WO2004067814A1 - Method for preparing single crystal of iii group element nitride and transparent single crystal of iii group element nitride prepared thereby - Google Patents

Method for preparing single crystal of iii group element nitride and transparent single crystal of iii group element nitride prepared thereby Download PDF

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WO2004067814A1
WO2004067814A1 PCT/JP2004/000688 JP2004000688W WO2004067814A1 WO 2004067814 A1 WO2004067814 A1 WO 2004067814A1 JP 2004000688 W JP2004000688 W JP 2004000688W WO 2004067814 A1 WO2004067814 A1 WO 2004067814A1
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WO
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single crystal
group iii
iii element
element nitride
nitride
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/000688
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French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Takatomo Sasaki
Yusuke Mori
Masashi Yoshimura
Fumio Kawamura
Kunimichi Omae
Tomoya Iwahashi
Masanori Morishita
Original Assignee
Osaka Industrial Promotion Organization
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403AIII-nitrides
    • C30B29/406Gallium nitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B9/00Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents
    • C30B9/04Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents by cooling of the solution
    • C30B9/08Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents by cooling of the solution using other solvents
    • C30B9/10Metal solvents
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2203/00Processes utilising sub- or super atmospheric pressure
    • B01J2203/06High pressure synthesis
    • B01J2203/065Composition of the material produced
    • B01J2203/0665Gallium nitrides

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a single crystal of a Group III element nitride such as gallium nitride (GaN).
  • a Group III element nitride such as gallium nitride (GaN).
  • Group III element nitride semiconductors are used in fields such as heterojunction high-speed electronic devices and optoelectronic devices (semiconductor lasers, light-emitting diodes, sensors, etc.), and gallium nitride (GaN) in particular is attracting attention.
  • gallium nitride GaN
  • Conventionally, in order to obtain a single crystal of gallium nitride, direct reaction between gallium and nitrogen gas has been performed (for example, J. Phys. Chem. Solids, 1995, 56, 639).
  • 130 ° C. to 160 ° C. C requires an ultrahigh temperature and pressure of 800 atm to 170 atm (0.81 MPa to l.72 MPa).
  • Na flux method a technique for growing gallium nitride single crystals in sodium (Na) flux (hereinafter, also referred to as “Na flux method”) has been developed (for example, US Pat. 8 3 7).
  • the heating temperature can be greatly reduced to 600 to 800, and the pressure can be reduced to about 50 atm (about 5 MPa).
  • this method has a quality problem because the resulting single crystal is blackened.
  • this method can greatly reduce the temperature and pressure as compared with the case of direct synthesis, it is still a condition. Strict. Therefore, there is a particular need for lower pressure manufacturing methods.
  • the conventional technology cannot produce a high-quality gallium nitride single crystal that is transparent, has a low dislocation density and a high quality, and has a poor yield.
  • the growth rate is extremely slow, for example, a growth rate of about several / im / hour, so that only 100 g of growth can provide only gallium nitride having a maximum diameter of about several millimeters. .
  • Even the largest single crystal of gallium nitride reported so far has a maximum diameter of about 1 cm, which does not lead to practical use of gallium nitride.
  • gallium nitride single crystal is grown by reacting lithium nitride (Li 3 N) with gallium (eg, Journal of Crystal Growth 247 (2003) 275-278).
  • the size of the obtained crystal is about 1 mm to 4 mm.
  • a manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a group III element nitride single crystal, comprising lithium (L i), alkali metal (excluding Li), and alkali earth metal.
  • Li lithium
  • Alkali metal excluding Li
  • Al alkali earth metal.
  • Ga gallium
  • Al aluminum
  • F1ux mixed flux
  • FIGS. 1 (A) and 1 (B) are schematic diagrams showing the configuration of an example of an apparatus for producing a single crystal of gallium nitride.
  • FIG. 2 is an optical micrograph of a single crystal of gallium nitride obtained by one example of the production method of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the field-effect transistor of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view showing an example of the LED of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional view showing an example of the LD of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view showing an example of the semiconductor optical sensor of the present invention.
  • FIG. 7 shows the ratio of L i and the ratio in another example of the production method of the present invention.
  • FIG. 8 is an optical micrograph of a GaN single crystal in another example of the production method of the present invention.
  • the group III elements are gallium (Ga), aluminum (A1), and indium (In), of which gallium is preferable.
  • the group III element nitride single crystal is preferably a gallium nitride (G a N) single crystal.
  • the conditions shown below are particularly preferable for producing a single crystal of gallium nitride, but can be similarly applied to the production of other Group IV element nitride single crystals.
  • the alkali metals are sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and Francium (Fr), and the alkaline earth metal is calcium.
  • the addition ratio of the alkali metal and the alkaline earth metal is, for example, 0.001 mol% to the total of lithium (L i), alkali metal (excluding L i) and alkaline earth metal. It is in the range of 9.9.99 mo 1%, preferably in the range of 0.01 mol% to 99.9 mo 1%, and more preferably in the range of 50 mo 1% to 99.5 mo. It is in the range of 1%.
  • the ratio of Na to the total of the two is, for example, 0.001 mol% to 99.99 mol %, Preferably from 0.01 mol% to 99.9 mol%, more preferably from 50 mol% to 99.5 mol%.
  • the ratio (mo 1) of sodium (Na) to the sum of gallium (Ga) and lithium (Li) is, for example, 0.001 mol% to 99.99 mol It is in the range of 1%, preferably in the range of 0.01 mol% to 99.9mo1%, more preferably in the range of 50mo1% to 99.5mo1%. .
  • the molar ratio of Ga: Li: Na is particularly preferably 2.7: 0.18: 7.1.
  • the melting conditions include, for example, a temperature of 100 ° C. to 1 ° C.
  • the nitrogen (N) source for example, a nitrogen (N) -containing gas can be used as the nitrogen (N) source.
  • the nitrogen (N) -containing gas is, for example, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas or the like, and these may be used as a mixture, and the mixing ratio is not limited.
  • ammonia gas it is preferable to use ammonia gas as the nitrogen (N) -containing gas because the reaction pressure can be reduced.
  • a group III element nitride for example, gallium nitride
  • the mixed flux is brought into contact with the nitride.
