KR100419285B1 - Method of fabricating nitride crystal - Google Patents

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후루야다카시
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히다치 덴센 가부시키 가이샤
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Abstract

PURPOSE: A method for fabricating a nitride crystal is provided to enable high-purity group III nitride crystal such as of GaN to be produced easily at low cost in view of having been difficult to obtain large-sized crystal of such nitrides so far. CONSTITUTION: A group III metallic element is heated and melted. The resulting melt(3) is injected with a nitrogen atom-containing gas such as NH3 at a temperature not higher than the melting point of the aimed nitride to produce group III nitride crystallites with high wettability to the melt. The resultant mixture of the above crystallites and the melt is used as a starting material for the liquid growth process. Group III nitride powder afforded by eliminating the group III metallic element from the above mixture is used as starting material for the vapor growth process. Alternatively, a seed crystal or substrate crystal is immersed in a group III element melt such as of Ga. Bubbles of a nitrogen-containing gas such as NH3 are intermittently contacted with the surface of the above crystal to react the gas with the group III element on the surface to effect the growth of the aimed group III nitride crystal on the surface.

Description

질화물 결정의 제조방법{METHOD OF FABRICATING NITRIDE CRYSTAL}METHODS OF FABRICATING NITRIDE CRYSTAL

본 발명은, Ⅲ족 금속원소의 질화물 결정, 특히 GaN, AlN, InN 등의 질화물 결정의 제조방법, 혼합물, 액상성장방법, 질화물 결정, 질화물 결정분말 및 기상성장방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing nitride crystals of group III metal elements, in particular, nitride crystals such as GaN, AlN and InN, mixtures, liquid phase growth methods, nitride crystals, nitride crystal powders and vapor phase growth methods.

일찍이 GaN, AlN, InN 등의 대형의 Ⅲ족 질화물 결정을 용이하게 제조할 수 있는 방법은 존재하지 않고 있다. GaN 벌크결정을 제조할 수 있다면 청색 레이저 다이오드의 실현 등에 있어서의 그 효과는 상상을 초월한다. 또, 와이드 밴드 갭 반도체 재료의 벌크결정은 21세기에 들어가면 본격화할 것으로 생각된다.There is no method for producing large Group III nitride crystals such as GaN, AlN, InN, etc. easily. If a GaN bulk crystal can be produced, the effect in realizing a blue laser diode or the like is beyond imagination. In addition, bulk crystals of wide band gap semiconductor materials are expected to become full-scale in the 21st century.

GaN의 결정분말을 제조하는 방법으로서는 Ga2O3등의 Ga의 산화물을 암모니아와 반응시켜 제조하는 방법이 실용화되어 있다. 상기 방법으로 제조된 분말이 시약용으로 시판된다.As a method for producing GaN crystal powder, a method of producing GaN by reacting an oxide of Ga such as Ga 2 O 3 with ammonia has been put into practical use. Powders prepared by this method are commercially available for reagents.

Ⅲ족 질화물 결정의 벌크결정을 용이하게 제조할 수 있는 방법은 아직 개발되어 있지 않다. 문헌('Prospects for high-pressure crystal growth of Ⅲ-V nitrides' S.Porowski, J.Jun, P.Perlin, I.Grzegory, H.Teisseyre and T.Suski Inst.Phys.Conf.Ser.No.137 : Chapter 4 Paper presented at the 5th SiC and Related Materials Conf., Washington,DC, 1993)이 발표되어 있으나, 매우 높은 압력을 필요로 하기 때문에 결정을 제조하기 위험하고 어렵다. 그러나, 얻어진 결정의 크기는 수mm 정도로 작다.A method for easily producing bulk crystals of group III nitride crystals has not been developed yet. See 'Prospects for high-pressure crystal growth of III-V nitrides' S. Porowski, J. Jun, P. Perlin, I. Grzygoy, H. Teisseyre and T. Suski Inst. Phys. Conf. Ser. No. 137 Chapter 4 Paper presented at the 5th SiC and Related Materials Conf., Washington, DC, 1993), but because it requires very high pressure, it is dangerous and difficult to manufacture crystals. However, the size of the obtained crystal is as small as a few mm.

GaN으로 대표되는 Ⅲ족 질화물은 융점이 매우 높고 또 융점 이하의 온도에서승화, 분해가 일어나기 때문에, 그 용융물을 만들 수 없고 결정이 용융물으로부터 성장할 수 없다. 또, Ⅲ족 질화물은 Ⅲ족 용융물에 대한 용해도가 매우 낮기 때문에 용액으로부터의 결정성장도 어렵다. 지금까지 실용화되어 있는 Ⅲ족 질화물의 결정성장방법은 HVPE(수소화물 기상 에피텍셜 성장)법, MOVPE(유기금속 기상 에피텍셜 성장)법, MBE(분자선 에피텍셜)법의 3종의 기상 에피텍셜 성장법뿐이다. 또, 이에 의해 제조된 GaN계의 LED가 시판되고 있다. MOVPE법에 의한 GaN의 결정성장의 예가 문헌('Nove1 metal organic chemica1 vapor deposition system for GaN growth' S.Nakamura, Y.Harada and M.Seno, Appl.Phys.Lett.58(18)6,1991)에 발표되어 있다.The group III nitride represented by GaN has a very high melting point and sublimation and decomposition at a temperature below the melting point, so that the melt cannot be formed and crystals cannot grow from the melt. In addition, the Group III nitride has a very low solubility in the Group III melt, so that crystal growth from the solution is difficult. The crystal growth methods of Group III nitrides that have been put to practical use so far are three types of vapor epitaxial growth: HVPE (hydrogen vapor phase epitaxial growth) method, MOVPE (organic metal vapor phase epitaxial growth) method, and MBE (molecular beam epitaxial) method. Only law. In addition, GaN-based LEDs manufactured thereby are commercially available. Examples of crystal growth of GaN by the MOVPE method are described in 'Nove1 metal organic chemica1 vapor deposition system for GaN growth' S. Nakamura, Y. Harada and M. Seno, Appl. Phys. Lett. 58 (18) 6,1991) It is announced in.

GaN으로 대표되는 Ⅲ족 금속원소의 질화물 결정은 최근 청색발광소자용 재료로서 주목받고 있다. 소자를 제작하기 위해서는 기판 위에 예를 들어 GaN 결정 등을 에피텍셜 성장시킬 필요가 있다. 이 에피텍셜 성장에 있어서는 성장하는 결정 중의 왜곡의 발생을 방지하기 위하여 기판이 되는 결정의 격자 상수나 열팽창 계수가, 기판 상에 성장하는 결정과 동일한 것이 이상적이다. 그러나, 지금까지 기판으로서 사용될 수 있는 질화물의 벌크결정을 얻지 못했다. 격자 상수가 다른 사파이어 기판 등으로 대용하고 사파이어 기판 상에 에피텍셜 성장시켰다.Nitride crystals of group III metal elements represented by GaN have recently attracted attention as materials for blue light emitting devices. In order to manufacture a device, it is necessary to epitaxially grow a GaN crystal etc., for example on a board | substrate. In this epitaxial growth, the lattice constant and the coefficient of thermal expansion of the crystal serving as the substrate are ideal to be the same as the crystal growing on the substrate in order to prevent the occurrence of distortion in the growing crystal. However, so far no bulk crystals of nitride have been obtained which can be used as substrates. The lattice constant was substituted with another sapphire substrate or the like and epitaxially grown on the sapphire substrate.

에피텍셜 성장법으로서는 현재 MOVPE법이 주로 사용되었으나, 원료인 유기금속은 발화하기 쉬워 위험하고 비용이 많이 들며, 대규모이고 복잡하며 고가인 성장장치를 필요로 한다. 성장결정 중에 불순물로서 수소가 들어가는 것을 피할 수 없어 이것이 원인이 되어 p형 결정의 캐리어 농도를 증가시키기 어렵다.As epitaxial growth method, MOVPE method is mainly used, but organic metal, which is a raw material, is easy to ignite, which is dangerous, expensive, and requires a large, complex and expensive growth device. Hydrogen as an impurity can not be avoided during growth crystallization, which causes this, making it difficult to increase the carrier concentration of the p-type crystal.

따라서, p형 결정 캐리어 농도를 증가시키기 위하여, p형 유전층을 소자 표면에 배치하여 질화물 결정처리를 실시할 필요가 있다. p형 유전층을 소자 표면에 배치할 필요성이 있기 때문에 소자구조의 설계의 자유도가 낮았다.Therefore, in order to increase the p-type crystal carrier concentration, it is necessary to arrange the p-type dielectric layer on the surface of the device to perform nitride crystallization. Because of the need to arrange the p-type dielectric layer on the device surface, the degree of freedom in designing the device structure is low.

다른 에피텍셜 성장법으로서 Ⅲ족 금속원소의 용융물에 Ⅲ족 질화물 결정을 용질로서 녹여, 용액에서 액상 에피텍셜 층을 성장시키는 LPE(액상 에피텍셜 성장)법이 있다. 그러나, 종래 시판되고 있던 Ⅲ족 질화물 결정은 예를 들어 GaN의 경우 Ga2O3등의 Ga의 산화물을 암모니아와 반응시켜 제조한 미세 분말이고, 그 형상에 기인하여 GaN 결정의 표면이 쉽게 젖지 않고, 따라서 분말이 Ga에 잘 녹지 않는다는 문제가 있다.Another epitaxial growth method is the LPE (liquid epitaxial growth) method in which a group III nitride crystal is dissolved as a solute in a melt of a group III metal element, thereby growing a liquid epitaxial layer in a solution. However, conventionally, Group III nitride crystals, which are commercially available, are fine powders prepared by reacting Ga oxides such as Ga 2 O 3 with ammonia in the case of GaN, and due to their shape, the surface of the GaN crystals does not easily get wet. Therefore, there is a problem that the powder does not melt well in Ga.

질화물 결정의 분말은 형광재료로서나 GaAs, GaP 등의 액상 에피텍셜 성장에 있어서의 도펀트 재료로서 응용이 기대된다. 그러나, 종래 시판되고 있던 GaN 결정분말은 고가인 반면에 순도가 낮아 기상성장용의 출발원료로는 부적합하였다. 또, 그 형상에 기인하여 반도체 용융물에 잘 녹지 않기 때문에 액상성장용의 원료나 도펀트 원료로서도 사용하기 어렵다는 문제가 있었다.The nitride crystal powder is expected to be applied as a fluorescent material or as a dopant material in liquid epitaxial growth such as GaAs and GaP. However, conventionally commercially available GaN crystal powders are expensive and low in purity, making them unsuitable as starting materials for vapor phase growth. In addition, due to its shape, it is difficult to be used as a raw material for liquid growth or a dopant raw material because it is hardly soluble in a semiconductor melt.

반면에, 원료 물질을 실린더에 넣어 가열 및 몰딩하면서 피스톤으로 가압하는 고온 압착(hot pressing)이라 불리는 방법을 세라믹 등의 몰딩에 일반적으로 사용한다.On the other hand, a method called hot pressing in which a raw material is put into a cylinder and pressurized with a piston while heating and molding is generally used for molding of ceramics and the like.

고온 압착에 따르면, AlN과 같은 질화물을 적당한 바인더를 사용하여 압력하에 몰딩할 수 있으나, 단일 결정이 성장되지는 않았다. 이것은 질화물 결정의 융점이 매우 높고, 원료의 온도가 융점에 이르기 전에 질화물이 분해되어 원료로부터 질소가 빠져나가기 때문이다.According to hot pressing, nitrides such as AlN can be molded under pressure using a suitable binder, but no single crystal has grown. This is because the melting point of the nitride crystal is very high, and the nitride is decomposed and nitrogen is released from the raw material before the temperature of the raw material reaches the melting point.

본 발명의 목적은 상술한 것과 같은 종래 기술의 문제점을 해소하고, GaN 등의 고순도인 Ⅲ족 금속원소의 질화물 결정을 쉽고 싼 가격으로 얻을 수 있는 신규 질화물 결정의 제조방법, 혼합물, 기상성장방법, 질화물 결정, 질화물 결정분말 및 기상성장방법을 제공하는 데에 있다.It is an object of the present invention to solve the problems of the prior art as described above, and to produce a nitride crystal of a high purity Group III metal element such as GaN, which can be obtained easily and at low cost, a mixture, a vapor phase growth method, To provide a nitride crystal, nitride crystal powder and vapor phase growth method.

또, 본 발명의 다른 목적은, 지금까지 얻어지지 않고 있던 GaN 등의 Ⅲ족 금속원소의 질화물 결정의 벌크결정을 용이하고 안전하게 성장시킬 수 있는 신규인 결정성장방법과, 간편하고 또한 안전하게 Ⅲ족 질화물 결정의 에피텍셜 성장을 행할 수 있는 신규한 결정성장방법을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is a novel crystal growth method capable of easily and safely growing bulk crystals of nitride crystals of group III metal elements such as GaN, which have not been obtained so far, and group III nitrides simply and safely. An object of the present invention is to provide a novel crystal growth method capable of epitaxial growth of crystals.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태 내지 제 7 실시 형태에 따른 GaN 결정 합성 장치의 개략 단면도이고,1 is a schematic cross-sectional view of a GaN crystal synthesis apparatus according to the first to seventh embodiments of the present invention,

도 2는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 GaN 결정 액상 성장 장치의 개략 단면도이고,2 is a schematic cross-sectional view of a GaN crystal liquid phase growth apparatus according to a second embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따라 GaN 결정 액상을 성장시키는 경우, 온도 프로그램을 도시한 그래프이고,3 is a graph showing a temperature program when growing a GaN crystal liquid phase according to a second embodiment of the present invention,

도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 액상 에피텍셜 성장 도핑되지 않은 GaN 결정막을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도시한 다이어그램이고,4 is a diagram showing the results of photoluminescence measurement of a liquid epitaxially grown undoped GaN crystal film according to a second embodiment of the present invention at room temperature,

도 5는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 액상 에피텍셜 성장 Si 도핑 GaN 결정막을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도시한 다이어그램이고,5 is a diagram showing the results of photoluminescence measurement of a liquid epitaxially grown Si-doped GaN crystal film according to a third embodiment of the present invention at room temperature,

도 6은 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 액상 에피텍셜 성장 Mg 도핑 GaN 결정막을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도시한 다이어그램이고,6 is a diagram showing the results of photoluminescence measurement of a liquid epitaxially grown Mg-doped GaN crystal film according to a fourth embodiment of the present invention at room temperature,

도 7은 본 발명의 제 5 실시 형태에 따른 도핑되지 않은 GaN 미세결정 분말을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도시한 다이어그램이고,7 is a diagram showing the results of photoluminescence measurement of undoped GaN microcrystalline powders according to a fifth embodiment of the present invention at room temperature,

도 8은 본 발명의 제 6 실시 형태에 따른 GaN 결정 기상 성장 장치의 개략 단면도이고,8 is a schematic cross-sectional view of a GaN crystal vapor deposition apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 제 8 실시 형태에 따른 GaN 결정 성장 장치의 개략 단면도이고,9 is a schematic cross-sectional view of a GaN crystal growth apparatus according to an eighth embodiment of the present invention,

도 10은 본 발명의 제 8 실시 형태에 따라 제조한 GaN 결정을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도시한 다이어그램이고,10 is a diagram showing the results of photoluminescence measurement of GaN crystals prepared according to the eighth embodiment of the present invention at room temperature,

도 11은 본 발명의 제 9 실시 형태에 따른 GaN 결정 에피텍셜 성장 장치의 개략 단면도이고,11 is a schematic cross-sectional view of a GaN crystal epitaxial growth apparatus according to a ninth embodiment of the present invention,

도 12는 본 발명의 제 9 실시 형태에 따라 제조한 GaN 에피텍셜 성장 결정을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도시한 다이어그램이고,12 is a diagram showing the results of photoluminescence measurement of GaN epitaxial growth crystals prepared according to the ninth embodiment of the present invention at room temperature,

도 13은 본 발명의 다른 실시 형태에 사용되는 결정 성장 장치를 도시한 단면도이고,13 is a cross-sectional view showing a crystal growth apparatus used in another embodiment of the present invention,

도 14는 본 발명의 다른 실시 형태에 사용되는 결정 성장 장치를 도시한 단면도이고,14 is a cross-sectional view showing a crystal growth apparatus used in another embodiment of the present invention,

도 15는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 사용되는 GaN 결정 성장 장치를 도시한 단면도이고,15 is a cross-sectional view showing a GaN crystal growth apparatus used in still another embodiment of the present invention.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 사용되는 GaN 결정 성장 장치를 도시한 단면도이고,16 is a cross-sectional view showing a GaN crystal growth apparatus used in still another embodiment of the present invention,

도 17은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 사용되는 GaN 결정 성장 장치를 도시한 단면도이다.17 is a cross-sectional view showing a GaN crystal growth apparatus used in still another embodiment of the present invention.

본 발명의 제 1 요점은 크게 나누어 3가지가 있다.The first point of the present invention is broadly divided into three types.

① 암모니아 등의 질소를 함유하는 가스를 Ga 등의 Ⅲ족 금속원소의 용융물에 주입하여 반응시킨다. 이에 의해 Ⅲ족 금속원소의 용융물 표면에 다량의 Ⅲ족 질화물 미세 결정이 떠오른다.(1) A gas containing nitrogen such as ammonia is injected into a melt of a group III metal element such as Ga and reacted. As a result, a large amount of group III nitride microcrystals appears on the surface of the melt of the group III metal element.

