C.
A GaN crystal growth method characterized in that the GaN crystal powder and the melted flux are sufficiently mixed so that the surface of the GaN crystal powder is completely covered with the melted flux before heating. .
【請求項15】 請求項13において、原料のGaN結
晶粉末は、injection 法で合成されたGaNとGaとの
混合物であることを特徴とするGaN結晶の成長方法。
15. The method for growing a GaN crystal according to claim 13, wherein the raw material GaN crystal powder is a mixture of GaN and Ga synthesized by an injection method.
【請求項16】 請求項13において、原料のGaNが
溶解したフラックス中に温度勾配を設け、これを冷却し
て低温側にGaN結晶を析出させることを特徴とするG
aN結晶の成長方法。
16. The method according to claim 13, wherein a temperature gradient is provided in the flux in which the raw material GaN is dissolved, and the temperature is cooled to precipitate a GaN crystal on a lower temperature side.
aN crystal growth method.
【請求項17】 請求項13において、フラックス中に
種結晶を配し、GaN結晶を種結晶上に析出させること
を特徴とするGaN結晶の成長方法。
17. The method for growing a GaN crystal according to claim 13, wherein a seed crystal is arranged in the flux, and the GaN crystal is deposited on the seed crystal.
【請求項18】 請求項13において、フラックス上に
液体封止剤を浮かべることを特徴とするGaN結晶の成
長方法。
18. The method for growing a GaN crystal according to claim 13, wherein a liquid sealant is floated on the flux.
【請求項19】 請求項13において、加圧手段として
窒素等の圧縮ガスを用いることを特徴とするGaN結晶
の成長方法。
19. The method of growing a GaN crystal according to claim 13, wherein a compressed gas such as nitrogen is used as the pressurizing means.
【請求項20】 請求項13において、加圧手段として
シリンダーとピストンとを用いることを特徴とするGa
N結晶の成長方法。
20. The method according to claim 13, wherein a cylinder and a piston are used as the pressurizing means.
N crystal growth method.
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