  • a new group III element nitride single crystal for example, gallium nitride single crystal
  • group III element nitride single crystal gallium nitride single crystal
  • the core of the Group III element The larger the number, the faster a large single crystal can be obtained.
  • a gallium nitride single crystal grows in the thickness direction in an area equivalent to this. Specifically, the maximum diameter
  • the group III element nitride serving as a nucleus may be a single crystal or amorphous (amorphous).
  • the form of the group III element nitride serving as a nucleus is not particularly limited, but for example, a thin film form is preferable. This thin film may be formed on a substrate.
  • the substrate material examples include amorphous gallium nitride (GaN), amorphous aluminum nitride (A1N), sapphire, silicon (Si), and gallium arsenide (GaAs).
  • gallium nitride (G a N) aluminum nitride (A 1 N), carbide Kei element (S i C), boron nitride (BN), oxide Richiumugariu beam (L i G a 0 2) , boron, zirconium (Z r B 2), zinc oxide (Z n 0), various types of glass, various metals, boron phosphide (BP), Mo S 2, L aA l ⁇ 3, n b n, Mn F e 2 0 4, Z n F e 2 ⁇ 4, Z r N, T i N, gallium phosphide (G a P), MgA l 2 ⁇ 4, N d G a 0 3 , L i
  • the thickness of the group I II element nitride thin film serving as a nucleus is not particularly limited, and is, for example, 0.0 005 _im to 100 000 m, preferably 0.0 001 m to 500 000 0 m, more preferably in the range of 0.01 m to 500 m.
  • the thin film can be formed on a substrate by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), halide vapor deposition (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE), or the like.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • HVPE halide vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the substrate Since a thin film of gallium nitride or the like is formed on the market, it may be used.
  • the maximum diameter of the thin film is, for example, 2 cm or more, preferably 3 cm or more, more preferably 4 cm or more, and particularly preferably 5 cm or more.
  • the larger the maximum diameter of the thin film, the better, and the upper limit is not limited.
  • the maximum diameter is preferably 5 cm, but may be larger or smaller, and is not particularly limited.
  • the range of the maximum diameter is, for example, 2 cm to 5 cm, preferably 3 cm to 5 cm, and more preferably 4 cm to 5 cm.
  • the maximum diameter is a line connecting a point on the outer periphery of the thin film surface and another point, and refers to the length of the longest line.
  • the group III element nitride prepared in advance may be dissolved by the flux before the nitrogen concentration increases.
  • a nitride is present in the flux at least at the beginning of the reaction.
  • the nitride include Ca 3 N 2 , Li 3 N, Na N 3 , BN, Si 3 N 4 , In N and the like, and these may be used alone. More than one kind may be used together.
  • the ratio of the nitride in the flux is, for example, 0.0001 mol% to 99 mol%, and preferably, 0.001 mol% to 50 mol 1%. , More preferably 0.005 mo 1% to 1 O mo 1%.
  • the impurities are, for example, calcium ⁇ beam (Ca), a compound containing calcium (Ca), silicon (S i), alumina (A1 2 0 3), indium (I n), aluminum (A1), nitride Print ⁇ beam (InN), silicon oxide (S i 0 2), oxide Injiumu (I n 2 0 3), zinc (Zn), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), germanium (Ge) Etc.
  • this apparatus has a gas cylinder 1, an electric furnace 4, and a heat-resistant and pressure-resistant container 3 arranged in the electric furnace 4.
  • a gas cylinder 1 is connected to a pipe 21, which is provided with a gas pressure regulator 5 and a pressure control valve 25, and a leak pipe is attached from the middle.
  • the leak valve 24 is located ahead of it.
  • the pipe 21 is connected to the pipe 22, and the pipe 22 is connected to the pipe 23, which enters the electric furnace 4 and is connected to the pressure- and heat-resistant vessel 3. Further, as shown in FIG.
  • a crucible 6 is arranged in the pressure-resistant and heat-resistant container 3, and contains gallium and lithium, and alkali metals (excluding Li) and alkaline earth metals. Either or both are arranged.
  • a BN crucible can be used as the crucible.
  • the production of a single crystal of a Group III element nitride using this apparatus is performed, for example, as follows. First, materials such as a group III element such as gallium, lithium, and sodium are put into the crucible 6 and placed in the pressure- and heat-resistant container 3. The pressure- and heat-resistant container 3 is placed in the electric furnace 4 with the end of the pipe 23 connected.
  • a group III element nitride is prepared in advance and a group III element nitride single crystal is grown using the nucleus as a nucleus, for example, a thin film of a group III element nitride formed on a substrate is placed in a crucible 6 in advance.
  • a single crystal may be grown in the mixed flux as described above.
  • a single crystal of a Group III element nitride of the present invention can be manufactured by the above-described manufacturing method, the single crystal of the present invention is not limited to these manufacturing methods, and may be manufactured by another manufacturing method. Is also good.
  • gallium nitride is preferable as the group III element nitride of the present invention.
  • dislocation density for example, 1 0 5 ZCM 2 or less, preferably 1 0 4 Z cm 2 or less, more preferably 1 0 3 Zc m 2 or less, particularly preferably 1 0 2 / cm 2 or less, particularly preferably almost no dislocation (e.g., 1 0 1 cm 2 or less) is of.
  • the dislocation density can be determined by, for example, an etching method.
  • the maximum diameter is, for example, 2 cm or more, preferably 3 cm or more, more preferably 4 cm or more, and particularly preferably 5 cm or more. The larger the better, the better, and the upper limit is not limited.
  • the maximum diameter is 5 cm. It may be below and is not particularly limited.
  • the range of the maximum diameter is, for example, 2 cm to 5 cm, preferably 3 cm to 5 cm, and more preferably 4 cm to 5 cm.
  • the maximum diameter is a line connecting a point on the outer periphery of the single crystal and another point, and refers to the length of the longest line.
  • the manufacturing method of the present invention the growth in the horizontal direction (vertical direction to the c-axis direction) is promoted rather than the growth in the vertical direction (c-axis direction) for growing GaN on the substrate. As a result, the resulting single crystal often has a plate shape.
  • a semiconductor device using the group III element nitride transparent single crystal of the present invention will be described with reference to examples.
  • the following devices are a field effect transistor, a light emitting diode (LED) and a semiconductor laser (LD), but the device of the present invention is not limited to these.