② 이렇게 하여 얻어진 Ⅲ족 금속원소와 Ⅲ족 질화물 미세 결정의 혼합물을 원료로 하여 Ⅲ족 질화물 결정의 액상 에피텍셜 성장을 행한다. 상술한 방법에 의해 얻어진 Ⅲ족 금속원소 질화물 미세 결정은 Ⅲ족 금속원소 용융물에 쉽게 젖어 Ⅲ족 금속원소 미세 결정이 Ⅲ족 금속원소 용융물에 용이하게 용해될 수 있다.(2) Liquid phase epitaxial growth of group III nitride crystals is performed using a mixture of the group III metal element and the group III nitride microcrystals thus obtained as raw materials. The Group III metal element nitride microcrystals obtained by the above-described method are easily wetted by the Group III metal element melt so that the Group III metal element microcrystals can be easily dissolved in the Group III metal element melt.

③ 상기의 혼합물에서 산세정 등에 의해 Ⅲ족 금속원소를 제거하여 얻어지는 Ⅲ족 질화물 미세 결정을 원료로 하여 Ⅲ족 질화물 결정의 기상성장이나 융해, 소결결정을 제조한다. 이 방법에 의해 얻어진 원료는 고순도이고 또한 가격이 싸다.(3) A gaseous growth, melting and sintered crystals of group III nitride crystals are prepared by using the group III nitride microcrystals obtained by removing the group III metal element by pickling and the like from the above mixture. The raw material obtained by this method is high purity and inexpensive.

Ⅲ족 용융물에 V족 원소의 증기를 주입하여 Ⅲ-V족 화합물을 합성하는 방법은 주입(injection)법이라고 불리워지는 공지의 기술이다. 예를 들어 Ⅲ-V족 화합물 반도체의 하나인 InP의 다결정을 합성한 예가 학회에 보고('P-injection법에 의한 InP 다결정의 대량합성', 시바타 외, 제34회 응용물리학관계 연합강연회(1987) 28p-Z-1)되어 있다.The method of synthesizing the Group III-V compound by injecting the vapor of the Group V element into the Group III melt is a known technique called an injection method. For example, an example of synthesizing polycrystals of InP, one of group III-V compound semiconductors, is reported to the society ('mass synthesis of InP polycrystals by P-injection'), Shibata et al. 28p-Z-1).

그러나, 주입법은 Ⅲ족 용융물을, 합성하는 Ⅲ-V족 화합물의 융점 이상으로 가열하고, V족 원소의 증기를 일단 주입하여 Ⅲ-V족 화합물의 용융물을 만들고, 용융물을 냉각하여 결정을 제작하는, 소위 용융물성장법이다. 이와 대조적으로, 본 발명의 질화물 결정의 제1제조방법은 합성하는 질화물의 융점보다 훨씬 낮은 온도에서 Ⅲ족 용융물 중에 질소를 함유하는 가스를 주입하고, 액상의 Ⅲ족 금속원소와 기상의 V족 원소를 반응시켜 Ⅲ족 금속원소 용액 중에서 고체상의 Ⅲ족 질화물 미세 결정을 직접 생성한다(질화물의 용융물에서는 생성할 수 없다)는 면에서 통상의 주입법과는 상당히 다르다. 이것은 Ⅲ족 금속원소용융물에 대한 질화물의 용해도가 매우 낮다는 특징을 유리하게 이용한 것이다.However, the injection method heats the Group III melt above the melting point of the synthesized Group III-V compound, injects the vapor of the Group V element into a melt of the Group III-V compound, and cools the melt to produce crystals. The so-called melt growth method. In contrast, the first production method of the nitride crystal of the present invention injects a gas containing nitrogen in the Group III melt at a temperature much lower than the melting point of the nitride to be synthesized, and the liquid Group III metal element and the gaseous Group V element. Is reacted directly with the conventional implantation method in that it directly produces solid Group III nitride microcrystals in the Group III metal element solution (it cannot be formed in the melt of nitride). This advantageously takes advantage of the fact that the solubility of nitrides in Group III metal element melts is very low.

상기 제1제조방법에 있어서, Ⅲ족 금속원소에 불순물원소를 섞어, 불순물을 도핑한 Ⅲ족의 질화물 결정을 제조할 수 있다(질화물 결정의 제2제조방법). 질화물 결정의 제1 및 제2제조방법에 의해 Ⅲ족의 질화물 분말과 Ⅲ족 금속원소의 혼합물이 얻어진다.In the first manufacturing method, a nitride crystal of group III doped with an impurity can be prepared by mixing an impurity element with a group III metal element (a second production method of nitride crystal). A mixture of a group III nitride powder and a group III metal element is obtained by the first and second production methods of nitride crystals.

본 발명의 질화물 결정의 제1 및 제2제조방법 및 Ⅲ족 금속원소에 의하여 얻어지는 Ⅲ족 질화물 결정과 Ⅲ족 금속원소의 혼합물은 Ⅲ족 질화물 결정이 미세 결정임에도 불구하고 그 표면이 완전히 Ⅲ족 금속원소에 의해 젖어 있는 점에 큰 특징이 있다. 액상성장용의 원료나 도펀트에 결정미세 분말을 첨가할 때, 그 체적에 비하여 표면적이 큰 미세 분말은 Ⅲ족 용융물에 잘 젖지 않고, 따라서 미세 분말이 쉽게 용해되지 않는다. 특히, 포화용해도가 낮은 질화물 결정에 있어서는, 낮은 용해도는 결정성장에 있어서 치명적인 결점이 된다. 종래 시판되고 있는 것과 같은 Ⅲ족 질화물은 대부분 미세 분말상태이고, 한결같이 상술한 결점을 가지고 있었다.The mixture of group III nitride crystals and group III metal elements obtained by the first and second manufacturing methods of the nitride crystals of the present invention and the group III metal elements has a surface of which the group III metal is completely formed even though the group III nitride crystals are fine crystals. There is a big characteristic in the point wetted by an element. When crystalline fine powder is added to a raw material or a dopant for liquid phase growth, the fine powder having a large surface area relative to its volume does not wet well with the Group III melt, and thus the fine powder is not easily dissolved. In particular, in nitride crystals with low saturated solubility, low solubility is a fatal defect in crystal growth. Group III nitrides such as those conventionally marketed are mostly fine powders, and have consistently had the above-mentioned drawbacks.

종래의 Ⅲ족 질화물합성법에서는 원료로 Ⅲ족의 산화물이나 염화물을 사용하기 때문에 합성한 질화물 분말에서 미반응물을 제거하는 공정이 반드시 필요하였다. 본 발명의 질화물 결정의 제1 및 제2제조방법, 및 이러한 제조방법들 및 Ⅲ족 금속원소에 의해 얻어지는 Ⅲ족의 질화 미세 결정과 Ⅲ족 금속원소의 혼합물을 출발원료로 사용하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 결정의 액상성장방법에서는, 원료로서 산화물이나 염화물을 사용하지 않으므로, 미반응물이 액상성장시의 불순물이 되지 않는다. 따라서, 상기 산화물 또는 염화물을 액상성장의 원료로 사용하지 않을 때 Ⅲ족 질화물만을 추출하는 일없이, 상기 혼합물을 액상성장의 원료로 직접 사용할 수 있다. 이 추출공정을 생략할 수 있다면, 공정을 대폭 단축할 수 있을 뿐 아니라, 추출공정에서 발생하기 쉬운 원료의 오염을 없앨 수 있어 고순도인 액상성장이 가능해진다.In the conventional group III nitride synthesis method, an oxide or chloride of group III is used as a raw material, and thus a step of removing unreacted material from the synthesized nitride powder is necessary. The first and second manufacturing methods of the nitride crystals of the present invention, and methods for producing these and using a mixture of the group III nitride microcrystals and the group III metal elements obtained by the group III metal elements are used as starting materials. In the liquid phase growth method of group III nitride crystals, since no oxide or chloride is used as a raw material, the unreacted material does not become an impurity during liquid phase growth. Therefore, when the oxide or chloride is not used as a raw material for liquid phase growth, the mixture can be used directly as a raw material for liquid phase growth without extracting only group III nitride. If this extraction step can be omitted, not only can the process be greatly shortened, but also the contamination of the raw materials that are likely to occur in the extraction step can be eliminated, and high-purity liquid growth can be achieved.

본 발명은 질화물 결정의 제1 또는 제2제조방법 및 Ⅲ족 금속원소에 의해 얻어지는 Ⅲ족의 질화 미세 결정과 Ⅲ족 금속원소의 혼합물, 및 이 혼합물을 출발원료로 사용하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 결정의 액상성장방법에 관하여 개시하고 있으나, 본 발명은 기상성장방법에도 적용할 수 있다. 즉, 질화물 결정의 제1 또는 제2제조방법에 의해 얻어지는 혼합물 및 Ⅲ족 금속원소에서 Ⅲ족 금속원소를 제거하여 얻어지는 Ⅲ족의 질화물 결정분말에 관한 발명도 제공된다.The present invention provides a first or second method for producing nitride crystals, a mixture of group III nitride microcrystals obtained from group III metal elements, and a group III metal element, and a mixture of the group III as a starting material. Although a liquid phase growth method of nitride crystals is disclosed, the present invention can also be applied to a vapor phase growth method. That is, the invention also relates to a nitride crystal powder of Group III obtained by removing the Group III metal element from the mixture obtained by the first or second production method of the nitride crystal and the Group III metal element.

또한 상기 Ⅲ족의 질화물 결정분말을 용융, 재응고 또는 소결, 및 용융물을 재응고 또는 소결하는 Ⅲ족의 질화물 결정의 제조방법도 제공된다.There is also provided a method for producing a group III nitride crystal by melting, resolidifying or sintering the group III nitride crystal powder and resolidifying or sintering the melt.

본 발명의 제 2 요점은 갈륨 등의 Ⅲ족 금속원소의 용융물 중에 씨결정 또는 기판결정을 침지하고, 결정 표면을 암모니아 등의 질소를 함유하는 가스의 기포와 단속적으로 접촉시켜, 씨결정 또는 기판결정의 표면에서 Ⅲ족 금속원소와 질소를 함유하는 가스를 반응시킴으로써, 결정 표면에 Ⅲ족 금속원소의 질화물 결정을 성장시키는 방법이다.The second point of the present invention is to immerse the seed crystal or substrate crystal in a melt of a group III metal element such as gallium, and to contact the crystal surface intermittently with a bubble of a gas containing nitrogen such as ammonia, so that the seed crystal or substrate crystal A method of growing a nitride crystal of a group III metal element on a crystal surface by reacting a group III metal element with a gas containing nitrogen on the surface thereof.

이 질화물 결정의 성장법도 합성하는 질화물의 융점보다 훨씬 낮은 온도에서 Ⅲ족 금속원소 용융물 중에 질소를 함유하는 가스를 주입하고 액상의 Ⅲ족 금속원소를 기상의 V족 원소를 반응시켜 Ⅲ족 금속원소 용융물 중에서 고체상의 Ⅲ족 질화물 결정을 직접 생성하는 것(질화물의 용융물에서 질화물 용융물을 제조할 수 없다)을 전제로 한다. 이것은 Ⅲ족 금속원소용융물에 대한 질화물의 용해도가 매우 낮다는 특징을 유리하게 이용한 것이다. 이 전제 자체가, 상기 주입법과 같은 용융물을 이용한 성장법과는 전혀 다른 새로운 개념에 의거하는 결정성장법이다.The growth method of the nitride crystal is also injected into the Group III metal element melt at a temperature far lower than the melting point of the nitride to be synthesized, and the Group III metal element melts by reacting the liquid Group III metal element with the gaseous Group V element. It is assumed that direct generation of a solid group III-nitride crystal is impossible (a nitride melt cannot be produced from the melt of nitride). This advantageously takes advantage of the fact that the solubility of nitrides in Group III metal element melts is very low. This premise itself is a crystal growth method based on a new concept completely different from the growth method using a melt such as the above injection method.

갈륨, 알루미늄, 인듐 등의 Ⅲ족 금속원소와 암모니아, 히드라진 등의 질소를 함유하는 가스는 질화물의 융점(예를 들어 GaN이면 2000℃ 이상으로 말하여지고 있다)에 비하면 꽤 낮은 수백 내지 1000℃ 정도의 온도에서 반응하여 Ⅲ족 질화물을 생성하는 것이 알려져 있다. 예를 들어 다음과 같은 보고('Crystal growth of GaN by reaction between Ga and NH3' D.E1well et.al., J.Crysta1 Growth 66 (1984) 45-54)가 있다.Gases containing group III metal elements such as gallium, aluminum, and indium and nitrogen such as ammonia and hydrazine are considerably lower than the melting point of nitride (for example, GaN is said to be 2000 ° C. or higher). It is known to produce group III nitrides by reaction at a temperature of. For example, the following report ('Crystal growth of GaN by reaction between Ga and NH 3 ' D.E1well et.al., J.Crysta1 Growth 66 (1984) 45-54).

그러나, 생성된 GaN은 Ⅲ족 용융물에는 용해되지 않고 Ⅲ족 용융물의 표면에 석출될 뿐이다.However, the produced GaN does not dissolve in the Group III melt but only precipitates on the surface of the Group III melt.

질화물 결정의 제3제조방법에서는 갈륨 등의 Ⅲ족 금속원소의 용융물 중에 씨결정을 침지하고, 결정 표면에 암모니아 등의 질소를 함유하는 가스의 기포를 단속적으로 접촉시키고, 제4제조방법에서는 갈륨 등의 Ⅲ족 금속원소의 용융물 중에 기판결정을 침지하고, 결정 표면에 암모니아 등의 질소를 함유하는 가스의 기포를 단속적으로 접촉시킨다. 씨결정 또는 기판결정의 표면에서 Ⅲ족 금속원소와 질소를 함유하는 가스를 반응시킴으로써 씨결정 또는 기판결정의 표면에 결합한 Ⅲ족 원자를 질화시키고, 질화물 결정을 기판 상에 에피텍셜 성장시킬 수 있다. 이 반응을 연속적으로 행하면 에피텍셜막 또는 벌크결정을 성장시킬 수 있다.In the third manufacturing method of nitride crystals, the seed crystals are immersed in a melt of a group III metal element such as gallium, and the bubbles of gas containing nitrogen such as ammonia are intermittently brought into contact with the crystal surface. Substrate crystals are immersed in the melt of the Group III metal element, and bubbles of gas containing nitrogen such as ammonia are intermittently brought into contact with the crystal surface. By reacting a Group III metal element with a gas containing nitrogen at the surface of the seed crystal or the substrate crystal, the Group III atoms bonded to the surface of the seed crystal or the substrate crystal can be nitrided, and the nitride crystal can be epitaxially grown on the substrate. By carrying out this reaction continuously, an epitaxial film or a bulk crystal can be grown.

또한, 질화물 결정의 제3 또는 제4제조방법에 있어서 상기 Ⅲ족 금속원소가 Al, Ga, In 중 어느 하나이고, 또한 상기 질소원자를 함유하는 가스를 암모니아가스로 할 수도 있다.In the third or fourth manufacturing method of the nitride crystal, the Group III metal element is any one of Al, Ga, and In, and the gas containing the nitrogen atom may be ammonia gas.

본 발명의 제 3 요점인 질화물 결정의 성장방법은 실린더 내에 질화물 결정분말과 액체밀봉제를 수용하여 피스톤으로 가압하면서 가열하는 공정을 포함하는것을 특징으로 한다.A method for growing nitride crystals, which is the third point of the present invention, is characterized by including a step of receiving a nitride crystal powder and a liquid sealant in a cylinder and heating the same with a piston.

압력하에 가열하여 질화물의 용융물을 제작한 후, 온도 및 압력을 상압, 상온으로 되돌려 질화물의 용융물을 응고시킬 수 있다. 또한, 질화물 결정분말의 융점 직전까지 가열하여 질화물의 결정을 고체상 성장시킬 수 있다. 질화물 결정분말이 압력 하에 미리 성형될 수 있다. 질화물의 출발원료는 주입법에 의해 합성된 GaN 결정분말인 것이 바람직하다. 적어도 액체밀봉제가 융해할 때까지는 원료분말을 진공중 또는 질소 분위기 중에 두도록 하는 것이 바람직하다. 실린더 내의 질화물 원료는 온도 구배를 갖는 것이 바람직하다. 질화물 원료 중의 저온쪽에 씨결정을 배치하는 것이 바람직하다. 결정성장 중에 온도 증가 및 감소 및/또는 압력 증가 및 감소를 반복하는 것이 바람직하다. 질화물 결정분말을 압력 하에 성형할 때에 바인더로서 질화물 결정의 구성원소를 사용할 수 있다.After heating under pressure to form a melt of nitride, the temperature and pressure can be returned to normal pressure and room temperature to solidify the melt of nitride. In addition, the nitride crystal can be heated to the solid phase just before the melting point of the nitride crystal powder. The nitride crystal powder may be preformed under pressure. The starting material of the nitride is preferably a GaN crystal powder synthesized by the injection method. It is preferable to keep the raw material powder in a vacuum or nitrogen atmosphere until at least the liquid sealant melts. The nitride raw material in the cylinder preferably has a temperature gradient. It is preferable to arrange the seed crystal at the low temperature side of the nitride raw material. It is desirable to repeat the temperature increase and decrease and / or the pressure increase and decrease during crystal growth. When forming the nitride crystal powder under pressure, a component element of the nitride crystal can be used as the binder.

플럭스와 Ⅲ족 질화물 결정분말을 가압하에서 가열하여 Ⅲ족 질화물 결정 분말을 플럭스에 용해시킨 후, 상기 용액을 냉각하여 Ⅲ족 질화물 결정을 성장시키는 본 발명의 Ⅲ족 질화물 결정의 성장방법은, 플럭스의 가열온도를 800℃로 이상으로 하고, 또한 상기 플럭스는 적어도 Ga, In, Pb, Sn, Bi 및 Na 중 하나 이상을 함유하는 것을 특징으로 한다.The method for growing a Group III nitride crystal of the present invention in which the flux and the Group III nitride crystal powder are heated under pressure to dissolve the Group III nitride crystal powder in the flux, and then the solution is cooled to grow the Group III nitride crystal, The heating temperature is 800 ° C. or higher, and the flux contains at least one of Ga, In, Pb, Sn, Bi, and Na.

원료인 Ⅲ족 질화물 결정분말 및 플럭스는 주입법에 의해 합성된 Ⅲ족 금속원소와 Ⅲ족 질화물 결정 분말의 혼합물인 것이 바람직하다. 원료인 Ⅲ족 질화물이 용해된 플럭스는 온도 구배를 갖는다. 이 용액을 냉각하여 저온쪽에 Ⅲ족 질화물 결정을 석출시킬 수 있다. 플럭스 중에 씨결정을 배치하고 Ⅲ족 질화물 결정을 씨결정상에 석출시킬 수 있다. 플럭스 상에 액체밀봉제를 띄우는 것이 바람직하다. 가압수단으로서 실린더 및 피스톤을 사용할 수 있다.It is preferable that the raw material of the group III nitride crystal powder and the flux is a mixture of the group III metal element and the group III nitride crystal powder synthesized by the injection method. The flux in which the raw material Group III nitride is dissolved has a temperature gradient. The solution can be cooled to precipitate group III nitride crystals on the low temperature side. The seed crystals may be disposed in the flux, and group III nitride crystals may be precipitated on the seed crystals. It is desirable to float a liquid sealant on the flux. Cylinders and pistons can be used as the pressing means.

이하, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 Ⅲ족 질화물 결정의 성장방법을 설명한다.Hereinafter, a method for growing group III nitride crystals according to another embodiment of the present invention will be described.

(1) 본 발명의 실시형태의 요점은 원료인 질화물을 가열, 가압할 때에 상기 질화물의 분해나 승화를 방지하기 위하여 액체밀봉제를 사용한 데에 있다.(1) The point of embodiment of this invention is the use of the liquid sealing agent in order to prevent decomposition | disassembly and sublimation of the said nitride when heating and pressurizing nitride which is a raw material.

핫프레스법의 변형예로서, HIP(고온 등방 프레스)법이 알려져 있다. HIP는 시료에 압력을 균일하게 가하기 위하여 적당한 매질을 사용하여 핫 프레스를 행하는 방법이다. HIP의 매질은 시료와의 이형성(離型性)을 중요시하기 때문에 가스나 시료와 반응하지 않는 다른 분말체를 사용하는 것이 일반적이다. 매질은 원료의 분해나 승화를 억제하는 효과는 없다. 이 점이 액체밀봉제를 사용하는 본 발명과는 다른 점이다. 한편, 본 실시형태에 있어서의 액체밀봉제는 매질로서도 작용하기 때문에 질화물 원료의 가압을 등방적으로 행할 수 있어 균질한 결정을 성장시킬 수 있다.As a modification of the hot press method, the HIP (high temperature isotropic press) method is known. HIP is a method of hot pressing using a suitable medium to uniformly apply pressure to a sample. Since the medium of HIP regards the releasability with the sample, it is common to use gas or other powder that does not react with the sample. The medium has no effect of suppressing decomposition or sublimation of the raw material. This point is different from the present invention using a liquid sealant. On the other hand, since the liquid sealant in the present embodiment also acts as a medium, it is possible to pressurize the nitride raw material isotropically to grow homogeneous crystals.

질화물의 출발원료로서 주입법에 의해 제작한 GaN 결정분말을 사용할 수도 있다. 이 방법에 의해 제작된 분말은 고순도이고 입자 크기가 미세하고, 크기가 균일하다. 그러므로, 가압시 압력이 등방적으로 가해지기 쉬워, 균질하고 고순도인 결정이 성장할 수 있다. 또 주입법에서는 GaN 분말을 용이하고 저렴하게 대량으로 얻을 수 있기 때문에 GaN 단일 결정의 제조비용을 감소시키기에 효과적이다.As a starting material of the nitride, a GaN crystal powder produced by the injection method may be used. The powder produced by this method is of high purity, fine in particle size, and uniform in size. Therefore, pressure is easily isotropically applied during pressurization, and homogeneous and high purity crystals can be grown. In addition, since the GaN powder can be obtained in large quantities easily and inexpensively in the implantation method, it is effective to reduce the manufacturing cost of the GaN single crystal.

바인더로서 질화물 결정의 구성원소를 사용할 수 있다. 예를 들어, GaN의 결정 성장의 경우, GaN 분말에 소량의 금속 Ga를 첨가하여 잘 혼합하고, 이것을 출발원료로서 결정을 성장시키는 것이 바람직하다. 이것은 성장한 결정의 순도를 유지하기 위한 수단이다. 이런 의미에서 바인더에는 불순물이 될 것 같은 성분을 함유한 물질은 사용하지 않는 것이 바람직하다.As a binder, a member of nitride crystals 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 the GaN powder and mix well, and to grow the crystal as a starting material. This is a means to maintain the purity of the grown crystals. In this sense, it is preferable not to use a substance containing a component likely to be an impurity in the binder.

액체밀봉제가 융해할 때까지 원료분말을 진공중에 두어, 원료의 분말체 입자 사이에 존재하고 있는 가스를 제거하여 성장결정 중이나 액체밀봉제 중에 기포가 형성되지 않는 것이 바람직하다. 원료의 분말 중에 질소가스를 넣기 위하여, 원료 분말을 질소 중에 두는 것이 바람직하다. 질소 가스를 원료 용액에 용해시켜 질화물을 가능한 한 많이 합성시킨다.It is preferable that the raw material powder is placed under vacuum until the liquid sealant melts to remove gas existing between the powder particles of the raw material so that no bubbles are formed during growth crystallization or the liquid sealant. In order to inject nitrogen gas into the powder of a raw material, it is preferable to place a raw material powder in nitrogen. Nitrogen gas is dissolved in the raw material solution to synthesize as much nitride as possible.

원료는 온도 구배를 가져 결정의 성장방향을 저온쪽에서 고온쪽으로의 한 방향으로 한정함으로써 대형이고 균질한 단일 결정을 성장시키는 것이 바람직하다. 저온쪽에 씨결정을 배치하는 경우도 동일한 목적이다.The raw material preferably has a temperature gradient to grow a large, homogeneous single crystal by limiting the growth direction of the crystal in one direction from the low temperature side to the high temperature side. The same purpose is also provided when seed crystals are placed on the lower side.

원료의 높이를 직경보다 크게 하여, 결정성장 동안 원료 내의 온도 구배가 지름방향보다 길이방향으로 커지도록 하는 것이 바람직하다. 그 결과, 상기한 한 방향으로의 결정성장이 용이하다.It is preferable to make the height of the raw material larger than the diameter so that the temperature gradient in the raw material becomes larger in the longitudinal direction than the radial direction during the crystal growth. As a result, crystal growth in one direction is easy.

압력 및 온도는 상승 및 하강을 반복하여, 질화물 결정의 핵을 석출시키고 재융해시키며, 선택적으로 우세한 성장핵을 남겨 대형의 질화물 단일 결정 입자를 성장시킬 수 있다.The pressure and temperature may rise and fall repeatedly to precipitate and re-melt the nuclei of nitride crystals, and optionally to grow large nitride single crystal grains, leaving a predominant growth nucleus.

(2) 본 발명의 다른 실시형태의 요점은 플럭스법에서 용질이 되는 원료로 Ⅲ족 질화물 결정 분말 자체를 사용하여 분말이 승화 또는 분해되지 않도록 미리 원료분말의 표면 각각을 플럭스로 덮은 것에 있다.(2) The point of another embodiment of the present invention is to cover each surface of the raw material powder with flux in advance so that the powder does not sublimate or decompose using the group III nitride crystal powder itself as a raw material that is a solute in the flux method.

플럭스법의 원료로 성장시키고자 하는 결정의 분말을 사용하는 방법은 명백해 보이고, 플럭스법은 산화물 결정성장에서는 일반적으로 사용된다. 그러나, Ⅲ족 질화물의 결정성장에서는 Ⅲ족 질화물 결정 자체를 원료로 사용한 플럭스법은 지금까지 보고된 적이 없다. 그 이유로서는, 첫 번째로 Ⅲ족 질화물의 결정분말을 제작하는 것 자체가 어려워 원료의 입수가 곤란하고, 두 번째로 분말원료는 밀도가 낮아 플럭스에 뜨기 쉽고 원료 표면이 플럭스로 젖기 어려워 결과적으로 플럭스에 용해시키기 어려운 점을 들 수 있다. 원료분말의 입경이 커지면 분말을 용해하기 쉽다고 생각되나, 지금으로서는 입경이 큰 Ⅲ족 질화물 결정을 입수하는 방법은 보고되어 있지 않다.The method of using the powder of the crystal to be grown as the raw material of the flux method seems obvious, and the flux method is generally used in oxide crystal growth. However, in the crystal growth of group III nitride, the flux method using the group III nitride crystal itself as a raw material has not been reported until now. For this reason, first, it is difficult to produce crystal powder of group III nitride, which makes it difficult to obtain raw materials. Second, powder raw materials have low density, which is easy to float on the flux, and the surface of raw materials is difficult to get wet with flux. The point which is hard to melt | dissolve in is mentioned. It is thought that the powder is easy to dissolve when the particle size of the raw material powder is large. However, no method for obtaining a Group III nitride crystal having a large particle size is reported.

그러나, 본 발명의 질화물 결정의 제1 및 제2제조방법에 따르면, Ⅲ족 질화물 결정의 분말을 간편하게 제작할 수 있어 상술한 제 1 문제는 해결된다. 또, 질화물 결정의 제1 또는 제2제조방법 및 Ⅲ족 금속원소에 의해 얻어지는 Ⅲ족의 질화 미세 결정과 Ⅲ족 금속 원료의 혼합물을 사용하면 두 번째 문제도 해결할 수 있다.However, according to the first and second production methods of the nitride crystals of the present invention, the powder of the group III nitride crystals can be easily produced, which solves the first problem described above. The second problem can also be solved by using a mixture of the group III nitride microcrystals obtained by the first or second production method of the nitride crystal and the group III metal element.

또한, 검토를 거듭한 결과, 주입법 이외의 방법, 예를 들어, 염화갈륨과 암모니아 가스를 고온에서 반응시키는 방법에 의해 제작한 GaN 분말을 사용해도, GaN 분말을 미리 융해시킨 Ga와 잘 혼합하여, GaN 분말의 각 표면을 플럭스로 덮어두면, 승화나 분해가 문제가 되지 않을 정도로 억제되는 것을 알아내었다. 또, 이 효과는 플럭스로 Ga를 사용하였을 경우에도, In, Pb, Sn, Bi 및 Na 중 적어도 하나를 함유하는 플럭스를 사용하였을 경우에도 인정되었다.Further, as a result of repeated studies, even if a GaN powder produced by a method other than the injection method, for example, a method of reacting gallium chloride and ammonia gas at a high temperature, the GaN powder was mixed well with Ga which was previously melted, It was found that when each surface of the GaN powder was covered with flux, the sublimation or decomposition was suppressed to the extent that it was not a problem. This effect was also recognized even when Ga was used as the flux, even when a flux containing at least one of In, Pb, Sn, Bi, and Na was used.

본 실시형태에 있어서 GaN을 800℃ 이상의 온도에서 성장시키는 이유는 800℃를 경계로 하여 GaN의 결정성장의 모드가 변하기 때문이다.The reason why GaN is grown at a temperature of 800 ° C. or higher in the present embodiment is that the mode of crystal growth of GaN changes at 800 ° C. as a boundary.

즉, 플럭스에 용해되는 GaN의 양은 플럭스온도가 높을수록 많아진다. 따라서 결정성장을 효율적으로 하기 위해서는 성장온도는 높은 쪽이 바람직하다. 플럭스에 대한 GaN의 용해도는 온도에 대하여 연속적으로 변화하기 때문에 800℃를 경계로 용해량이 변화하는 것은 아니다. 그러나, 800℃ 이하의 온도에서 GaN 결정을 성장시키고자 하면 용해된 GaN은 용해되지 않은 GaN 분말 각 표면에만 재석출되고, 압력이나 냉각시간이 변해도 큰 결정을 성장시킬 수 없는 것을 알아내었다.That is, the amount of GaN dissolved in the flux increases as the flux temperature increases. Therefore, the higher the growth temperature is, the more preferable the crystal growth is. Since the solubility of GaN in the flux varies continuously with temperature, the amount of dissolution does not change around 800 ° C. However, it was found that when GaN crystals were grown at a temperature of 800 ° C. or lower, dissolved GaN was reprecipitated only on each surface of undissolved GaN powder, and large crystals could not be grown even if the pressure or cooling time changed.

한편, 800℃ 이상의 온도이면 미용해 분말 위에 석출되나, 플럭스의 저온부에서 새로운 결정핵도 성장하여, 결과적으로 GaN 단일 결정을 크게 성장시킬 수 있다.On the other hand, if the temperature is 800 ° C or higher, it is precipitated on the undissolved powder, but new crystal nuclei are also grown at the low temperature part of the flux, and as a result, GaN single crystals can be largely grown.

800℃ 가까이의 저온에서는 대형의 결정을 성장시키는 것은 어려우나, 플럭스가 온도 구배를 가져 온도차법에 의해 결정을 성장시키면 불가능하지는 않다.It is difficult to grow large crystals at low temperatures near 800 ° C, but it is not impossible if the flux has a temperature gradient and grows the crystals by the temperature difference method.

GaN의 원료분말 표면을 플럭스로 젖게 하는 작업은 800℃보다 낮은 온도에서 행할 필요가 있다. 이것은 800℃를 넘으면 GaN의 승화나 분해가 시작되기 때문이다. 따라서, 플럭스로서 이용하는 재료는 융점이 800℃ 이하일 필요가 있다.The work of wetting the surface of the GaN raw material powder with flux needs to be performed at a temperature lower than 800 占 폚. This is because the sublimation or decomposition of GaN starts when it exceeds 800 degreeC. Therefore, the material used as a flux needs to have melting | fusing point 800 degrees C or less.

플럭스로서 사용하는 재료는 융점이 800℃ 이하라는 조건 외에, GaN을 용해시킬 수 있고 GaN과 반응하여 다른 화합물을 생성하지 않는 재료를 선택할 필요가 있다. 예를 들어, GaN 결정을 성장시키는 경우, 알루미늄 등은 전자의 조건은 만족시키나 GaN과 반응하여 AlN을 생성하므로, 플럭스로서 이용할 수는 없다. 또, GaN결정성장용의 플럭스로서는 GaN 을 용해시키기에 충분한 고온에서도 분해됨 없이 안정될 필요도 있다.For the material used as the flux, it is necessary to select a material that can dissolve GaN and not react with GaN to produce other compounds, in addition to the condition that the melting point is 800 ° C or lower. For example, when growing a GaN crystal, aluminum or the like satisfies the former condition but generates AlN by reacting with GaN, and thus cannot be used as a flux. In addition, the flux for GaN crystal growth needs to be stabilized without decomposition even at a high temperature sufficient to dissolve GaN.

플럭스로서 Ga에 Bi를 섞은 원료를 사용할 수 있다. 상기 원료는 GaN의 결정성장시에 석출핵의 발생 빈도가 억제되어 단일 결정의 수율이 향상된다는 장점이 있다.As the flux, a raw material obtained by mixing Bi with Ga can be used. The raw material has the advantage that the frequency of precipitation nuclei is suppressed during the crystal growth of GaN, so that the yield of a single crystal is improved.

플럭스로부터의 GaN의 제거나 플럭스 자체의 증발을 억제하기 위해서, 플럭스의 표면을 액체밀봉제로 덮은 뒤에 가압하는 것이 바람직하다. 이 경우의 가압가스는, 액체밀봉제나 장치의 구성재료와 반응하여 문제점을 야기하지 않는 성질을 갖는 한 모든 종류의 가스를 사용할 수 있다. 원료는 피스톤 등으로 기계적으로 가압하는 것도 가능한 것으로 이해되는 것이 명백하다.In order to suppress the removal of GaN from the flux and the evaporation of the flux itself, it is preferable to cover the surface of the flux with a liquid sealant and pressurize it. As the pressurized gas in this case, any kind of gas can be used as long as it has a property that does not cause a problem by reacting with the liquid sealing agent or the constituent material of the apparatus. It is apparent that the raw material can also be mechanically pressurized with a piston or the like.

<바람직한 실시예의 상세한 설명><Detailed Description of the Preferred Embodiments>

본 발명의 실시예를 하기에 설명한다.Examples of the present invention are described below.

(실시예 1)(Example 1)

본 발명의 실시예로서, 도 1에 표시된 장치를 제작하었다. 이 장치를 사용하여 GaN 미세 결정을 합성하는 예를 설명한다.As an embodiment of the present invention, the apparatus shown in Fig. 1 was fabricated. An example of synthesizing GaN microcrystals using this apparatus will be described.