  • a semiconductor device using the single crystal of the present invention for example, a semiconductor device having a simple structure in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are simply joined, and A layer using the single crystal of the present invention (for example, ⁇ transistor, npn transistor, npnp thyristor, etc.), a conductive layer, a conductive substrate or a conductive semiconductor, an insulating layer, There is a semiconductor device using the single crystal of the present invention as an insulating substrate or an insulating semiconductor.
  • the semiconductor device of the present invention can be manufactured by combining the manufacturing method of the present invention with a conventional method.
  • a GaN substrate may be manufactured by the manufacturing method of the present invention, and a semiconductor layer may be stacked on the GaN substrate by MOCVD or the like.
  • the original GaN thin films grown by MOCVD or the like on GaN substrates manufactured by the above-mentioned manufacturing method have excellent characteristics because of their high quality.
  • a semiconductor layer can be formed by the manufacturing method of the present invention. That is, first, a predetermined material is put in a crucible, an n-type GaN layer is formed by a manufacturing method of the present invention in a nitrogen-containing gas atmosphere, and the material is changed on the n-type GaN layer in the same manner as described above.
  • FIG. 3 shows an example of a field-effect transistor using the group III element nitride transparent single crystal of the present invention.
  • the field-effect transistor 30 has a conductive semiconductor layer 32 formed on an insulating semiconductor layer 31 and a source electrode 33, a gate electrode 34, and a drain electrode 35 formed thereon. Is formed.
  • 37 indicates a highly concentrated two-dimensional electron.
  • the insulating semiconductor layer 31 and the conductive semiconductor layer 32 is formed of a group III element nitride transparent single crystal of the present invention. Since the transparent single crystal of the present invention has few defects and has excellent insulating properties unless doped with impurities, the insulating semiconductor layer 31 may be formed of the single crystal of the present invention.
  • GaN single crystals are theoretically excellent in high-frequency characteristics, but conventional GaN single crystals have defects, making it difficult to realize a field-effect transistor with excellent high-frequency characteristics.
  • the G a N single crystal of the present invention has almost no dislocation and high quality, If this is used, a field effect transistor having excellent high frequency characteristics as expected can be obtained.
  • the field effect transistor of the present invention may further include a substrate, and the field effect transistor element may be formed on the substrate.
  • the substrate may be formed from the group III element nitride transparent single crystal of the present invention, or may be a substrate made of another material such as a SiC substrate, an A1N substrate, and sapphire. Good.
  • a light emitting diode (LED) using the single crystal of the present invention is a light emitting diode (LED) formed by stacking an n-type semiconductor layer, an active region layer, and a p-type semiconductor layer in this order. At least one of the three layers is formed from the group III element nitride transparent single crystal of the present invention.
  • FIG. 4 shows an example of the LED of the present invention.
  • the LED 40 has an InGaN layer 42 as an active layer formed between an n-type GaN layer 41 and a p-type GaN layer 43. I have. Further, an n-electrode 44 is arranged below the n-type GaN layer 41, and a p-electrode 45 is arranged above the p-type GaN layer 43, so that a compact structure is obtained.
  • the LED of the present invention may further include a substrate, and the light emitting diode element may be formed on the substrate.
  • the substrate is It may be formed from the group III element nitride transparent single crystal of the present invention, or may be a substrate made of another material such as a SiC substrate, an A1N substrate, and sapphire.
  • the p-type semiconductor layer, the active region layer, and the n-type semiconductor layer may have a single-layer structure or a stacked structure.
  • the semiconductor laser (LD) using the single crystal of the present invention is a semiconductor laser (LD) having an n-type semiconductor layer, an active region layer, and a p-type semiconductor layer laminated in this order.
  • this LD 50 has an InGaN layer 52 as an active layer formed between an n-type GaN layer 51 and a p-type GaN layer 53.
  • an n-electrode 54 is disposed below the n-type GaN layer 51, and a p-electrode 55 is disposed above the p-type GaN layer 53, resulting in a compact structure. I have.
  • the LD of the present invention may further include a substrate, and the semiconductor laser device may be formed on the substrate.
  • the substrate is It may be formed of a transparent group III element nitride transparent single crystal, or may be a substrate made of another material such as a SiC substrate, an A1N substrate, or sapphire.
  • the p-type semiconductor layer, the active region layer, and the n-type semiconductor layer may have a single-layer structure or a stacked structure.
  • the semiconductor device of FIG. 1 In the semiconductor device of FIG. 1
  • a p-type A 1 G a N capping layer, a p-type GaN waveguiding layer, and a p-type Al GaN / G a N MD—SLS c 1 adding layer and p-type GaN layer are laminated in this order to form a laminate, and n-type GaN layer is substituted for n-type GaN layer.
  • n-type GaN layer is substituted for n-type GaN layer.
  • a semiconductor optical sensor according to the present invention is a semiconductor optical sensor element in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are joined, and at least one of the two semiconductor layers is a group III element nitride according to the present invention. It is formed from a transparent single crystal.
  • FIG. 6 shows an example of this semiconductor optical sensor.
  • the semiconductor optical sensor 60 has an n-type GaN layer 61 and a p-type GaN layer 62 on each protrusion of a GaN substrate 65 having three protrusions. The layers are stacked in this order, and at least one of them is formed of the single crystal of the present invention.
  • the semiconductor optical sensor of the present invention may further include a substrate, and the semiconductor optical sensor may be formed on the substrate.
  • the substrate may be formed from the group III element nitride transparent single crystal of the present invention, or may be a substrate of another material such as a SiC substrate, an A1N substrate, and sapphire. . Since the electrode can be arranged below the substrate as a result of imparting conductivity to the substrate, it is preferable to form the substrate using the single crystal of the present invention among them.
  • a single crystal of gallium nitride was manufactured using the apparatus shown in Figs. 1 (A) and (B). That is, gallium, lithium, and sodium are put into a BN crucible, and heated and melted under a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere under the following conditions to grow a single crystal of gallium nitride. After the growth, ethanol and water are added. The residue was treated with. As a result, as shown in the optical micrograph of FIG. 2, a transparent gallium nitride single crystal was obtained, and the yield was 38.6%. The maximum diameter of the obtained single crystal was 2 cm or more, and as a result of examination by an etching method, it was almost free from dislocation. (Manufacturing conditions)
  • a single crystal of gallium nitride was produced in the same manner as in Example 1 except that a single elemental Na flux was used as the flux. As a result, the yield was as low as 9.7%, and the obtained single crystal was blackened and had poor quality, and the maximum diameter was as small as several mm.