Ga 3000g을 내경 70mm, 높이 150mm의 석영 도가니(1)에 충전하고, 가열기(2)로 Ga를 950℃로 가열하여, Ga 용융물(3)을 얻었다. 가스 도입관(4)을 거쳐 암모니아 가스를 0.51/분의 유속으로 5시간동안 Ga 용융물(3)에 주입하였다. 용융물(3)에 주입된 가스는 용융물과 반응하여 GaN 미세 결정을 형성하였다. GaN 미세 결정은 Ga 용융물의 표면에 떠올랐다. 반응에 기여하지 않은 암모니아 가스는 기포가 되어, 용융물(3)을 통과해 용기의 상부 공간으로 빠져나가, 배기관(5)를 통하여 용기의 밖으로 배출되었다. 배출된 암모니아 가스는 습식 배기가스 처리장치를 통하여 대기 중으로 방출시켰다. 5시간 동안의 가스 주입 후, 주입하는 가스를 질소로 변환하였으며, Ga 용융물을 실온으로 냉각시켰다.Ga 3000g was filled into a quartz crucible 1 having an internal diameter of 70 mm and a height of 150 mm, and Ga was heated to 950 ° C. with a heater 2 to obtain a Ga melt 3. Ammonia gas was injected into the Ga melt 3 for 5 hours at a flow rate of 0.51 / min via the gas introduction tube 4. The gas injected into the melt 3 reacted with the melt to form GaN microcrystals. GaN microcrystals floated on the surface of the Ga melt. The ammonia gas, which did not contribute to the reaction, became a bubble, passed through the melt 3 to the upper space of the vessel, and was discharged out of the vessel through the exhaust pipe 5. The ammonia gas discharged was discharged into the atmosphere through a wet exhaust gas treatment device. After 5 hours of gas injection, the gas injected was converted to nitrogen and the Ga melt was cooled to room temperature.

냉각된 Ga 용융물을 용기에서 꺼내어 관찰하였다. 다량의 GaN 미세 결정이 Ga 용융물 상에 떠 있었다. GaN 미세 결정의 표면은 Ga 용융물로 완전히 젖어 있었다. 합성 전의 Ga 용융물과 비교할 때, 합성작업 후에 Ga 용융물의 중량이 10.2g 증가하였음을 알 수 있었다. 중량 증가에 기초한 계산에 따르면, 61g의 GaN 미세 결정이 합성되었다.The cooled Ga melt was removed from the vessel and observed. Large amounts of GaN microcrystals floated on the Ga melt. The surface of the GaN microcrystals was completely wet with Ga melt. As compared with the Ga melt before synthesis, it was found that the weight of the Ga melt increased by 10.2 g after the synthesis operation. According to the calculation based on the weight gain, 61 g of GaN microcrystals were synthesized.

(실시예 2)(Example 2)

실시예 1과 유사한 방법으로, GaN 미세 결정을 합성하였다. Ga 용융물 표면에 떠 있는 Ga 미세결정과 GaN 용융물의 혼합물을 원료로 사용하여, 슬라이드 보우트법으로 GaN의 액상 에피텍셜 성장을 실시하였다. 도 2는 성장에 사용된 장치의 단면모식도이다. 도 3은 액상 에피텍셜 성장 시의 온도 프로그램을 나타낸다. 원료(12)로서 Ga 용융물과 GaN 미세 결정의 혼합물 20g을 그래파이트 보우트(11)에 넣었다. 슬라이드 보우트(17) 상에, (25x25mm)의 c-면 사파이어 기판(16)을 배치하였다. 석영 반응관(14)은 내부에 질소가스 유동 대기를 가지도록 하였고, 서모커플(15)의 출력이 1150℃가 될 때까지 원료를 가열기(13)로 가열하였다. 원료를 4시간 동안 이 상태로 유지한 후, 온도를 1100℃로 내리고, 조작봉(18)을 끌어당겨 슬라이드 보우트(17)을 이동시켜, 사파이어 기판(16)을 원료(12)와 접촉시켰다. 그리고 나서, 원료의 온도를 매분 1℃의 비율로 600℃까지 내리고, 조작봉(18)을 밀어 슬라이드 보우트(17)를 원래의 위치로 되돌려 놓아, 기판(16) 및 원료(12)를 분리시켰다. 가열기의 전원을 끄고, 원료(12)를 실온으로 냉각시켰다.In a similar manner to Example 1, GaN microcrystals were synthesized. A liquid epitaxial growth of GaN was performed by a slide boat method using a mixture of Ga microcrystals floating on the surface of the Ga melt and a GaN melt as a raw material. 2 is a schematic cross-sectional view of a device used for growth. 3 shows the temperature program during liquid phase epitaxial growth. As a raw material 12, 20 g of a mixture of a Ga melt and GaN microcrystals was placed in a graphite boat 11. On the slide boat 17, a (25 × 25 mm) c-plane sapphire substrate 16 was placed. The quartz reaction tube 14 had a nitrogen gas flow atmosphere therein, and the raw material was heated by the heater 13 until the output of the thermocouple 15 became 1150 ° C. After keeping the raw material in this state for 4 hours, the temperature was lowered to 1100 ° C., the slide rod 17 was moved by pulling the operating rod 18, and the sapphire substrate 16 was brought into contact with the raw material 12. Then, the temperature of the raw material was lowered to 600 ° C. at a rate of 1 ° C. per minute, and the operating rod 18 was pushed to return the slide boat 17 to its original position to separate the substrate 16 and the raw material 12. . The heater was turned off and the raw material 12 was cooled to room temperature.

성장이 끝난 기판을 꺼내어, 표면 및 단면을 관찰하였다. 사파이어 기판 표면에 투명막이 성장되었다. 단면을 SEM 관찰한 결과, 막두께는 4.2㎛이었다. 실온에서 성장막을 포토루미네선스 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, GaN의 밴드 에지 발광에 해당하는 360nm에서 예리한 발광 피크가 나타나, 성장막은 고품질의 GaN 막인 것으로 확인되었다. 성장막의 전기적 특성을 반 데르 파우법(Van der Pauw method)으로 측정하였다. 1 X 1017cm-3의 캐리어 농도 및 520 cm2/V·sec의 이동성 등 바람직한 특성이 나타났다.The grown substrate was taken out and the surface and the cross section were observed. A transparent film was grown on the surface of the sapphire substrate. As a result of SEM observation of the cross section, the film thickness was 4.2 탆. The photoluminescence measurement result of the growth film at room temperature is shown in FIG. 4. As shown in Fig. 4, a sharp emission peak appeared at 360 nm corresponding to GaN band edge emission, and the growth film was found to be a high quality GaN film. The electrical properties of the growth film were measured by Van der Pauw method. Desirable properties such as carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 and mobility of 520 cm 2 / V · sec were shown.

(실시예 3)(Example 3)

실시예 1과 유사한 방법으로 실시하되, Si 20mg을 미리 원료 Ga에 첨가하여, GaN 미세 결정을 합성하고, 얻어진 Ga 융액과 GaN 미세 결정의 혼합물을 원료로 사용하여, 실시예 2와 유사한 슬라이드 보우트법으로 GaN의 액상 에피텍셜 성장을 실시하였다.A slide boat method similar to Example 2 was carried out in a similar manner to Example 1, except that 20 mg of Si was previously added to the raw material Ga to synthesize GaN microcrystals, and a mixture of the obtained Ga melt and GaN microcrystals was used as the raw material. The liquid phase epitaxial growth of GaN was performed.

얻어진 GaN 막을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도 5에 나타내었다. Si가 도핑된 GaN의 발광에 해당하는 369nm에서 예리한 발광 피크가 나타나, Si가 성장막에 도핑된 것으로 확인되었다. 반 데르 파우법으로 측정한 성장막의 캐리어 농도는 n-형의 6 X 1018cm-3이었다.The result of having measured photoluminescence of the obtained GaN film at room temperature is shown in FIG. A sharp emission peak appeared at 369 nm corresponding to light emission of Si-doped GaN, and it was confirmed that Si was doped into the growth film. The carrier concentration of the growth film measured by Van der Pauw method was n-type 6 × 10 18 cm −3 .

(실시예 4)(Example 4)

실시예 1과 유사한 방법으로 실시하되, Mg 7mg을 미리 원료 Ga에 첨가하여, GaN 미세 결정을 합성하고, 얻어진 Ga 융액과 GaN 미세 결정의 혼합물을 원료로 사용하여, 실시예 2와 유사한 슬라이드 보우트법으로 GaN의 액상 에피텍셜 성장을 실시하였다.A slide boat method similar to Example 2 was carried out in a similar manner to Example 1, except that 7 mg of Mg was added to the raw material Ga in advance to synthesize GaN microcrystals, and a mixture of the obtained Ga melt and GaN microcrystals was used as the raw material. The liquid phase epitaxial growth of GaN was performed.

얻어진 GaN 막을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도 6에 나타내었다. Mg가 도핑된 GaN의 발광에 해당하는 445nm에서 발광 피크가 나타나, Mg가 성장막에 도핑된 것으로 확인되었다. 반 데르 파우법으로 측정한 성장막의 캐리어 농도는 p-형의 5 X 1017cm-3이었다. MOVPE 성장에 의해 얻어진 막은 열처리하지 않으면, 결정 중의 Mg가 활성화되지 않고, p-형 전기적 특성이 나타나지 않는데 비하여, 이러한 방법으로 얻어진 Mg가 도핑된 GaN막에 있어서는 애즈-그로운(as-grown) 상태에서 바람직한 p-형 전기적 특성이 나타났다. 따라서, Mg의 활성화를 방해하는 수소 원자가 도핑되지 않은 것으로 생각할 수 있다.The result of photoluminescence measurement of the obtained GaN film at room temperature is shown in FIG. An emission peak appeared at 445 nm corresponding to emission of Mg-doped GaN, and it was confirmed that Mg was doped into the growth film. The carrier concentration of the growth film measured by Van der Pauw method was p-type 5 × 10 17 cm −3 . The film obtained by MOVPE growth does not activate Mg in the crystal and does not exhibit p-type electrical properties unless heat-treated, whereas the Mg-doped GaN film obtained in this manner is as-grown. Preferred p-type electrical properties have been shown in. Therefore, it can be considered that the hydrogen atom which prevents the activation of Mg is not doped.

(실시예 5)(Example 5)

실시예 1과 유사한 방법으로 합성된 도핑되지 않은 GaN 미세 결정과 금속 Ga의 혼합물을 취하고, 이 혼합물에 염산 및 과산화수소수를 가하여, Ga만을 용해시킨 후, GaN 미세 결정만을 여과지로 여과하였다. 여과된 분말을 순수로 충분히 세정하고, 진공고온 용기내에서 건조시켰다. 그 결과, 회백색의 분말 61g을 얻었다. 현미경으로 분말을 관찰하였을 때, 분말은 각각 그레인 크기가 약 10㎛인 육각형기둥 모양을 기본으로 하는 미세 결정으로 구성되어 있었다. 이 분말을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 도 7에 나타내었다. GaN의 밴드 에지 발광에 해당하는 360nm에서 예리한 발광 피크가 나타나, 얻어진 미세 결정은 고품질의 GaN인 것으로 확인되었다. 얻어진 분말에 오염될 수 있는 불순물의 농도를 2차 이온 질량분석법(SIMS)로 측정하였다. 석영 용기로부터 도핑된 것으로 보이는 약 5 X 1015cm-3의 Si가 검출되었으나, 다른 것들은 검출 한계 이하였다.A mixture of undoped GaN microcrystals and metal Ga synthesized in a similar manner to Example 1 was taken, hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution were added to the mixture to dissolve only Ga, and then only GaN microcrystals were filtered through a filter paper. The filtered powder was washed thoroughly with pure water and dried in a vacuum high temperature vessel. As a result, 61 g of an off-white powder was obtained. When the powder was observed under a microscope, the powder was composed of fine crystals based on hexagonal column shapes each having a grain size of about 10 μm. The result of photoluminescence measurement of this powder at room temperature is shown in FIG. A sharp emission peak appeared at 360 nm corresponding to the band edge emission of GaN, and the obtained fine crystal was found to be high quality GaN. The concentration of impurities that could be contaminated in the powder obtained was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). About 5 × 10 15 cm −3 of Si, which appears to be doped from the quartz vessel, was detected, but others were below the detection limit.

(실시예 6)(Example 6)

실시예 5에서 얻은 GaN 미세 결정 분말을 원료로 사용하여, 도 8에 나타낸 바와 같은 장치로 GaN의 기상 에피텍셜 성장을 실시하였다. 원료로서 GaN 미세 결정 분말(26) 25g을 직경 50mm의 석영 도가니(23)에 충전하였다. 석영 도가니(23)를 그래파이트 석셉터(graphite susceptor, 25)로 지지하여, 석영 용기(21) 내에 배치하였다. 한편, (25mm X 25mm)의 c-면 사파이어 기판(28)을 그래파이트로 된 기판 홀더(22)로 고정하여, 기판 표면이 원료(26)에 대향하도록 석영 도가니(23) 중에 매달았다. 이러한 상태로, 석영 용기(21)의 내부를 암모니아 가스 대기로 치환하였다. 암모니아 가스를 0.5 l/분으로 흘려보내는 동안, 원료를 가열기(24)로 가열하였다. 도가니 아래에 배치된 서모커플(27)의 출력에 의해 1100℃가 되도록 가열을 제어하였다. 이때, 기판(28)의 표면 온도는 약 850℃이었다. 원료를 가열된 상태로 24시간 동안 유지하여, 승화에 의해 결정이 성장되었다.Using GaN microcrystalline powder obtained in Example 5 as a raw material, vapor phase epitaxial growth of GaN was performed by an apparatus as shown in FIG. As a raw material, 25 g of GaN fine crystal powder 26 was filled in a quartz crucible 23 having a diameter of 50 mm. The quartz crucible 23 was supported by a graphite susceptor 25 and placed in the quartz vessel 21. On the other hand, the c-plane sapphire substrate 28 of (25 mm × 25 mm) was fixed with the substrate holder 22 made of graphite, and suspended in the quartz crucible 23 so that the substrate surface faced the raw material 26. In this state, the inside of the quartz container 21 was replaced with ammonia gas atmosphere. The raw material was heated with heater 24 while flowing ammonia gas at 0.5 l / min. Heating was controlled so that it might become 1100 degreeC by the output of the thermocouple 27 arrange | positioned under the crucible. At this time, the surface temperature of the board | substrate 28 was about 850 degreeC. The raw material was kept in a heated state for 24 hours, and crystals were grown by sublimation.

꺼낸 사파이어 기판의 표면에는 투명한 GaN 막이 성장되어 있었다. GaN 막의표면을 현미경으로 관찰하였을 때, 삼각형 내지 육각형의 형태가 관찰되었다. 성장막의 평균 두께는 약 400㎛이었다. 성장막의 전기적 특성을 반 데르 파우법으로 측정한 결과, 캐리어 농도는 2 X 1017cm-3이고, 이동성은 490cm2/V·sec로 바람직한 특성이 나타났다.A transparent GaN film was grown on the surface of the sapphire substrate taken out. When the surface of the GaN film was observed under a microscope, the shape of triangle to hexagon was observed. The average thickness of the growth film was about 400 μm. As a result of measuring the electrical properties of the growth film by the van der Pau method, the carrier concentration was 2 X 10 17 cm -3 and the mobility was 490 cm 2 / V · sec.

(실시예 7)(Example 7)

실시예 1과 동일한 방법으로, Ga 대신에 In을 사용하여 InN을 합성하였다. 합성온도를 600℃로 한 점을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 조건을 사용하였다. 합성된 InN을 180℃로 냉각하고, In 융액 표면에 떠 있는 InN 미세 결정과 금속 In의 혼합물을 In이 응고되기 전에 꺼내었다.InN was synthesized in the same manner as in Example 1 using In instead of Ga. The same conditions as in Example 1 were used except that the synthesis temperature was set at 600 ° C. The synthesized InN was cooled to 180 ° C. and a mixture of InN microcrystals and metal In floating on the In melt surface was taken out before In solidified.

염산과 과산화수소수를 가하여 In만을 용해시킨 후, 용액을 여과지로 여과하여 InN 미세 결정만을 취하였다. 여과하여 얻은 분말을 순수로 충분히 세정한 후, 진공 고온 용기에서 건조하였다. 그 결과, 엷은 회백색의 분말 약 200g을 얻었다. 이 분말을 현미경으로 관찰하였을 때, 분말은 각각 그레인 크기가 약 8㎛인 육각형 기둥 모양을 기본으로 하는 미세 결정으로 구성되어 있었다. 이 분말을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과, InN의 밴드 에지 발광에 해당하는 650nm의 발광 피크가 관찰되었다.Hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution were added to dissolve only In, and then the solution was filtered through filter paper to obtain only InN microcrystals. The powder obtained by filtration was thoroughly washed with pure water and then dried in a vacuum hot container. As a result, about 200 g of pale gray-white powder was obtained. When the powder was observed under a microscope, the powder was composed of fine crystals based on hexagonal pillar shapes each having a grain size of about 8 µm. As a result of photoluminescence measurement of this powder at room temperature, an emission peak of 650 nm corresponding to the band edge emission of InN was observed.

(변형예)(Variation)

앞선 실시예들에서는 GaN 결정 성장을 주로 관찰하였고, InN 결정 성장도 언급하였으나, 본 발명은 또한 AlN 결정 및 AlGaN, GaInN 등의 AlN 또는 InN의 혼합결정에도 적용할 수 있다.In the previous examples, GaN crystal growth was mainly observed, and InN crystal growth was mentioned, but the present invention can also be applied to AlN crystals and mixed crystals of AlN or InN such as AlGaN and GaInN.

질소를 포함하는 가스로서 암모니아 이외에도, 히드라진, 모노 메틸 히드라진 등을 사용하는 것을 고려할 수 있다.As a gas containing nitrogen, in addition to ammonia, it is possible to use hydrazine, mono methyl hydrazine, or the like.

대기압 하에서의 액상 결정 성장의 실시예를 설명하였으나, 결정이 질소 또는 암모니아의 고압 대기하에서 성장되는 경우, 결정 성장 속도가 더욱 증가될 수 있다.While embodiments of liquid crystal growth under atmospheric pressure have been described, the crystal growth rate can be further increased when the crystal is grown under a high pressure atmosphere of nitrogen or ammonia.

사파이어 기판 상의 에피텍셜 성장에 관한 액상 성장 및 기상 성장의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 또한 다른 기판을 사용한 에피텍셜 성장 또는 질화물 벌크 결정 성장에도 적용할 수 있다.While embodiments of liquid phase growth and vapor phase growth relating to epitaxial growth on sapphire substrates have been described, the present invention can also be applied to epitaxial growth or nitride bulk crystal growth using other substrates.

합성에 의해 얻어진 질화물 미세 결정의 수율 및 그레인 크기는 Ⅲ족 용융물에 주입되는 암모니아 등의 가스의 체재 시간에 의해 제어될 수 있다. 가스 도입관 말단 모양을 바꾸거나, 용액 중에서 석영 세공 등에 의해 가스 기포가 빠져나가는 경로를 설치하는 등의 변형예가 고려될 수 있다.The yield and grain size of the nitride microcrystals obtained by the synthesis can be controlled by the residence time of a gas such as ammonia injected into the Group III melt. Modifications such as changing the end shape of the gas inlet tube or providing a path through which gas bubbles escape from the solution by quartz pores may be considered.

(다른 실시예)(Other embodiment)

본 발명에서 얻은 질화물 미세 결정은 반도체 재료 또는 루미네선스 재료로서 광범위하게 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 액상 성장법은 자외선-황색광 발광 소자의 제조에 적용하는 데 효과적이다.The nitride microcrystals obtained in the present invention can be widely applied as semiconductor materials or luminescent materials. In particular, the liquid phase growth method according to the present invention is effective to apply to the production of ultraviolet-yellow light emitting device.

예를 들어, 실시예 2에서 설명한 액상 성장 장치에 원료 하우징 부품을 두 위치에 제공하면, Mg 도핑된 GaN 원료를 부품 중 하나에 충전하고, Si 도핑된 GaN을 나머지 부품에 충전하여, p-형 및 n-형의 GaN막을 연속적으로 기판 상에 성장시킬 수 있다. 이러한 방법으로 얻어진 에피텍셜 성장 기판을 LED 제조 공정에 사용하는 경우, p-n 접합형의 청색 LED를 쉽게 제조할 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 통상의 MOVPE에 비하여 쉽고, 안전하며, 저가로 LED를 제조할 수 있다. 통상의 MOVPE에 의한 GaN 성장에서는, p-형 결정의 형성을 위하여 추가로 열처리를 실시할 필요가 있다. 따라서, 결정의 표면이 항상 p-형이 되도록 소자의 구조를 설계하여야하는 제한이 있다. 본 발명에 따른 액상 에피텍셜 성장법을 사용하면, 열처리 없이도 p-형 도전성이 얻어지므로, 소자의 구조 설계에 있어서의 허용한계가 상당히 증가될 수 있다.For example, when the raw material housing part is provided in two positions in the liquid growth apparatus described in Example 2, the Mg-doped GaN raw material is filled in one of the parts, and the Si-doped GaN is filled in the remaining parts, thereby forming a p-type. And an n-type GaN film can be continuously grown on the substrate. When the epitaxial growth substrate obtained by this method is used in the LED manufacturing process, a p-n junction type blue LED can be easily produced. According to this method, LEDs can be manufactured easier, safer, and at a lower cost than conventional MOVPE. In normal GaN growth by MOVPE, it is necessary to further heat-treat the formation of p-type crystals. Therefore, there is a limitation to design the structure of the device so that the surface of the crystal is always p-type. Using the liquid epitaxial growth method according to the present invention, since p-type conductivity is obtained without heat treatment, the tolerance in the structural design of the device can be significantly increased.

질화물 합성 온도, 대기 압력, 원료 투입량 등은 합성할 질화물의 종류 및 사용할 원료의 종류에 따라 다르므로, 무조건적으로 최적 조건을 결정하기는 어렵다.Since the nitride synthesis temperature, the atmospheric pressure, the raw material input amount, etc. depend on the type of nitride to be synthesized and the type of raw material to be used, it is difficult to determine the optimum condition unconditionally.

(실시예 8)(Example 8)

본 발명의 실시예 8로서, 도 9에 나타낸 장치를 제조하였다. 이 장치를 사용하여 GaN 결정을 성장시키는 예를 설명한다.As Example 8 of the present invention, the apparatus shown in Fig. 9 was manufactured. An example of growing a GaN crystal using this apparatus will be described.

내경 70mm, 높이 200mm의 석영용기(31)에 용융 Ga(33) 3000g을 충전하고, SiC 단일 결정 조각(6mm X 6mm)을 씨결정(35)으로 씨결정지지 지그(34)의 말단에 부착하여, 용융 Ga(33)중에 고정시켰다. 이러한 상태로, 용융 Ga(33)을 가열기(32)로 가열하고, 서모커플(37)의 출력으로 1000℃가 되도록 제어하였다.A quartz vessel 31 having an inner diameter of 70 mm and a height of 200 mm was filled with 3000 g of molten Ga 33, and a SiC single crystal piece (6 mm X 6 mm) was attached to the end of the seed crystal support jig 34 with the seed crystal 35. It fixed in the molten Ga 33. In this state, the molten Ga 33 was heated by the heater 32 and controlled to be 1000 ° C by the output of the thermocouple 37.

이어, 내경이 6mm인 석영으로 된 암모니아 도입관(36)을 통하여, 0.2 l/분의 속도로 76시간 동안 암모니아 가스를 석영용기(31)의 저부로부터 도입하였다.Subsequently, ammonia gas was introduced from the bottom of the quartz vessel 31 for 76 hours at a rate of 0.2 l / min through the ammonia introduction tube 36 made of quartz having an internal diameter of 6 mm.

용융 Ga(33)에 도입된 암모니아 가스는 용융물 중에서 기포로 발생되었다. 발생하는 기포의 수는 매분 약 350개였다. 용융물 중에서 발생한 암모니아 가스 기포는 씨결정(35)의 표면과 충돌하여, 씨결정 표면에서 GaN 결정을 잇달아 형성하였다. 미반응 암모니아 가스는 기포인 채로 용융 Ga의 표면까지 도달되어, 용기 밖으로 배출되었다. 배기 가스는 습식 스크러버로 처리하여, 대기 중으로 방출하였다. 씨결정의 표면 이외의 곳에서 암모니아 가스의 기포와 Ga가 반응하여 형성된 수 ㎛ 직경의 GaN 미세 결정들은 용융 Ga의 표면에 떠 있어, 씨결정의 성장에 기여하지 않았다.The ammonia gas introduced into the molten Ga 33 was bubbled in the melt. The number of bubbles generated was about 350 per minute. Ammonia gas bubbles generated in the melt collided with the surface of the seed crystal 35 to form GaN crystals on the seed crystal surface one after another. Unreacted ammonia gas reached the surface of molten Ga while being bubbled, and was discharged out of the container. The exhaust gas was treated with a wet scrubber and released into the atmosphere. GaN microcrystals having a diameter of several micrometers formed by reacting bubbles of ammonia gas and Ga outside the surface of the seed crystals floated on the surface of molten Ga, and did not contribute to the growth of the seed crystals.

성장된 결정을 냉각하여, 용융 Ga로부터 꺼내었다. 표면에 부착된 금속 Ga를 염산으로 세척하였다. 그 결과, 직경이 약 10mm이고, 높이가 약 6mm인 육각형 기둥 모양의 GaN 결정을 얻었다. 얻어진 결정은 투명한 황갈색이었다. 얻어진 결정은 X-선 회절분석법에 의해 GaN 결정임을 확인하였다. X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)은 약 2분이었다. 이는 얻어진 결정이 바람직한 결정성을 가진다는 것을 나타낸다.The grown crystals were cooled and taken out of molten Ga. Metal Ga attached to the surface was washed with hydrochloric acid. As a result, a hexagonal columnar GaN crystal having a diameter of about 10 mm and a height of about 6 mm was obtained. The obtained crystals were transparent yellowish brown. The obtained crystals were confirmed to be GaN crystals by X-ray diffraction analysis. The full width at half maximum (FWHM) of the X-ray diffraction peaks was about 2 minutes. This indicates that the crystal obtained has desirable crystallinity.

도 10은 얻어진 결정을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 나타낸다. 도핑되지 않은 GaN의 밴드 에지 발광에 해당하는 360nm에서 예리한 발광 피크가 나타났다. 또한, 포토루미네선스 측정에 의해, 얻어진 결정이 고품질의 GaN 결정임이 확인되었다.10 shows the result of photoluminescence measurement of the obtained crystal at room temperature. A sharp emission peak appeared at 360 nm, corresponding to band edge emission of undoped GaN. In addition, it was confirmed by photoluminescence measurement that the obtained crystal was a high quality GaN crystal.

(실시예 9)(Example 9)

본 발명의 실시예 9로서, 도 11에 나타낸 장치를 제조하였다. 이 장치를 사용하여 GaN 결정을 에피텍셜 성장시키는 예를 설명한다.As Example 9 of the present invention, the apparatus shown in Fig. 11 was manufactured. An example of epitaxially growing GaN crystals using this apparatus will be described.

내경 70mm, 높이 150mm의 석영 도가니(45)를 그래파이트 석셉터(44)에 넣고, 스테인레스 용기(43) 내에 설치하였다. 용융 Ga(48) 3000g을 석영 도가니(45)에 충전하고, (25mm X 25mm)의 c-면 사파이어 단일 결정 기판(이하, 사파이어 기판이라 칭함)을 기판지지 지그(47)의 말단에 부착하여 용융 Ga(48)에 침지하였다. 사파이어 기판(49)을 수평에서 몇도 기울여 용융 Ga(48) 중에 고정하였다. J자 모양으로 말단이 구부러진 석영제 암모니아 가스 도입관(41)을 용융 Ga(48) 중에 설치하였다. 사파이어 기판(49)의 아래쪽 말단 바로 아래에 위치하도록 가스 도입관(41)의 말단을 고정하였다. 이러한 상태로, 용융 Ga(48)를 가열기(42)로 가열하고, 서모커플(46)의 출력에 의해 950℃가 되도록 제어하였다. 이어, 암모니아 도입관(41)을 통하여, 0.1 l/분의 비율로 1시간 동안 용융 Ga(48)에 암모니아 가스를 도입하였다. 도입된 암모니아 가스는 용융물 중에서 기포로 발생되었다. 기포의 수는 매분 약 200개였다. 용액 중에 생성된 암모니아 가스의 기포는 사파이어 기판(49)의 아래쪽 말단에 충돌하고, 기판 표면을 따라 발생되었다. 그리고 나서, 용융 Ga(48)의 표면에 도달한 기포는 용기 밖으로 배출되었다. 배기가스는 습식 스크러버로 처리하여, 대기 중으로 방출하였다.A quartz crucible 45 having an inner diameter of 70 mm and a height of 150 mm was placed in a graphite slab 44 and installed in a stainless container 43. 3000 g of molten Ga 48 is charged into a quartz crucible 45, and a (25 mm × 25 mm) c-plane sapphire single crystal substrate (hereinafter referred to as a sapphire substrate) is attached to the end of the substrate supporting jig 47 and melted. It was immersed in Ga (48). The sapphire substrate 49 was fixed in molten Ga 48 by tilting it several degrees from the horizontal. A quartz ammonia gas inlet tube 41 bent in a J-shape was installed in the molten Ga 48. The end of the gas introduction pipe 41 was fixed to be located directly below the bottom end of the sapphire substrate 49. In this state, the molten Ga 48 was heated by the heater 42 and controlled to be 950 ° C by the output of the thermocouple 46. Then, ammonia gas was introduced into the molten Ga 48 for 1 hour at a rate of 0.1 l / min through the ammonia introduction tube 41. The introduced ammonia gas was bubbled in the melt. The number of bubbles was about 200 per minute. Bubbles of ammonia gas generated in the solution hit the lower end of the sapphire substrate 49 and were generated along the substrate surface. Then, bubbles reaching the surface of the molten Ga 48 were discharged out of the container. The exhaust gas was treated with a wet scrubber and released into the atmosphere.

성장된 결정을 냉각하고, 용융 Ga(48)로부터 꺼내어, 표면에 부착된 금속 Ga를 염산으로 세척하였다. 그 결과, 사파이어 기판 상에 두께 4㎛의 투명한 결정 박막을 얻었다. 얻어진 결정은 X-선 회절 분석법으로 GaN 결정임을 확인하였다. X-선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)은 약 5분이었다.The grown crystals were cooled, taken out of the molten Ga 48, and the metal Ga attached to the surface was washed with hydrochloric acid. As a result, a transparent crystalline thin film having a thickness of 4 μm was obtained on the sapphire substrate. The obtained crystals were confirmed to be GaN crystals by X-ray diffraction analysis. The full width at half maximum (FWHM) of the X-ray diffraction peaks was about 5 minutes.

도 12는 얻어진 결정을 실온에서 포토루미네선스 측정한 결과를 나타낸다.도핑되지 않은 GaN의 밴드 에지 발광에 해당하는 360nm에서 예리한 발광 피크가 나타났으며, 이로써 얻어진 결정이 고품질의 GaN 결정임이 확인되었다.Fig. 12 shows the results of photoluminescence measurement of the obtained crystals at room temperature. A sharp emission peak appeared at 360 nm corresponding to the band edge emission of undoped GaN, and it was confirmed that the obtained crystal was a high quality GaN crystal. .

질화물 결정 성장 온도, 성장 동안의 대기의 압력, 원료 투입량 등은 성장되는 질화물의 종류 및 사용할 원료의 종류에 따라 다르므로, 무조건적으로 결정하기는 어렵다.Nitride crystal growth temperature, atmospheric pressure during growth, raw material input amount, etc. depend on the type of nitride to be grown and the type of raw material to be used, and thus it is difficult to determine unconditionally.

질소를 함유하는 가스로 암모니아를 선택하는 이유는 일정정도의 화학적 활성, 안정성 및 경제성을 고려한 결과이다. 이론적으로는, 히드라진 가스, 모노메틸 히드라진 등도 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 가스는 암모니아에 비해서 폭발할 위험성이 매우 크다.The reason for selecting ammonia as a gas containing nitrogen is a result of considering a certain degree of chemical activity, stability and economy. In theory, hydrazine gas, monomethyl hydrazine and the like can also be used. However, these gases have a greater risk of explosion than ammonia.

결정 성장 동안 Ⅲ족 원료물질의 온도는 성장한 결정의 분해 또는 재용융을 방지하기 위하여 성장하는 질화물의 용융점 이하로 설정된다.During crystal growth, the temperature of the group III raw material is set below the melting point of the growing nitride to prevent decomposition or remelting of the grown crystals.

(변형예)(Variation)

앞선 실시예들에서는 GaN 결정 성장을 관찰하였으나, 본 발명은 또한 InN, AlN 또는 InN 및 AlN의 혼합 결정인 AlGaN 또는 GaInN의 결정 성장에도 적용할 수 있다. 또한, Ⅲ족 용융물 또는 질소를 함유하는 가스에 불순물 원소를 도핑함으로써, 불순물이 도핑된 질화물 결정을 성장시킬 수 있다.Although the GaN crystal growth was observed in the above embodiments, the present invention can also be applied to the crystal growth of AlGaN or GaInN, which is InN, AlN or a mixed crystal of InN and AlN. Further, by doping an impurity element into a Group III melt or a gas containing nitrogen, a nitride crystal doped with impurities can be grown.

질소를 포함하는 가스로는 암모니아 이외에도, 히드라진, 모노 메틸 히드라진 등을 사용하는 것을 고려할 수 있다.As a gas containing nitrogen, it is possible to use hydrazine, mono methyl hydrazine and the like in addition to ammonia.

융액 중에 발생하는 가스 기포의 크기 및 수를 제어하기 위하여, 암모니아를 Ⅲ족 융액에 도입하는 것과 같은 가스 도입관의 말단 모양을 다양하게 변형시킬 수있다. 예를 들어, 가스도입관 말단에 기포 노즐을 복수개 설치하거나, 가스도입관 말단에 그물망을 제공할 수 있다.In order to control the size and number of gas bubbles generated in the melt, the terminal shape of the gas inlet tube such as introducing ammonia into the Group III melt can be variously modified. For example, a plurality of bubble nozzles may be provided at the end of the gas introduction pipe, or a net may be provided at the end of the gas introduction pipe.

Ⅲ족 융액 중에 복수의 씨결정 또는 복수의 기판 결정을 제공하는 것도 고려할 수 있다.It is also conceivable to provide a plurality of seed crystals or a plurality of substrate crystals in the Group III melt.