  • a single crystal of gallium nitride was produced in the same manner as in Example 1 except for using the Li single flux as the flux.
  • the yield was as low as 4.5%, and the obtained single crystal was often blackened, of poor quality, and had a small maximum diameter of only a few mm.
  • a single crystal of gallium nitride was produced in the same manner as in Example 2 except that a single flux of Na was used as the flux.
  • a transparent gallium nitride single crystal was obtained, and the yield was 13%.
  • the maximum diameter of the obtained single crystal was 2 cm or more.
  • Comparative Example 3 a single crystal of gallium nitride could not be obtained.
  • the weighed value of Ga was fixed at 1.0 g.
  • the weighed material was put into a BN crucible, and nitrogen gas was introduced into the BN crucible and heated and pressurized by the apparatus shown in FIG.
  • the heating temperature was 800 ° C.
  • the pressure was 15 atm of nitrogen gas, and this was maintained for 96 hours.
  • G a N generated by treating the residue with ethanol and water was taken out, and the yield was calculated. The results are shown in the graph of FIG.
  • the yield is low in the region where the proportion of Li is small, but the yield sharply increases when the proportion of Li exceeds 40%, and when the proportion of Li is 70%, The yield reached 84%.
  • the yield was 0%.
  • the obtained GaN single crystal was transparent as shown in the optical micrograph of Fig. 8, and the maximum diameter of the single crystal was 2 cm or more. It was hot.
  • the group III element nitride single crystal obtained by the production method of the present invention has a very high practical value. It can be used for various semiconductor devices such as photodiodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs).
  • LEDs photodiodes
  • LDs semiconductor lasers

Abstract

In an embodiment, gallium, lithium and sodium are placed in a BN crucible and are molten in a nitrogen atmosphere at a temperature of 800°C, under a low pressure as well as 30 atm (ca. 0.3 MPa), and then a single crystal is grown for 96 hours. The resultant gallium nitride single crystal is colorless and transparent with no blackening, exhibits almost no dislocation and has high quality, as shown in a photomicrograph of Fig. 2, and has a maximum diameter of 2 cm or more. An alkali metal other than sodium (except Li and Na) or an alkaline earth metal can be added in place of sodium or in addition to sodium.

Description

明 細 書  Specification
III族元素窒化物単結晶の製造方法およびそれにより得られた III族 元素窒化物透明単結晶 技術分野 Method for producing group III element nitride single crystal and group III element nitride transparent single crystal obtained thereby
本発明は、 窒化ガリウム (G a N) 等の III族元素窒化物の単結晶 の製造方法に関する。 背景技術  The present invention relates to a method for producing a single crystal of a Group III element nitride such as gallium nitride (GaN). Background art
III族元素窒化物の半導体は、 例えば、 ヘテロ接合高速電子デバィ スゃ光電子デバイス (半導体レーザ、 発光ダイオード、 センサ等) 等の分野に使用されており、 特に窒化ガリウム (G a N) が注目さ れている。 従来では、 窒化ガリウムの単結晶を得るために、 ガリウ ムと窒素ガスとを直接反応させることが行われていた (例えば、 J.Phys. Chem. Solids, 1995, 56, 639) 。 しかし、 この場合、 1 3 0 0 °C 〜 1 6 0 0。C、 8 0 0 0 a t m〜 1 7 0 0 0 a t m ( 0. 8 1 MP a〜 l . 7 2 MP a) という超高温高圧を必要とする。 この問題を 解決するために、 ナトリウム (N a) フラックス中で窒化ガリウム 単結晶を育成する技術 (以下、 「N aフラックス法」 ともいう) が 開発された (例えば、 米国特許公報 5 8 6 8 8 3 7号) 。 この方法 によれば、 加熱温度が 6 0 0 〜 8 0 0 と大幅に下がり、 また圧 力も、 約 5 0 a t m (約 5 MP a) 程度まで下げることができる。 しかし、 この方法では、 得られる単結晶が黒化するため、 品質に問 題がある。 また、 この方法は、 直接合成する場合に比べ、 温度およ び圧力を大幅に下げることができるとはいえ、 まだ、 条件としては 厳しい。 それゆえ、 さらに低い圧力での製造方法が特に求められて いる。 さらに、 従来の技術では、 透明で転位密度が小さく高品位で あり、 かつパルク状の大きな窒化ガリウムの単結晶を製造すること はできず、 収率も悪い。 すなわち、 従来の技術では、 成長速度が著 しく遅く、 例えば、 数/ im/時間程度の成長速度であるため、 1 0 0 0時間の育成でも最大径が数ミリ程度の窒化ガリウムしか得られ ない。 これまで報告された窒化ガリゥム単結晶の最大のものでも、 最大径が 1 c m程度であり、 これでは、 窒化ガリウムの実用化には つながらない。 また、 例えば、 窒化リチウム (L i 3N) とガリウ ムとを反応させて窒化ガリゥム単結晶を成長させる方法が報告され ているが(例えば、 Journal of Crystal Growth 247 (2003) 275-278)、 得られた結晶の大きさは 1 mm〜4mm程度である。 これらの問題 は、 窒化ガリウムに限らず、 他の III族元素窒化物の半導体において も同様である。 