도 1, 2, 8, 9 및 11에서 나타낸 실시예에서는 본 발명의 요부를 나타내는 결정 성장 용기만을 설명하였으나, 가스의 흐름을 조절하기 위한 매스 플로우 컨트롤러 및 프로그램에 의해 가열기의 온도를 자동적으로 제어하는 온도조절기가 조합된 시스템을 구성하면, 결정 성장을 더욱 쉽게 제어할 수 있다.1, 2, 8, 9 and 11 described only the crystal growth vessel showing the main part of the present invention, the mass flow controller and the program for controlling the flow of gas to automatically control the temperature of the heater By constructing a combined system of thermostats, it is easier to control crystal growth.

본 발명에서 얻은 질화물 결정은 반도체 재료 또는 루미네선스 재료로서 광범위하게 적용될 수 있다. 특히, 질화물의 벌크 단일 결정은 청색 레이저 다이오드의 제조시에 기판 재료로서 최적이다.The nitride crystals obtained in the present invention can be widely applied as semiconductor materials or luminescent materials. In particular, bulk single crystals of nitride are optimal as substrate materials in the manufacture of blue laser diodes.

(실시예 10)(Example 10)

본 발명의 다른 실시예로서, 도 13에 나타낸 바와 같이 구성된 장치를 사용하여 GaN 결정을 성장시키는 예를 설명한다. 본 실시예에서는, 액체 밀봉제를 사용한다.As another embodiment of the present invention, an example of growing a GaN crystal using an apparatus configured as shown in Fig. 13 will be described. In this embodiment, a liquid sealant is used.

본 장치는 스테인레스로 된 물-냉각 챔버(102) 내에 구성되어 있다. 물-냉각 챔버(102)의 바닥면에는 받침대(109)가 설치되며, 받침대(109) 위에는 실린더(107)가 놓여 있다. 가열기(104) 및 단열재(108)가 실린더(107) 주위에 설치된다. 피스톤(103)이 실린더(107)의 위쪽 말단에 슬라이딩이 자유롭게 끼워 맞춰진다. 이 피스톤(103)은 유압 실린더(도시하지 않음) 에 연결된 압봉(101)에 의해서 수직으로움직이므로, 실린더(107) 내의 원료(106)를 가압할 수 있다. 실린더(107), 피스톤(103), 받침대(109), 가열기(104) 및 단열재(108)은 고순도 그래파이트제이다.The apparatus is constructed in a water-cooling chamber 102 made of stainless steel. A pedestal 109 is installed on the bottom surface of the water-cooling chamber 102, and a cylinder 107 is placed on the pedestal 109. Heater 104 and heat insulator 108 are installed around cylinder 107. The piston 103 slides freely into the upper end of the cylinder 107. Since this piston 103 is moved vertically by the push rod 101 connected to the hydraulic cylinder (not shown), the raw material 106 in the cylinder 107 can be pressurized. The cylinder 107, the piston 103, the pedestal 109, the heater 104, and the heat insulator 108 are made of high purity graphite.

실린더(107)는 내경 10mm, 높이 60mm이다. 원료(106)로서 주입법으로 생성된 GaN 결정 분말 10g과 액체 밀봉제(105)로서 B2O32g을 실린더(107)에 충전하였다. GaN 결정 분말 및 B2O3은 각각 그레인 크기를 줄이기 위하여 모타르 중에서 충분히 분쇄하였다. GaN 결정 분말 및 B2O3을 실린더(107)에 충전할 때, B2O3가 GaN 결정 분말을 둘러싸도록 배치하였다. 분말 원료(106)의 부피가 증가하였기 때문에, 전체를 한번에 실린더(107)에 충전하기는 어려웠다. 따라서, 원료를 충전하는 동안 피스톤(103)을 사용하여 원료(106)를 압축하면서 수회로 나누어 충전하였다.The cylinder 107 has an inner diameter of 10 mm and a height of 60 mm. 10 g of GaN crystal powder produced by the injection method as the raw material 106 and 2 g of B 2 O 3 as the liquid sealant 105 were filled in the cylinder 107. GaN crystal powder and B 2 O 3 were each sufficiently ground in mortar to reduce grain size. When GaN crystal powder and B 2 O 3 were charged to the cylinder 107, B 2 O 3 was disposed so as to surround the GaN crystal powder. Since the volume of the powder raw material 106 increased, it was difficult to fill the cylinder 107 all at once. Therefore, while filling the raw material, the piston 106 was used to compress the raw material 106 while being divided into several times.

원료(106)가 충전된 장치의 챔버(102) 내의 압력을 대기 가스 치환용 밸브(110)을 통해 1 X 10-2torr로 감소시키고, 원료 분말(106)에서 가스를 제거시켰다. 이러한 상태로, 피스톤(103)을 사용하여 4톤/cm2의 압력을 원료에 가하고, 히터(104)를 사용하여 원료를 2200℃까지 가열하였다. 원료(106)를 3시간 동안 가압 및 가열한 후에, 가열기 온도를 2℃/분의 비율로 600℃까지 낮추고, 피스톤(103)에 의한 가압을 풀고, 온도를 다시 실온으로 냉각시켜, 시료를 취하였다.The pressure in the chamber 102 of the apparatus filled with the raw material 106 was reduced to 1 × 10 −2 torr through the atmospheric gas displacement valve 110, and the gas was removed from the raw powder 106. In this state, a pressure of 4 ton / cm 2 was applied to the raw material using the piston 103, and the raw material was heated to 2200 ° C. using the heater 104. After pressurizing and heating the raw material 106 for 3 hours, the heater temperature was lowered to 600 ° C at a rate of 2 ° C / min, the pressurization by the piston 103 was released, the temperature was cooled to room temperature again, and the sample was taken. It was.

꺼낸 실린더(107) 내에는 용융 GaN이 서서히 응고되는 이러한 방법으로 얻어질 것으로 여겨지는 그레인 크기가 큰 GaN 단일 결정이 형성되었으며, 금속 Ga를함유하는 GaN 다결정 층이 GaN 단일결정 주위에 형성되었고, B2O3박막이 전체 표면을 덮고 있었다. GaN 단일 그레인은 직경 7mm, 높이 16mm의 육각형 기둥모양이었다.In the taken out cylinder 107, a large grain size GaN single crystal, which is believed to be obtained by this method of slowly solidifying molten GaN, was formed, and a GaN polycrystalline layer containing metal Ga was formed around the GaN single crystal, and B The thin film of 2 O 3 covered the entire surface. GaN single grains were hexagonal columns 7 mm in diameter and 16 mm in height.

(실시예 11)(Example 11)

본 발명의 다른 실시예로서, 실시예 10에서와 동일한 장치를 사용하여 하기의 GaN 결정을 성장시켰다. 본 실시예에서도 액체 밀봉제를 사용하였다.As another embodiment of the present invention, the following GaN crystals were grown using the same apparatus as in Example 10. The liquid sealant was also used in this example.

실린더(107)의 내벽, 피스톤(103) 및 받침대(109)의 말단면에 용융 B2O3가 얇게 도포된 장치를 준비하였다. 주입법으로 생성된 GaN 분말 10g과 금속 Ga 0.5g을 30℃로 가열하여, Ga를 융해시킨 상태로 잘 혼합하였다. 혼합물을 프레스기로 압축하여 직경 9mm, 높이 22mm의 디스크형으로 예비성형하였다. 예비성형된 원료(106)를 실린더(107)에 넣고, 질소 대기 중에서 650℃로 가열하여 액체 밀봉제(105)인 B2O3를 연화시켰다. 이러한 상태로, 피스톤(103)을 사용하여 원료(106)에 4톤/cm2의 압력을 가하였다. 다시, 이 상태에서 원료를 2200℃로 가열하고, 3시간 유지시켰다. 그리고 나서, 원료를 실시예 10과 동일한 방법으로 냉각하여, 실시예 10에서와 비슷한 그레인 크기를 갖는 GaN 단일결정을 얻었다.The inner wall, the molten end faces of the piston 103 and the pedestal (109), B 2 O 3 of the cylinder 107 was prepared a thin coating device. 10 g of the GaN powder produced by the injection method and 0.5 g of the metal Ga were heated to 30 ° C., and the mixture was well mixed with Ga melted. The mixture was pressed with a press and preformed into a disk of 9 mm in diameter and 22 mm in height. The preformed raw material 106 was placed in a cylinder 107 and heated to 650 ° C. in a nitrogen atmosphere to soften B 2 O 3 , the liquid sealant 105. In this state, the piston 103 was used to apply pressure of 4 ton / cm 2 to the raw material 106. In this state, the raw material was heated to 2200 ° C. and maintained for 3 hours. The raw material was then cooled in the same manner as in Example 10 to obtain a GaN single crystal having a grain size similar to that in Example 10.

(실시예 12)(Example 12)

본 발명의 다른 실시예로서, 실시예 10에서와 동일한 장치를 사용하여 하기의 GaN 결정을 성장시켰다. 본 실시예에서도 액체 밀봉제를 사용한다.As another embodiment of the present invention, the following GaN crystals were grown using the same apparatus as in Example 10. The liquid sealant is also used in this embodiment.

원료(106)로서 주입법으로 생성된 GaN 결정 분말 10g과 액체 밀봉제(105)로B2O32g을 실린더(107)에 충전하였다. GaN 결정 분말 및 B2O3를 실린더(107)에 충전할 때, B2O3가 GaN 결정분말을 둘러싸도록 배치하였다.As the raw material 106, 10 g of GaN crystal powder produced by the injection method and 2 g of B 2 O 3 were charged into the cylinder 107 with the liquid sealant 105. When the GaN crystal powder and the B 2 O 3 were filled in the cylinder 107, the B 2 O 3 was disposed so as to surround the GaN crystal powder.

원료(106)가 충전된 장치의 챔버(102)내 압력을 대기 가스 치환용 밸브(110)을 통해 1 X 10-2torr로 감소시키고, 원료 분말(106)에서 가스를 제거하였다. 이러한 상태로, 피스톤(103)을 사용하여 원료에 100톤/cm2의 압력을 가하고, 가열기(104)를 사용하여 원료를 1900℃까지 가열하였다. 원료를 가압 및 가열된 상태로 48시간동안 유지시킨 후, 가열기 온도를 20℃/분의 비율로 600℃까지 낮추고, 피스톤(103)에 의한 가압을 풀고, 다시 온도를 실온까지 냉각시켜 시료를 취하였다.The pressure in the chamber 102 of the apparatus filled with the raw material 106 was reduced to 1 × 10 −2 torr through the atmospheric gas displacement valve 110, and the gas was removed from the raw material powder 106. In this state, a pressure of 100 ton / cm 2 was applied to the raw material using the piston 103, and the raw material was heated to 1900 ° C. using the heater 104. After the raw material was kept in a pressurized and heated state for 48 hours, the heater temperature was lowered to 600 ° C. at a rate of 20 ° C./min, the pressurization by the piston 103 was released, and the temperature was cooled to room temperature again to take a sample. It was.

GaN 결정 그레인이 고상 성장하는 이러한 방법으로 얻어질 것으로 여겨지는 그레인 크기가 큰 GaN 단일 결정이 약간 있었다. 비교적 그레인 크기가 작은 GaN의 다결정층이 GaN 단일 결정 주위에 있었다. 또한, B2O3박막이 외면 전체를 덮고 있었다. GaN 단일 결정의 모양은 다양하였다. 가장 큰 결정은 직경 6mm, 높이 약 10mm이었다.There were a few large grain size GaN single crystals that are believed to be obtained by this method of solid growth of GaN crystal grains. A relatively small grain size of GaN polycrystalline layer was around the GaN single crystal. In addition, the B 2 O 3 thin film covered the entire outer surface. GaN single crystals varied in shape. The largest crystals were 6 mm in diameter and about 10 mm in height.

(실시예 13)(Example 13)

본 발명의 다른 실시예로서, 실시예 10에서와 동일한 장치를 사용하여 하기의 GaN 결정 성장을 실시하였다. 본 실시예에서도 액체밀봉제를 사용한다.As another embodiment of the present invention, the following GaN crystal growth was carried out using the same apparatus as in Example 10. In this embodiment, a liquid sealant is also used.

원료(106)로서 주입법으로 생성된 GaN 결정 분말 10g과 액체 밀봉제(105)로B2O32g을 실린더(107)에 충전하였다. GaN 결정 분말 및 B2O3를 실린더(107)에 충전할 때, B2O3가 GaN 결정분말을 둘러싸도록 배치하였다.As the raw material 106, 10 g of GaN crystal powder produced by the injection method and 2 g of B 2 O 3 were charged into the cylinder 107 with the liquid sealant 105. When the GaN crystal powder and the B 2 O 3 were filled in the cylinder 107, the B 2 O 3 was disposed so as to surround the GaN crystal powder.

원료(106)가 충전된 장치의 물-냉각 챔버(102)내 압력을 대기 가스의 치환용 밸브(110)을 통해 1 X 10-2torr로 감소시키고, 원료 분말(106)에서 가스를 제거하였다. 이러한 상태로, 피스톤(103)을 사용하여 원료에 10톤/cm2의 압력을 가하고, 가열기(104)를 사용하여 원료를 2200℃까지 가열하였다. 원료를 3시간 동안 가압 및 가열한 후, 가열기 온도를 2000℃까지 낮추고, 30분간 두었다. 이어, 가압하중을 9.5톤/cm2으로 낮추고, 가열기 온도를 2100℃로 증가시켜, 원료를 30분간 두었다. 그리고 나서, 가열기 온도를 2000℃로 감소시키고, 가압하중을 10톤/cm2으로 증가시켰다. 상기한 주기를 5번 반복한 후, 가열기 온도를 마지막으로 2℃/분의 비율로 600℃까지 감소시키고, 피스톤에 의한 가압을 풀고, 온도를 다시 실온으로 냉각하여, 시료를 취하였다.The pressure in the water-cooling chamber 102 of the apparatus filled with the raw material 106 was reduced to 1 × 10 −2 torr through the valve 110 for replacing the atmospheric gas, and the gas was removed from the raw powder 106. . In this state, a pressure of 10 ton / cm 2 was applied to the raw material using the piston 103, and the raw material was heated to 2200 ° C. using the heater 104. After pressurizing and heating the raw material for 3 hours, the heater temperature was lowered to 2000 ° C. and left for 30 minutes. Then, the pressure load was lowered to 9.5 tons / cm 2 , the heater temperature was increased to 2100 ° C., and the raw material was left for 30 minutes. The heater temperature was then reduced to 2000 ° C. and the pressurized load was increased to 10 tons / cm 2 . After repeating the above cycle five times, the heater temperature was finally reduced to 600 ° C at a rate of 2 ° C / min, the pressurization by the piston was released, and the temperature was cooled to room temperature again to take a sample.

꺼낸 실린더(107)에는 용융 GaN을 서서히 응고시켜 얻어질 것으로 여겨지는 그레인 크기가 큰 GaN 단일 결정이 형성되었으며, 금속 Ga를 함유하는 GaN 다결정 층이 GaN 단일결정 주위에 소량 형성되었고, B2O3박막이 전체 표면을 덮고 있었다. GaN 단일 그레인은 직경 8mm, 높이 18mm의 육각형 기둥모양이었다.A large grain size GaN single crystal believed to be obtained by slowly solidifying molten GaN was formed in the taken out cylinder 107, and a small amount of GaN polycrystalline layer containing metal Ga was formed around the GaN single crystal, and B 2 O 3 The thin film covered the entire surface. GaN single grains were hexagonal columns 8 mm in diameter and 18 mm in height.

(실시예 14)(Example 14)

본 발명의 다른 실시예로서, 도 14에 나타낸 구성의 장치를 사용하여 하기의 GaN 결정 성장을 실시하였다. 본 실시예에서도 액체 밀봉제를 사용하였다.As another embodiment of the present invention, the following GaN crystal growth was carried out using the apparatus shown in FIG. The liquid sealant was also used in this example.

본 장치는 원료(106)가 도면의 수직방향으로 온도구배를 가지도록, 원료를 가열하는 가열기를 상부 가열기(113)와 하부 가열기(114)로 분리하는 점을 제외하고는 도 13에 나타낸 장치와 실질적으로 동일한 구성을 가진다. 받침대(109)는 원료가 쉽게 온도구배를 가질 수 있도록 물-냉각 구조로 하였다.The apparatus is similar to the apparatus shown in FIG. 13 except that the heater for heating the raw material is separated into the upper heater 113 and the lower heater 114 so that the raw material 106 has a temperature gradient in the vertical direction of the drawing. Have substantially the same configuration. Pedestal 109 has a water-cooled structure so that the raw material can easily have a temperature gradient.

앞선 실시예에서와 유사한 방법에 의해 제공되는 GaN 단일결정을 형성하여, 씨결정(111)으로, 고순도 그래파이트로된 실린더(107)의 바닥부에 배치시켰다. 씨결정 상에, 원료(106)로서 주입법으로 생성된 GaN 결정분말 10g을 놓았다. GaN 씨결정 및 분말 원료를 둘러싸도록, 액체 밀봉제(105)로서 B2O3를 배치하였다.A GaN single crystal provided by a method similar to that in the previous embodiment was formed and placed into the seed crystal 111 at the bottom of the cylinder 107 made of high purity graphite. On the seed crystals, 10 g of the GaN crystal powder produced by the injection method was placed as the raw material 106. B 2 O 3 was disposed as the liquid sealant 105 so as to surround the GaN seed crystal and the powder raw material.

원료(106)가 충전된 장치의 챔버(102)내 압력을 대기 가스의 치환용 밸브(110)을 통해 1 X 10-2torr로 감소시키고, 원료 분말(106)에서 가스를 제거하였다. 이러한 상태로, 피스톤(103)을 사용하여 원료에 10톤/cm2의 압력을 가하고, 가열기(114)를 사용하여 원료의 상부를 2200℃까지 가열하고, 가열기(113)를 사용하여 원료의 하부를 2000℃로 가열하였다. 원료 분말이 완전히 융해될 때까지, 원료를 이러한 상태로 3시간동안 유지시킨 후, 상부 및 하부 가열기 온도를 0.5℃/분의 비율로 각각 1800℃ 및 1600℃까지 낮춘 후, 10℃/분의 비율로 각각 800℃ 및 600℃까지 감소시켰다. 피스톤(103)에 의한 가압을 풀고, 다시 원료를 실온까지 냉각시켜 시료를 취하였다.The pressure in the chamber 102 of the apparatus filled with the raw material 106 was reduced to 1 × 10 −2 torr through the valve 110 for replacing the atmospheric gas, and the gas was removed from the raw material powder 106. In this state, the piston 103 is used to apply a pressure of 10 ton / cm 2 to the raw material, the upper part of the raw material is heated to 2200 ° C. using the heater 114, and the lower part of the raw material using the heater 113. Heated to 2000 ° C. The raw material is held in this state for 3 hours until the raw material powder is completely melted, and then the upper and lower heater temperatures are lowered to 1800 ° C and 1600 ° C at a rate of 0.5 ° C / min, respectively, and then at a rate of 10 ° C / min. Furnaces were reduced to 800 ° C. and 600 ° C., respectively. The pressurization by the piston 103 was released, and the raw material was cooled to room temperature again, and the sample was taken.

꺼낸 실린더(107)에는 융해된 GaN을 서서히 응고시켜 얻어질 것으로 여겨지는 그레인 크기가 큰 GaN 단일 결정이 형성되었으며, 금속 Ga를 함유하는 GaN 다결정 층이 GaN 단일결정 주위에 소량 형성되었고, B2O3박막이 전체 표면을 덮고 있었다. GaN 단일 그레인은 직경 10mm, 높이 20mm의 기둥모양이었다.A large grain size GaN single crystal believed to be obtained by slowly solidifying molten GaN was formed in the taken out cylinder 107, and a small amount of GaN polycrystalline layer containing metal Ga was formed around the GaN single crystal, and B 2 O Three thin films covered the entire surface. GaN single grains were 10 mm in diameter and 20 mm in height.

각각의 실시예 10 내지 14에서, B2O3이외에도, KCl 및 NaCl, BaCl2, CaCl2등이 또한 액체 밀봉 물질로 사용될 수 있다.In each of Examples 10 to 14, in addition to B 2 O 3 , KCl and NaCl, BaCl 2 , CaCl 2, and the like may also be used as the liquid sealing material.

앞선 실시예에서는 하중의 인가 방향이 수직방향이었으나, 수평방향으로 하중을 인가하는 변형예가 또한 가능하다. 가열수단인 저항가열을 유도가열 등으로 바꾸거나, 온도 분포를 미세하게 설정하고, 결정 성장시에 온도를 제어하기 위해 복수의 가열 수단을 사용하는 등의 변형예를 또한 고려할 수 있다. 온도구배의 방향은 상하 반대방향 또는 수평방향일 수 있다. 온도구배의 방향 및 하중의 인가 방향이 항상 일치해야 하는 것은 아니다.In the previous embodiment, the direction of applying the load was in the vertical direction, but a modification of applying the load in the horizontal direction is also possible. Modifications such as changing resistance heating as heating means into induction heating, setting a fine temperature distribution, and using a plurality of heating means to control the temperature at the time of crystal growth can also be considered. The direction of the temperature gradient may be a vertical direction or a horizontal direction. The direction of the temperature gradient and the direction of application of the load do not always have to coincide.

(실시예 15)(Example 15)

본 발명의 다른 실시예로서, 도 15에 나타낸 구성을 가지는 시스템을 사용하여 GaN 결정을 성장시키는 예를 설명한다. 본 실시예에서는 플럭스를 사용한다.As another embodiment of the present invention, an example of growing a GaN crystal using a system having the configuration shown in FIG. 15 will be described. In this embodiment, flux is used.

본 시스템에서는, 고순도 그래파이트로 된 단열재(122), 가열기(123) 및 석셉터(124)가 스테인레스로 된 물-냉각 고압 챔버(121) 내에 수용된다.In the present system, high purity graphite insulation 122, heater 123 and receptor 124 are housed in a stainless steel water-cooled high pressure chamber 121.

내경 50mm, 높이 150mm인 실린더형 pBN 도가니(125)의 바닥에, MOCVD에 의해 GaN이 미리 에피텍셜 성장되어 있는 사파이어 기판을 씨결정(128)으로 배치하였다.플럭스가 충전될 때 떠오르지 않도록 사파이어 기판을 도가니 바닥에 고정하였다.At the bottom of the cylindrical pBN crucible 125 having an inner diameter of 50 mm and a height of 150 mm, a sapphire substrate having GaN previously epitaxially grown by MOCVD was disposed as the seed crystal 128. A sapphire substrate was placed so as not to float when the flux was charged. Fixed to the crucible bottom.

원료(127)로서 주입법으로 합성된 GaN 분말 15g과 플럭스로서 금속 Ga 100g를 도가니에 충전하였다. GaN 분말과 금속 Ga를 50℃로 가열하여, 금속 Ga가 용융되는 상태에서 잘 혼합하고, 금속 Ga가 각각의 GaN 분말의 표면을 감싸도록 하였다.As the raw material 127, 15 g of the GaN powder synthesized by the injection method and 100 g of the metal Ga as the flux were filled in the crucible. The GaN powder and the metal Ga were heated to 50 ° C. to mix well in the state where the metal Ga was melted, so that the metal Ga covered the surface of each GaN powder.

밸브(126)을 조작하여, 질소가스로 로의 압력을 20Mpa로 증가시켰다. 압력을 유지하면서, 원료(127) 온도를 1600℃로 증가시켰다. 원료(127)를 3시간 동안 1600℃로 유지시키고, GaN 분말을 Ga 플럭스 중에 용해시키고, 원료 온도를 1℃/분의 비율로 800℃까지 감소시킨 후, 원료를 퀀칭하고, 압력을 대기압으로 되돌렸다.The valve 126 was operated to increase the pressure of the furnace to 20 Mpa with nitrogen gas. While maintaining the pressure, the temperature of the raw material 127 was increased to 1600 ° C. The raw material 127 was kept at 1600 ° C. for 3 hours, the GaN powder was dissolved in Ga flux, the raw material temperature was reduced to 800 ° C. at a rate of 1 ° C./min, the material was quenched, and the pressure was returned to atmospheric pressure. Turned.

상기 성장 공정에서 씨결정(128)으로 제공되는 사파이어 기판을 로에서 취하여 부착된 Ga를 염산으로 세척하였다. 두께가 약 1.3mm인 GaN 단일 결정이 사파이어 기판 상에 성장되었다.In the growth process, a sapphire substrate provided as seed crystals 128 was taken out of the furnace and the attached Ga was washed with hydrochloric acid. GaN single crystals with a thickness of about 1.3 mm were grown on the sapphire substrate.

(실시예 16)(Example 16)

본 발명의 다른 실시예로서, 도 16에 나타낸 구성의 시스템을 사용하여 GaN 결정을 성장시키는 예를 설명한다. 본 실시예에서도 플럭스를 사용한다.As another embodiment of the present invention, an example in which GaN crystals are grown using the system having the configuration shown in FIG. 16 will be described. Flux is also used in this embodiment.

본 시스템의 구성은 가열기를 하나만 사용하는 대신에 상부 가열기(131), 중부 가열기(132) 및 하부 가열기 (133)의 3개의 가열기를 사용한다는 점을 제외하고는 실시예 15에서 설명한 시스템과 실질적으로 동일하다. 가열기들은 원료(127)가 수직방향으로 온도구배를 가질 수 있도록, 독립적으로 온도를 제어한다.The configuration of the system is substantially the same as that of the system described in Example 15, except that three heaters, the upper heater 131, the central heater 132, and the lower heater 133, are used instead of only one heater. same. The heaters independently control the temperature so that the raw material 127 can have a temperature gradient in the vertical direction.

실시예 15의 방법으로 생성된 GaN 단일 결정을 도가니(125)의 바닥에씨결정(128)으로 놓았다. 플럭스가 충전될 때 떠오르지 않도록 씨결정(128)을 도가니(125)의 바닥에 고정시켰다. 원료(137)로서 GaN 분말 50g과 플럭스로서 Ga 100g 및 Bi 20g을 도가니(125)에 충전하였다. 암모니아 가스 흐름 중에서 금속 Ga를 900℃로 가열하여, Ga와 N을 반응시키고, 미반응 Ga를 왕수로 제거하여 얻은 GaN 분말을 사용하였다.The GaN single crystal produced by the method of Example 15 was placed as seed crystal 128 at the bottom of the crucible 125. The seed crystal 128 is fixed to the bottom of the crucible 125 so that it does not rise when the flux is charged. 50 g of GaN powder as the raw material 137 and 20 g of Ga and 20 g of Bi as the flux were charged into the crucible 125. A GaN powder obtained by heating metal Ga to 900 ° C. in an ammonia gas stream to react Ga with N and removing unreacted Ga with aqua regia was used.

GaN 분말과 플럭스는 Ar가스 대기 중에서 250℃로 가열하고, 플럭스를 용융시킨 상태에서 잘 혼합하여 GaN 분말의 표면을 플럭스가 덮도록 하였다.The GaN powder and the flux were heated to 250 ° C. in an Ar gas atmosphere, and mixed well in a molten state so that the flux covered the surface of the GaN powder.

이어, GaN 분말과 플럭스를 혼합하여 얻은 원료(127)의 위에 액체밀봉제(129)로서 B2O3를 15g 놓았다. 이와 같이 하여 씨결정(128), 원료(127), 액체밀봉제(129)를 충전한 도가니(125)를 성장로 내에 배치하였다. 그리고, 밸브(126)를 조작하여 Ar가스 대기를 공급하였다. 원료를 일단 700℃로 가열하여 B2O3를 용융시킨 후, 로 내를 진공으로 하여 이 상태로 일정 시간 유지하였다. 이것은 GaN 분말과 플럭스를 혼합하였을 때에 플럭스 중에 들어가는 기포를 빼내기 위한 작업이다. 그리고, 약 45분 경과한 후, B2O3로부터 더 이상 기포가 나오지 않아, 로 내를 Ar가스에 의해 20MPa로 승압하였다. 이 압력을 유지하면서 원료(137)를 가열하기 시작하였다.Subsequently, 15 g of B 2 O 3 was placed as a liquid sealing agent 129 on the raw material 127 obtained by mixing GaN powder and flux. Thus, the crucible 125 filled with the seed crystal 128, the raw material 127, and the liquid sealing agent 129 was arrange | positioned in the growth furnace. Then, the valve 126 was operated to supply the Ar gas atmosphere. The raw material was once heated to 700 ° C. to melt B 2 O 3 , and then the inside of the furnace was kept in vacuum for a certain time. This is an operation for removing the air bubbles entering the flux when the GaN powder and the flux are mixed. After about 45 minutes had elapsed, bubbles no longer emerged from B 2 O 3 , and the furnace was elevated to 20 MPa with Ar gas. The raw material 137 was heated while maintaining this pressure.

상부 히터(131)의 온도는 1600℃, 중부 히터(132)의 온도는 1400℃, 하부 히터(133)의 온도는 1200℃로 제어하고, 그 상태로 96시간 방치하였다.The temperature of the upper heater 131 was 1600 degreeC, the temperature of the middle heater 132 was 1400 degreeC, and the temperature of the lower heater 133 was controlled to 1200 degreeC, and it was left to stand for 96 hours.

주된 성장에서, 고온부에서 용융된 GaN은 저온부에서 확산하여 과포화가 되었고, 최저온부에 배치된 씨결정 상에 GaN이 석출된다. 성장시간이 실시예 15에 비하여 긴 것은 플럭스 중에서의 용질의 확산이 시간을 요하기 때문이다. 충전된 GaN 분말은 한번에 전량이 플럭스에 용해하는 일은 없었다. 성장중에 미용해된 GaN이 플럭스 중에 존재하고 있으나, GaN 분말은 플럭스보다 밀도가 작기 때문에 플럭스의 위쪽에 떠 있어, 씨결정 상에서의 결정성장에 역효과를 미치게 하는 일은 없다.In the main growth, GaN melted in the hot portion diffused in the low temperature portion and became supersaturated, and GaN precipitated on the seed crystal disposed at the lowest temperature portion. The growth time is longer than that of Example 15 because the solute diffusion in the flux takes time. The filled GaN powder did not dissolve in the flux all at once. GaN decomposed during growth is present in the flux, but because the GaN powder is less dense than the flux, it floats above the flux and does not adversely affect the crystal growth on the seed crystals.

이러한 상태를 96시간 유지한 후, 각 히터온도를 5℃/min의 비율로 3시간동안 감소시고 나서, 원료를 퀀칭하였다. 압력은 대기압까지 되돌렸다.After maintaining this state for 96 hours, each heater temperature was reduced for 3 hours at a rate of 5 DEG C / min, and then the raw materials were quenched. The pressure returned to atmospheric pressure.

상기 성장공정을 거친 씨결정(128)을 로에서 꺼내고, 부착되어 있는 플럭스를 왕수로 세척하였다. 씨결정에 두께 약 4mm의 GaN 단일 결정이 성장되었다.The seed crystals 128 subjected to the growth process were removed from the furnace, and the attached flux was washed with aqua regia. GaN single crystals having a thickness of about 4 mm were grown on the seed crystals.

(실시예 17)(Example 17)

본 발명의 다른 실시예로서, 도 17에 나타낸 바와 같은 구성의 시스템을 사용하여 GaN 결정을 성장시킨 예를 설명한다. 본 실시예에서도 플럭스를 사용한다.As another embodiment of the present invention, an example in which GaN crystals are grown using a system having a configuration as shown in FIG. 17 will be described. Flux is also used in this embodiment.

본 시스템은 스테인레스로 된 물-냉각 챔버(141)의 내부에 구성되어 있다. 물-냉각 챔버(141)의 바닥면에는 받침대(145)가 설치되고, 이 받침대(145) 위에 실린더(151)가 놓여져 있다. 실린더(151)의 외주에는 상부 히터(144), 하부 히터(143) 및 단열재(142)가 설치되어 있다. 실린더(151)의 상단에는 피스톤(150)이 슬라이딩이 자유롭게 끼워 맞춰져 있다. 피스톤(150)은 유압실린더(도시하지 않음)에 연결된 압봉(149)에 의해 수직으로 움직이고, 실린더(151) 내에 배치된 원료(147)를 가압할 수 있게 되어 있다. 또한, 실린더(151), 피스톤(150), 상부 히터(144), 하부 히터(143) 및 단열재(142)는 고순도 그래파이트로 제작되어 있다.실린더(151)가 놓여지는 받침대(145)는 물-냉각관(152)에 의해 물-냉각되도록 되어 있어, 이에 의해 각 히터(143 및 144)의 설정온도를 바꾸는 것과 아울러 원료(147) 의 수직방향으로 온도 구배를 설정할 수 있게 되어 있다.The system is constructed inside a stainless steel water-cooling chamber 141. A pedestal 145 is installed on the bottom surface of the water-cooling chamber 141, and a cylinder 151 is placed on the pedestal 145. An upper heater 144, a lower heater 143, and a heat insulating material 142 are provided on the outer circumference of the cylinder 151. On the upper end of the cylinder 151, the piston 150 is fitted with sliding freely. The piston 150 moves vertically by the push rod 149 connected to the hydraulic cylinder (not shown), and can pressurize the raw material 147 disposed in the cylinder 151. In addition, the cylinder 151, the piston 150, the upper heater 144, the lower heater 143, and the heat insulating material 142 are made of high purity graphite. The pedestal 145 on which the cylinder 151 is placed is made of water-. The cooling tube 152 allows water-cooling, thereby changing the set temperatures of the heaters 143 and 144 and setting the temperature gradient in the vertical direction of the raw material 147.

내경 10mm, 높이 60mm의 실린더(151)의 바닥에 씨결정(148)으로서 직경 10mm, 두께 0.5mm의 GaN 단일 결정을 놓았다. 이 실린더(151) 내에, 주입법으로 합성한 GaN 분말과 금속 Ga의 혼합물 15g 및 플럭스로서 금속 Ga 10g을 넣었다. 주입법으로 합성한 GaN 분말과 금속 Ga의 혼합물은 처음부터 혼합물로서 얻어지기 때문에, GaN 분말을 Ga와 혼합하는 수고를 줄일 수 있다. 혼합물 중에 함유되어 있는 GaN 분말의 양을 정확하게 구하기는 어렵다. 이번에 충전한 혼합물 중에 함유되는 GaN 분말의 양은 샘플링한 혼합물을 분석한 결과, 약 5g으로 추정되었다.At the bottom of the cylinder 151 having an inner diameter of 10 mm and a height of 60 mm, a GaN single crystal having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm was placed as the seed crystal 148. In this cylinder 151, 15 g of a mixture of GaN powder and metal Ga synthesized by the injection method and 10 g of metal Ga as flux were placed. Since the mixture of the GaN powder and metal Ga synthesize | combined by the injection method is obtained as a mixture from the beginning, the effort which mixes GaN powder with Ga can be saved. It is difficult to accurately determine the amount of GaN powder contained in the mixture. The amount of GaN powder contained in the mixture thus filled was estimated to be about 5 g when the sampled mixture was analyzed.