発明の開示 Group III element nitride semiconductors are used in fields such as heterojunction high-speed electronic devices and optoelectronic devices (semiconductor lasers, light-emitting diodes, sensors, etc.), and gallium nitride (GaN) in particular is attracting attention. Have been. Conventionally, in order to obtain a single crystal of gallium nitride, direct reaction between gallium and nitrogen gas has been performed (for example, J. Phys. Chem. Solids, 1995, 56, 639). However, in this case, 130 ° C. to 160 ° C. C, requires an ultrahigh temperature and pressure of 800 atm to 170 atm (0.81 MPa to l.72 MPa). In order to solve this problem, a technique for growing gallium nitride single crystals in sodium (Na) flux (hereinafter, also referred to as “Na flux method”) has been developed (for example, US Pat. 8 3 7). According to this method, the heating temperature can be greatly reduced to 600 to 800, and the pressure can be reduced to about 50 atm (about 5 MPa). However, this method has a quality problem because the resulting single crystal is blackened. Although this method can greatly reduce the temperature and pressure as compared with the case of direct synthesis, it is still a condition. Strict. Therefore, there is a particular need for lower pressure manufacturing methods. Furthermore, the conventional technology cannot produce a high-quality gallium nitride single crystal that is transparent, has a low dislocation density and a high quality, and has a poor yield. In other words, in the conventional technology, the growth rate is extremely slow, for example, a growth rate of about several / im / hour, so that only 100 g of growth can provide only gallium nitride having a maximum diameter of about several millimeters. . Even the largest single crystal of gallium nitride reported so far has a maximum diameter of about 1 cm, which does not lead to practical use of gallium nitride. Also, for example, a method has been reported in which gallium nitride single crystal is grown by reacting lithium nitride (Li 3 N) with gallium (eg, Journal of Crystal Growth 247 (2003) 275-278). The size of the obtained crystal is about 1 mm to 4 mm. These problems apply not only to gallium nitride but also to other Group III nitride semiconductors. Disclosure of the invention
本発明は、 このような事情に鑑みなされたもので、 透明で転位密 度が小さく高品位であり、かつバルク状の大きな III族元素窒化物の 単結晶を収率良く製造可能な製造方法の提供を、 その目的とする。 前記目的を達するために、本発明の製造方法は、 III族元素窒化物 単結晶の製造方法であって、 リチウム (L i ) と、 アルカリ金属 (L i を除く)およぴァルカリ土類金属の少なくとも一方との混合フラッ クス (F 1 u x) 中において、 ガリウム (G a) 、 アルミニウム (A The present invention has been made in view of such circumstances, and is directed to a manufacturing method capable of manufacturing a single crystal of a large group III element nitride which is transparent, has a low dislocation density, is high in quality, and is large in bulk. Provision is its purpose. In order to achieve the above object, a manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a group III element nitride single crystal, comprising lithium (L i), alkali metal (excluding Li), and alkali earth metal. Gallium (Ga) and aluminum (A) in a mixed flux (F1ux) with at least one of
1 ) およびインジウム ( I n) からなる群から選択される少なくと も一つの ΙΠ族元素と窒素 (N) とを反応させることにより III族元 素窒化物単結晶を成長させる製造方法である。 このように、 リチウムと、 アルカリ金属 (L i を除く) およびァ ルカリ土類金属の少なくとも一方との混合フラックス中で、 ガリウ ム等の I I I族元素窒化物と窒素とを反応させることで、転位密度が小 さく高品位で大きなバルク状の透明単結晶を製造できる。 しかも、 反応時の圧力を従来よりも低減できる。 図面の簡単な説明 1) and at least one element selected from the group consisting of indium (In) and a group III element by reacting the element with nitrogen (N). This is a manufacturing method for growing an element nitride single crystal. As described above, the dislocation is achieved by reacting a group III element nitride such as gallium with nitrogen in a mixed flux of lithium, at least one of an alkali metal (except Li) and an alkaline earth metal. Large, transparent bulk single crystals with low density and high quality can be manufactured. In addition, the pressure during the reaction can be reduced as compared with the conventional case. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1 ( A ) および図 1 ( B ) は、 窒化ガリウムの単結晶を製造す る装置の一例の構成を示す概略図である。  FIGS. 1 (A) and 1 (B) are schematic diagrams showing the configuration of an example of an apparatus for producing a single crystal of gallium nitride.
図 2は、 本発明の製造方法の一例により得られた窒化ガリゥムの 単結晶の光学顕微鏡写真である。  FIG. 2 is an optical micrograph of a single crystal of gallium nitride obtained by one example of the production method of the present invention.
図 3は、 本発明の電界効果トランジス夕の一例を示す断面図であ る。  FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the field-effect transistor of the present invention.
図 4は、 本発明の L E Dの一例を示す断面図である。  FIG. 4 is a sectional view showing an example of the LED of the present invention.
図 5は、 本発明の L Dの一例を示す断面図である。  FIG. 5 is a sectional view showing an example of the LD of the present invention.
図 6は、 本発明の半導体光センサの一例を示す断面図である。 図 7は、 本発明の製造方法のその他の例における、 L i の割合と FIG. 6 is a sectional view showing an example of the semiconductor optical sensor of the present invention. FIG. 7 shows the ratio of L i and the ratio in another example of the production method of the present invention.
G a N単結晶の収率の割合との関係を示すグラフである。 4 is a graph showing the relationship with the ratio of the yield of GaN single crystals.
図 8は、 本発明の製造方法のその他の例における、 G a N単結晶 の光学顕微鏡写真である。 発明を実施するための最良の形態  FIG. 8 is an optical micrograph of a GaN single crystal in another example of the production method of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 本発明について、 例を挙げてさらに詳しく説明する。 本発明において、 III族元素は、 ガリウム (G a) 、 アルミニウム (A 1 ) 、 インジウム ( I n) であるが、 このなかで、 ガリウムが 好ましい。 また、 III族元素窒化物単結晶は、窒化ガリゥム (G a N) 単結晶であることが好ましい。 以下に示す条件は、 特に窒化ガリウ ムの単結晶を製造するのに好ましいが、他の ΠΙ族元素窒化物単結晶 の製造にも同様に適用できる。 本発明において、 アルカリ金属は、 ナトリウム (N a) 、 力リウ ム ( K ) 、 ルビジゥム (R b ) 、 セシウム (C s ) およびフランシ ゥム (F r ) であり、 アルカリ土類金属は、 カルシウム (C a) 、 ストロンチウム (S r ) 、 バリウム (B a) およびラジウム (R a) である。 これらは、 単独で使用しても良いし、 二種類以上で併用し てもよい。 このなかで、 好ましいのは、 N a、 C a、 K、 R b、 C sであり、 より好ましいのは N aおよび C aである。 アルカリ金属 およびアルカリ土類金属の添加比率は、 リチウム (L i ) と、 アル カリ金属 (L i を除く) およびアルカリ土類金属との合計に対し、 例えば、 0. 0 0 1 mo l %〜 9 9. 9 9 m o 1 %の範囲であり、 好ましくは、 0. 0 1 mo l %〜 9 9. 9 mo 1 %の範囲であり、 より好ましくは 5 0 m o 1 %〜 9 9. 5 m o 1 %の範囲である。 ま た、 リチウム (L i ) とナトリウム (N a) とを組み合わせて使用 した場合、 前記両者の合計に対する N aの割合は、 例えば、 0. 0 0 1 mo l %〜 9 9. 9 9mo l %の範囲であり、好ましくは、 0. 0 1 mo l %〜 9 9. 9 mo 1 %の範囲であり、 より好ましくは 5 0mo l %〜 9 9. 5 mo l %の範囲である。 また、 ガリウム (G a) とリチウム (L i ) との合計に対するナトリウム (N a) の比 率 (mo 1 ) は、 例えば、 0. 0 0 1 mo l %〜 9 9. 9 9 m o 1 %の範囲であり、 好ましくは、 0. 0 1 mo l %〜 9 9. 9 m o 1 %の範囲であり、より好ましくは 5 0 m o 1 %〜 9 9. 5 m o 1 % の範囲である。 G a : L i : N aの mo l比は、 2. 7 : 0. 1 8 : 7. 1が、 特に好ましい。 なお、 後述の実施例に示すように、 L i および N aの混合フラックスの場合、 育成圧力が 1 5気圧では、 L iが多いほうが G a Nの収率が高い。 本発明において、 前記溶融の条件は、 例えば、 温度 1 0 0 °C〜 1Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. In the present invention, the group III elements are gallium (Ga), aluminum (A1), and indium (In), of which gallium is preferable. Further, the group III element nitride single crystal is preferably a gallium nitride (G a N) single crystal. The conditions shown below are particularly preferable for producing a single crystal of gallium nitride, but can be similarly applied to the production of other Group IV element nitride single crystals. In the present invention, the alkali metals are sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and Francium (Fr), and the alkaline earth metal is calcium. (C a), strontium (S r), barium (B a) and radium (R a). These may be used alone or in combination of two or more. Among them, preferred are Na, Ca, K, Rb and Cs, and more preferred are Na and Ca. The addition ratio of the alkali metal and the alkaline earth metal is, for example, 0.001 mol% to the total of lithium (L i), alkali metal (excluding L i) and alkaline earth metal. It is in the range of 9.9.99 mo 1%, preferably in the range of 0.01 mol% to 99.9 mo 1%, and more preferably in the range of 50 mo 1% to 99.5 mo. It is in the range of 1%. When lithium (L i) and sodium (Na) are used in combination, the ratio of Na to the total of the two is, for example, 0.001 mol% to 99.99 mol %, Preferably from 0.01 mol% to 99.9 mol%, more preferably from 50 mol% to 99.5 mol%. The ratio (mo 1) of sodium (Na) to the sum of gallium (Ga) and lithium (Li) is, for example, 0.001 mol% to 99.99 mol It is in the range of 1%, preferably in the range of 0.01 mol% to 99.9mo1%, more preferably in the range of 50mo1% to 99.5mo1%. . The molar ratio of Ga: Li: Na is particularly preferably 2.7: 0.18: 7.1. In addition, as shown in Examples described later, in the case of a mixed flux of Li and Na, when the growing pressure is 15 atm, the larger the Li, the higher the GaN yield. In the present invention, the melting conditions include, for example, a temperature of 100 ° C. to 1 ° C.
5 0 0 °C、 圧力 1 0 0 P a〜 2 0 MP aであり、 好ましくは、 温度 3 0 0 °〇〜 1 2 0 0 °0、 圧カ 0. 0 1 MP a〜 1 0 MP aであり、 より好ましくは、 温度 5 0 0 °C〜 1 1 0 0 °C、 圧力 0. 1 M P a〜500 ° C, pressure 100 Pa to 20 MPa, preferably, temperature 300 ° 0 to 120 ° 0, pressure 0.01 MPa to 10 MPa More preferably, the temperature is 500 ° C. to 110 ° C. and the pressure is 0.1 MPa to
6 MP aである。 本発明において、 窒素 (N) 源としては、 例えば、 窒素 (N) 含 有ガスを使用することができる。 前記窒素 (N) 含有ガスは、 例え ば、 窒素 (N2) ガス、 アンモニア (NH3) ガス等であり、 これら は混合して使用してもよく、 その混合比率は制限されない。 特に、 前記窒素 (N) 含有ガスとしてアンモニアガスを使用すると、 反応 圧力を低減できるので、 好ましい。 本発明の製造方法において、 III族元素窒化物 (例えば、 窒化ガリ ゥム) を予め準備し、 これに前記混合フラックスを接触させ、 前記6 MPa. In the present invention, as the nitrogen (N) source, for example, a nitrogen (N) -containing gas can be used. The nitrogen (N) -containing gas is, for example, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas or the like, and these may be used as a mixture, and the mixing ratio is not limited. In particular, it is preferable to use ammonia gas as the nitrogen (N) -containing gas because the reaction pressure can be reduced. In the production method of the present invention, a group III element nitride (for example, gallium nitride) is prepared in advance, and the mixed flux is brought into contact with the nitride.