원료가 충전된 장치의 물-냉각 챔버(141) 내 압력을 대기 가스 치환용 밸브(146)를 거쳐 1×10-2torr까지 감소시켜 원료(147) 중에 혼입되어 있는 가스의 기포를 빼냈다. 이 상태에서 피스톤(150)을 사용하여 원료에 10톤/cm2의 압력을 가하고, 상부 히터(144)를 2200℃로, 하부 히터(143)를 1800℃로 가열하였다. 이 상태에서 원료(147)의 위쪽의 온도는 약 2100℃, 아래쪽의 온도는 1900℃로 계산되었다. 원료(147)을 3시간 동안 가압, 가열한 후, 상부 히터 온도를 800℃, 하부 히터 온도를 600℃까지 각각 2℃/분의 비율로 낮추고 피스톤(150)에 의한 압력을 풀고 다시 실온까지 냉각하여 시료를 꺼내었다.The pressure in the water-cooling chamber 141 of the apparatus filled with the raw material was reduced to 1 × 10 −2 torr via the atmospheric gas replacement valve 146 to remove bubbles of gas mixed in the raw material 147. In this state, a pressure of 10 ton / cm 2 was applied to the raw materials using the piston 150, and the upper heater 144 was heated to 2200 ° C., and the lower heater 143 was heated to 1800 ° C. In this state, the temperature above the raw material 147 was calculated to be about 2100 ° C., and the temperature below it was 1900 ° C. After pressurizing and heating the raw material 147 for 3 hours, the upper heater temperature was lowered to 800 ° C. and the lower heater temperature to 600 ° C. at a rate of 2 ° C./min, respectively, and the pressure was released by the piston 150, and then cooled to room temperature. The sample was taken out.

꺼낸 실린더 내에는 용융된 GaN이 천천히 응고하는 방법으로 얻어지는 것으로 여겨지는 그레인 크기가 큰 GaN 단일 결정이 있었고, 결정 주위에는 GaN 분말을 소량 함유하는 금속 Ga의 층이 있었다. GaN 단일 결정 그레인은 중앙부가 부푼 기둥 모양으로 직경이 10mm, 최대 높이가 11mm이었다.Inside the removed cylinder there was a large grain size GaN single crystal believed to be obtained by the method of slowly solidifying molten GaN, and around the crystal was a layer of metallic Ga containing a small amount of GaN powder. The GaN single crystal grain was 10 mm in diameter with a maximum height of 11 mm in the form of a columnar bulge.

또한, 본 실시형태의 결정성장법은 GaN뿐만 아니라 GaN 이외의 질화물 결정, 예를 들어, AIN이나 InN, 또는 이들의 혼합결정의 성장에도 적용할 수 있다. 이러한 경우에는 사용할 수 있는 플럭스의 종류나 성장온도 등이 다를 수 있으나, 실질적으로는 GaN의 경우와 동일하다.In addition, the crystal growth method of the present embodiment can be applied not only to GaN but also to growth of nitride crystals other than GaN, for example, AIN, InN, or a mixed crystal thereof. In this case, the kind of flux that can be used and the growth temperature may be different, but are substantially the same as in the case of GaN.

액체밀봉제(129)로서는 B2O3이외에, NaCl, KCl, BaCl2, CaCl2등을 사용할 수 있다.As the liquid sealing agent 129, in addition to B 2 O 3 , NaCl, KCl, BaCl 2 , CaCl 2 , or the like may be used.

원료(147)의 가열수단인 히터(131, 132, 133, 143 및 144)는 저항가열식, 유도가열식, 복사가열식 등을 이용할 수 있다.The heaters 131, 132, 133, 143, and 144, which are heating means for the raw material 147, may use resistance heating, induction heating, radiant heating, or the like.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 다음과 같은 뛰어난 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, the following excellent effects can be obtained.

(1) 질화물 결정의 제1 및 제2제조방법에 의하면, 합성하는 질화물의 융점보다 훨씬 낮은 온도로 Ⅲ족 용융물에, 질소를 함유하는 가스를 주입하고, 액상의 Ⅲ족 금속원소와 기상의 V족 원소를 서로 반응시켜, Ⅲ족 금속원소 용융물 중에서 고체상의 Ⅲ족 질화물 결정을 직접 생성한다. 따라서, 질화물의 용융물을 만드는 경우에 비하여 간단한 장치로 용이하고 저렴하게 다량의 결정을 단시간 내에 제조할 수 있다.(1) According to the first and second production methods of nitride crystals, a nitrogen-containing gas is injected into the Group III melt at a temperature much lower than the melting point of the nitride to be synthesized, and the liquid Group III metal element and the gas phase V Group elements are reacted with each other to directly generate solid group III nitride crystals in the group III metal element melt. Therefore, a large amount of crystals can be produced in a short time easily and inexpensively with a simple apparatus as compared with the case of making a melt of nitride.

(2) 본 발명의 질화물 결정의 제1 또는 제2제조방법 및 Ⅲ족 금속원소에 의해 얻어지는 Ⅲ족 질화 미세 결정과 Ⅲ족 금속원소의 혼합물은 질화물 미세 결정이 Ⅲ족 용융물 중에서 합성되기 때문에, 질화물 미세 결정 표면이 완전히 Ⅲ족 금속원소로 덮여져 있다. 이 혼합물을 액상성장원료에 사용하면, 혼합물을 매우 용해시키기 쉽고, 종래의 원료에 비하여 용이하게 포화 용액을 얻을 수 있다. 그 결과, 에피텍셜 성장의 제어성, 재현성이 크게 향상된다.(2) Nitride crystals of the Group III nitride microcrystals and Group III metal elements obtained by the first or second production method of the nitride crystals of the present invention and the Group III metal elements are formed because the nitride microcrystals are synthesized in the Group III melt. The microcrystalline surface is completely covered with group III metal elements. When the mixture is used for the liquid growth raw material, the mixture is very easily dissolved and a saturated solution can be easily obtained as compared with the conventional raw materials. As a result, the controllability and reproducibility of epitaxial growth are greatly improved.

(3) 본 발명의 질화물 결정의 제1 또는 제2제조방법 및 Ⅲ족 금속원소에 의해 얻어지는 Ⅲ족의 질화 미세 결정과 Ⅲ족 금속원소의 혼합물을 출발원료로 사용하거나, 질화물 결정의 제1 또는 제2제조방법에 의해 얻어지는 혼합물에서 Ⅲ족 금속원소를 제거하여 얻어지는 Ⅲ족 질화물 결정 분말을 출발원료로 사용하거나, 상기 Ⅲ족 질화물 결정 분말을 용해, 재응고 또는 소결하는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 결정의 성장방법에 의하면, Ⅲ족의 고순도 질화물 반도체결정을 용이하고 저렴하게 단시간 내에 대량으로 제조할 수 있다. 또, 이 방법은, 종래 HVPE법에서 사용되어 온 염산 등의 가스나 MOVPE법에서 사용되고 있는 유기금속 등의 위험한 원료를 사용할 필요가 없어 안전하다. 본 발명의 성장방법에 의하면, 특히 종래 어렵던 질화물 결정의 액상성장이나 기상성장을 용이하게 실시할 수 있다. 그 결과, 질화물 결정에 특별한 처리를 실시하지 않더라도 캐리어 농도가 높은 p형 결정을 가지는 소자를 제조하기 용이하다. 소자 표면상에 p-형 도전층을 배치할 필요가 없으므로, 소자구조의 설계의 자유도가 높아진다.(3) The first or second manufacturing method of the nitride crystals of the present invention and a mixture of group III nitride microcrystals obtained by group III metal elements and group III metal elements are used as starting materials, or the first or second Group III nitride characterized in that the Group III nitride crystal powder obtained by removing the Group III metal element from the mixture obtained by the second production method is used as a starting material, or the Group III nitride crystal powder is dissolved, resolidified or sintered. According to the crystal growth method, a high purity nitride semiconductor crystal of group III can be easily and inexpensively produced in large quantities in a short time. In addition, this method is safe because there is no need to use dangerous raw materials such as gas such as hydrochloric acid, which has been conventionally used by the HVPE method, and organic metals used by the MOVPE method. According to the growth method of the present invention, liquid phase growth and vapor phase growth of nitride crystals, which are particularly difficult in the past, can be easily performed. As a result, it is easy to manufacture an element having a p-type crystal having a high carrier concentration even without performing special treatment on the nitride crystal. Since there is no need to arrange the p-type conductive layer on the device surface, the degree of freedom in designing the device structure is increased.

(4) 또, 상기 (3)의 질화물의 성장방법에서는, 원료에 종래와 같은 산화물이나 염화물을 사용하지 않으므로, 미반응물이 액상성장시의 불순물이 되지 않는다. 따라서, Ⅲ족 질화물만을 추출할 필요가 없이 상기 혼합물을 액상 성장의 원료로 직접 사용할 수 있다. 이 추출공정을 생략할 수 있으므로, 공정을 대폭 단축할 수 있을 뿐 아니라, 추출공정에서 발생하기 쉬운 원료의 오염을 없앨 수 있어, 고순도 액상성장이 가능하다.(4) In addition, in the nitride growth method of the above (3), since the oxides and chlorides as in the prior art are not used as raw materials, the unreacted material does not become impurities during liquid phase growth. Thus, the mixture can be used directly as a raw material for liquid growth without the need to extract only group III nitrides. Since this extraction step can be omitted, not only can the process be significantly shortened, but also contamination of the raw materials that are likely to occur in the extraction step can be eliminated, and high-purity liquid phase growth is possible.

(5) 또한, 본 발명의 얻고자 하는 질화물의 융점 이하의 온도로 가열한 Ⅲ족 금속원소 용융물 중에 씨결정을 침지하고; Ⅲ족 금속원소 중에서 상기 씨결정 표면을 질소 원자를 함유하는 가스의 기포와 단속적으로 접촉시켜; 상기 씨결정 표면상에 Ⅲ족 금속원소의 질화물 결정을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 질화물 결정의 제조 방법, 또는 얻고자 하는 질화물의 융점 이하의 온도로 가열, 용융시킨 Ⅲ족 금속원소 중에 기판 결정을 침지하고, Ⅲ족 금속원소 중에서 상기 기판 결정 표면을 질소 원자를 함유하는 가스의 기포와 단속적으로 접촉시켜, 상기 기판 결정 표면상에 Ⅲ족 금속원소의 질화물 단일 결정을 에피텍셜 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 질화물 결정의 제조방법에 의하면, Ⅲ족의 질화물 반도체결정, 특히 종래 성장시킬 수 없던 벌크 단일 결정을 성장시킬 수 있다. 이 결정을 기판으로 사용하면, 청색 LED의 고효율화 및 장기 수명화에 유효할 뿐만 아니라, 아직 실용화에 이르고 있지 않은 청색 LD의 실용화 추진에도 크게 공헌하는 것이다. 이러한 Ⅲ족의 질화물 반도체결정을 간단한 장치로 용이하고 저렴하게 성장시킬 수 있다. 또한, 종래 HVPE법에서 사용되어 온 염소 등의 가스나 MOVPE법에서 사용되고 있는 유기금속 등의 위험한 원료를 사용할 필요도 없어 안전하다.(5) further, immersing the seed crystals in the Group III metal element melt heated to a temperature below the melting point of the nitride to be obtained of the present invention; Contacting the seed crystal surface intermittently with a bubble of a gas containing a nitrogen atom in a Group III metal element; A method for producing a nitride crystal comprising the step of growing a nitride crystal of a group III metal element on the seed crystal surface, or a substrate crystal in a group III metal element heated and melted at a temperature below the melting point of the nitride to be obtained. Immersing and intermittently contacting the substrate crystal surface with a bubble of a gas containing a nitrogen atom in the Group III metal element to epitaxially grow a nitride single crystal of Group III metal element on the substrate crystal surface. According to the method for producing a nitride crystal, a group III nitride semiconductor crystal, particularly a bulk single crystal that cannot be grown conventionally, can be grown. When this crystal is used as a substrate, it is not only effective for increasing the efficiency and long life of the blue LED, but also greatly contributing to the commercialization of the blue LD, which has not yet been put to practical use. Such group III nitride semiconductor crystals can be easily and inexpensively grown in a simple apparatus. In addition, there is no need to use dangerous raw materials such as gas such as chlorine, which is conventionally used by the HVPE method, and organic metals, which are used by the MOVPE method.

본 발명의 실린더 내에 질화물 결정분말과 액체밀봉제를 충전하는 단계 및 원료를 피스톤으로 가압하면서 가열하는 단계를 포함하여 이루어지는 질화물 결정 성장 방법이나, 플럭스 및 질화물 결정 분말을 가압하에 가열하고, 질화물 분말을 플럭스에 용해시키고, 상기 혼합물을 냉각하여 질화물 결정을 성장시키는 방법으로서, 상기 플럭스의 가열 온도를 800℃ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 질화물 결정 성장 방법과 같은 질화물 결정 성장방법에 따르면, 지금까지 불가능에 가깝던 Ⅲ족 질화물 화합물(예를 들어 GaN)의 벌크결정을 간편한 방법으로 제조할 수 있다.A nitride crystal growth method comprising the step of filling a nitride crystal powder and a liquid sealant into a cylinder of the present invention and heating the raw material with a piston, or heating the flux and the nitride crystal powder under pressure, and According to a method of growing a nitride crystal, such as a nitride crystal growing method, the method of dissolving in flux and cooling the mixture to grow nitride crystals, wherein the heating temperature of the flux is 800 ° C or higher. Bulk crystals of nearby group III nitride compounds (eg GaN) can be produced by a simple method.

본 발명에 사용하는 장치는 세라믹스의 성형 등에 널리 사용되고 있는 시판 핫프레스장치나 반도체의 결정성장에 일반적으로 사용되고 있는 LEC를 사용할 수 있으므로, 특수한 장치가 불필요하고 위험도 적다.The apparatus used in the present invention can use a commercially available hot press apparatus which is widely used for molding ceramics or LEC which is generally used for crystal growth of semiconductors. Therefore, a special apparatus is unnecessary and there is little risk.

또, 원료 이외에 소량의 액체밀봉제나 플럭스만이 필요하므로 경제적이다. 특히 플럭스를 이용하는 방법에서는 플럭스는 반복 이용이 가능하기 때문에 특히 경제적이다.It is also economical because only a small amount of liquid sealant or flux is required in addition to the raw material. In particular, the flux method is particularly economical because the flux can be repeatedly used.

본 발명에 의해 얻어진 질화물 결정을 기판결정으로서 사용함으로써, 질화물계 LED의 고효율화나 장기 수명화가 가능할 뿐 아니라, 아직 실용화되지 않은 질화물계 LD의 실용화를 촉진하는 효과도 기대할 수 있다.By using the nitride crystal obtained by the present invention as a substrate crystal, not only can the efficiency of the nitride-based LED be increased and the lifespan can be extended, but also the effect of promoting the practical use of the nitride LD which has not been put to practical use can also be expected.

Claims (4)

얻고자 하는 질화물의 융점 이하의 온도로 가열한 Ⅲ족 금속원소 용융물 중에 씨결정을 침지하는 단계;Immersing the seed crystals in the Group III metal element melt heated to a temperature below the melting point of the nitride to be obtained; Ⅲ족 금속원소 중에서 상기 씨결정 표면을 질소 원자를 함유하는 가스의 기포와 단속적으로 접촉시키는 단계; 및Intermittently contacting the seed crystal surface with bubbles of a gas containing a nitrogen atom in a Group III metal element; And 그것에 의해 상기 씨결정 표면상에 Ⅲ족 금속원소의 질화물 결정을 연속적으로 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 질화물 결정의 제조 방법.Thereby continuously growing nitride crystals of the Group III metal element on the seed crystal surface. 제1항에 있어서, 상기 Ⅲ족 금속원소는 Al, Ga 또는 In이고, 상기 질소 원자를 함유하는 가스 원료는 암모니아 가스인 것을 특징으로 하는 질화물 결정의 제조 방법.The method of producing a nitride crystal according to claim 1, wherein the Group III metal element is Al, Ga, or In, and the gas raw material containing the nitrogen atom is ammonia gas. 얻고자 하는 질화물의 융점 이하의 온도로 가열, 용융시킨 Ⅲ족 금속원소 중에 기판 결정을 침지하는 단계;Immersing the substrate crystal in a Group III metal element heated and melted to a temperature below the melting point of the nitride to be obtained; Ⅲ족 금속원소 중에서 상기 기판 결정 표면을 질소 원자를 함유하는 가스의 기포와 단속적으로 접촉시키는 단계; 및Intermittently contacting the substrate crystal surface with a bubble of a gas containing a nitrogen atom in a Group III metal element; And 그것에 의해 상기 기판 결정 표면상에 Ⅲ족 금속원소의 질화물 단일 결정을 연속적으로 에피텍셜 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 질화물 결정의 제조 방법.Thereby epitaxially growing a nitride single crystal of a Group III metal element on the substrate crystal surface. 제3항에 있어서, 상기 Ⅲ족 금속원소는 Al, Ga 또는 In이고, 상기 질소 원자를 함유하는 가스 원료는 암모니아 가스인 것을 특징으로 하는 질화물 결정의 제조 방법.The method for producing nitride crystals according to claim 3, wherein the Group III metal element is Al, Ga or In, and the gas raw material containing the nitrogen atom is ammonia gas.
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