III族元素窒化物を核にして新たな III族元素窒化物単結晶(例えば、 窒化ガリウム単結晶) を成長させることが好ましい。 この製造方法 の最も重要な特徴は、 大きなサイズの単結晶を早く製造できること である。 すなわち、 この方法では、 核となる III族元素窒化物を大き くすればするほど、早く大きな単結晶を得ることができる。例えば、 核として薄膜状の窒化ガリゥムを使用すると、これと同等の面積で、 窒化ガリウム単結晶が厚み方向に成長する。 具体的には、 最大径がIt is preferable to grow a new group III element nitride single crystal (for example, gallium nitride single crystal) using the group III element nitride as a nucleus. The most important feature of this manufacturing method is that large single crystals can be manufactured quickly. In other words, in this method, the core of the Group III element The larger the number, the faster a large single crystal can be obtained. For example, when a thin film of gallium nitride is used as a nucleus, a gallium nitride single crystal grows in the thickness direction in an area equivalent to this. Specifically, the maximum diameter
5 c mの前記薄膜を核として用いた場合、 これと同等の面積の窒化 ガリウム単結晶が厚み方向に数/ xmから数 mm成長することで、 十 分大きなバルク状窒化ガリゥムと成りうる。 核となる III族元素窒化物は、単結晶であってもよいし、非晶質(ァ モルファス) であってもよい。 また、 核となる III族元素窒化物の形 態は、 特に制限されないが、 例えば、 薄膜の形態が好ましい。 この 薄膜は、 基板の上に形成したものであってよい。 基板の材質として は、 例えば、 非晶質窒化ガリウム (G a N) 、 非晶質窒化アルミ二 ゥム (A 1 N) 、 サファイア、 シリコン (S i ) 、 ガリウム ·砒素 (G a A s ) 、 窒化ガリウム (G a N) 、 窒化アルミニウム (A 1 N) 、 炭化ケィ素 (S i C) 、 窒化ホウ素 (B N) 、 酸化リチウムガリウ ム (L i G a 02) 、 ホウ素化ジルコニウム (Z r B 2) 、 酸化亜鉛 ( Z n 0) 、 各種ガラス、 各種金属、 リン化ホウ素 (B P) 、 Mo S 2、 L aA l 〇 3、 N b N、 Mn F e 204、 Z n F e 24、 Z r N、 T i N、 リン化ガリウム (G a P) 、 MgA l 24、 N d G a 03、 L i A 1 O 2 S c A l Mg 04、 C a 8 L a 2 (P〇 4) 602 等がある。核となる I II族元素窒化物薄膜の厚みは、特に制限されず、 例えば、 0. 0 0 0 5 _im〜 1 0 0 0 0 0 m、 好ましくは 0. 0 0 1 m〜 5 0 0 0 0 m、 より好ましくは 0. 0 1 ΠΙ〜 5 0 0 0 mの範囲である。 前記薄膜は、 例えば、 有機金属気相成長法(M O CVD法) 、 ハライ ド気相成長法 (HVP E) 、 分子線ェピタキ シ一法 (MB E法) 等によって、 基板上に形成できる。 また、 基板 上に窒化ガリウム等の薄膜を形成したものは、市販されているので、 それを使用してもよい。 前記薄膜の最大径は、 例えば、 2 c m以上 であり、 好ましくは 3 c m以上であり、 より好ましくは 4 c m以上 であり、 特に好ましくは 5 c m以上である。 なお、 前記薄膜の最大 径は、 大きいほどよく、 その上限は、 限定されない。 また、 バルク 状化合物半導体の規格が 2インチであるから、 この観点から、 前記 最大径が 5 c mであることが好ましいが、 それ以上であってもそれ 以下であってもよく、 特に限定されない。 また、 前記最大径の範囲 は、 例えば、 2 c m〜 5 c mであり、 好ましくは 3 c m〜 5 c mで あり、 より好ましくは 4 c m〜 5 c mである。 なお、 前記最大径と は、 前記薄膜表面の外周のある点と、 その他の点とを結ぶ線であつ て、 最も長い線の長さをいう。 前記製造方法において、 前記フラックスによって、 窒素濃度が上 昇するまでに、予め準備した III族元素窒化物が溶解するおそれがあ る。 これを防止するために、 少なくとも反応初期において、 窒化物 を前記フラックス中に存在させておくことが好ましい。 前記窒化物 としては、 例えば、 C a 3N2、 L i 3N、 N a N3、 BN、 S i 3 N 4、 I n N等があり、 これらは単独で使用してもよく、 2種類以上 で併用してもよい。また、前記窒化物のフラックスにおける割合は、 例えば、 0. 0 0 0 1 mo l %〜 9 9 mo l %、 であり、 好ましく は、 0. 0 0 l mo l %〜 5 0mo 1 %であり、より好ましくは 0. 0 0 5 m o 1 %〜 1 O mo 1 %である。 本発明の製造方法において、 前記混合フラックス中に、 不純物を 存在させることも可能である。 このようにすれば、 不純物含有の III 族元素窒化物単結晶を製造できる。 前記不純物は、 例えば、 カルシ ゥム (Ca) 、 カルシウム (Ca) を含む化合物、 珪素 (S i ) 、 アルミ ナ (A1203) 、 インジウム (I n) 、 アルミニウム (A1 ) 、 窒化インジ ゥム(InN)、酸化珪素(S i 02)、酸化ィンジゥム(I n203)、亜鉛(Zn) 、 マグネシウム (Mg) 、 酸化亜鉛 (ZnO) 、 酸化マグネシウム (MgO) 、 ゲルマニウム (Ge) 等がある。 本発明の製造方法は、 例えば、 図 1に示す装置を用いて実施され る。 図 1 ( A ) に示すように、 この装置は、 ガスボンベ 1 と、 電気 炉 4と、 電気炉 4の中に配置された耐熱耐圧容器 3とを有す。 ガス ボンべ 1にはパイプ 2 1が接続されており、 このパイプ 2 1には、 ガス圧力調節器 5および圧力調節バルブ 2 5が配置されており、 ま た途中からリ一クパイプが取り付けられており、 その先にはリーク バルブ 2 4が配置されている。 パイプ 2 1はパイプ 2 2と接続し、 パイプ 2 2はパイプ 2 3と接続し、 これが電気炉 4の中まで進入し て耐圧耐熱容器 3に接続している。 また、 図 1 ( B ) に示すように、 耐圧耐熱容器 3の中には、 坩堝 6が配置され、 この中に、 ガリウム およびリチウムと、 アルカリ金属 (L i を除く) およびアルカリ土 類金属のいずれか若しくは双方とが配置されている。 前記坩堝とし ては、 例えば、 B N坩堝が使用できる。 この装置を用いた I I I族元素窒化物の単結晶の製造は、 例えば、 つ ぎのようにして行われる。まず、坩堝 6に、ガリゥム等の I I I族元素、 リチウム、 ナトリウム等の材料を入れ、 これを耐圧耐熱容器 3内に 配置する。 この耐圧耐熱容器 3を、 パイプ 2 3の先端部を接続した 状態で、 電気炉 4内に配置する。 この状態で、 ガスボンベ 1から、 パイプ (2 1、 2 2、 2 3 ) を通して窒素含有ガスを耐圧耐熱容器 3内に送ると共に、 電気炉 4で加熱する。 耐圧耐熱容器 3内の圧力 は、 圧力調節器 5により調節する。 そして、 一定時間、 加圧、 加熱 することにより、 前記材料 (図 1 (B) において、 7で示す) を溶 融して ΙΠ族元素窒化物の単結晶を成長させる。その後、 得られた単 結晶を坩堝から取り出す。 When the thin film of 5 cm is used as a nucleus, a gallium nitride single crystal having the same area as this grows from several / xm to several mm in the thickness direction, so that a sufficiently large bulk gallium nitride can be obtained. The group III element nitride serving as a nucleus may be a single crystal or amorphous (amorphous). The form of the group III element nitride serving as a nucleus is not particularly limited, but for example, a thin film form is preferable. This thin film may be formed on a substrate. Examples of the substrate material include amorphous gallium nitride (GaN), amorphous aluminum nitride (A1N), sapphire, silicon (Si), and gallium arsenide (GaAs). , gallium nitride (G a N), aluminum nitride (A 1 N), carbide Kei element (S i C), boron nitride (BN), oxide Richiumugariu beam (L i G a 0 2) , boron, zirconium (Z r B 2), zinc oxide (Z n 0), various types of glass, various metals, boron phosphide (BP), Mo S 2, L aA l 〇 3, n b n, Mn F e 2 0 4, Z n F e 24, Z r N, T i N, gallium phosphide (G a P), MgA l 2 〇 4, N d G a 0 3 , L i A 1 O 2 S c A l Mg 0 4, C a 8 L a 2 (P_〇 4) there are 6 0 2. The thickness of the group I II element nitride thin film serving as a nucleus is not particularly limited, and is, for example, 0.0 005 _im to 100 000 m, preferably 0.0 001 m to 500 000 0 m, more preferably in the range of 0.01 m to 500 m. The thin film can be formed on a substrate by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), halide vapor deposition (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE), or the like. Also, the substrate Since a thin film of gallium nitride or the like is formed on the market, it may be used. The maximum diameter of the thin film is, for example, 2 cm or more, preferably 3 cm or more, more preferably 4 cm or more, and particularly preferably 5 cm or more. The larger the maximum diameter of the thin film, the better, and the upper limit is not limited. In addition, since the standard of the bulk compound semiconductor is 2 inches, from this viewpoint, the maximum diameter is preferably 5 cm, but may be larger or smaller, and is not particularly limited. The range of the maximum diameter is, for example, 2 cm to 5 cm, preferably 3 cm to 5 cm, and more preferably 4 cm to 5 cm. The maximum diameter is a line connecting a point on the outer periphery of the thin film surface and another point, and refers to the length of the longest line. In the manufacturing method, the group III element nitride prepared in advance may be dissolved by the flux before the nitrogen concentration increases. In order to prevent this, it is preferable that a nitride is present in the flux at least at the beginning of the reaction. Examples of the nitride include Ca 3 N 2 , Li 3 N, Na N 3 , BN, Si 3 N 4 , In N and the like, and these may be used alone. More than one kind may be used together. Further, the ratio of the nitride in the flux is, for example, 0.0001 mol% to 99 mol%, and preferably, 0.001 mol% to 50 mol 1%. , More preferably 0.005 mo 1% to 1 O mo 1%. In the production method of the present invention, it is possible that impurities are present in the mixed flux. In this way, the impurity-containing III A group III nitride single crystal can be produced. The impurities are, for example, calcium © beam (Ca), a compound containing calcium (Ca), silicon (S i), alumina (A1 2 0 3), indium (I n), aluminum (A1), nitride Print © beam (InN), silicon oxide (S i 0 2), oxide Injiumu (I n 2 0 3), zinc (Zn), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), germanium (Ge) Etc. The production method of the present invention is carried out, for example, using the apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 1 (A), this apparatus has a gas cylinder 1, an electric furnace 4, and a heat-resistant and pressure-resistant container 3 arranged in the electric furnace 4. A gas cylinder 1 is connected to a pipe 21, which is provided with a gas pressure regulator 5 and a pressure control valve 25, and a leak pipe is attached from the middle. The leak valve 24 is located ahead of it. The pipe 21 is connected to the pipe 22, and the pipe 22 is connected to the pipe 23, which enters the electric furnace 4 and is connected to the pressure- and heat-resistant vessel 3. Further, as shown in FIG. 1 (B), a crucible 6 is arranged in the pressure-resistant and heat-resistant container 3, and contains gallium and lithium, and alkali metals (excluding Li) and alkaline earth metals. Either or both are arranged. As the crucible, for example, a BN crucible can be used. The production of a single crystal of a Group III element nitride using this apparatus is performed, for example, as follows. First, materials such as a group III element such as gallium, lithium, and sodium are put into the crucible 6 and placed in the pressure- and heat-resistant container 3. The pressure- and heat-resistant container 3 is placed in the electric furnace 4 with the end of the pipe 23 connected. In this state, from gas cylinder 1, The nitrogen-containing gas is fed into the pressure-resistant and heat-resistant vessel 3 through the pipes (2 1, 2, 2, 23), and is heated in the electric furnace 4. The pressure in the pressure- and heat-resistant container 3 is adjusted by the pressure regulator 5. Then, by applying pressure and heating for a certain period of time, the material (indicated by 7 in FIG. 1B) is melted to grow a single crystal of a Group III element nitride. Then, the obtained single crystal is taken out of the crucible.
III族元素窒化物を予め準備し、 これを核として III族元素窒化物 単結晶を成長させる場合は、例えば、 基板上に III族元素窒化物薄膜 を形成したものを、 予め坩堝 6の中に入れておき、 この中で、 前述 のようにして混合フラックス中で単結晶を成長させればよい。 以上のような製造方法によって本発明の III族元素窒化物の単結晶 を製造することができるが、 本発明の単結晶は、 これらの製造方法 に限定されず、 他の製造方法で製造してもよい。 前述のように、 本 発明の III族元素窒化物としては、 窒化ガリウムが好ましい。本発明 の窒化ガリウムにおいて、 転位密度は、 例えば、 1 05Zcm2以下 であり、 好ましくは 1 04Z c m2以下、 より好ましくは 1 03Zc m2以下、 特に好ましくは 1 02/ c m2以下、 特に好ましくは、 ほ ぼ無転位 (例えば、 1 01 c m2以下) のものである。 なお、 前記 転位密度は、 例えば、 エッチング法により調べることができる。 ま た、 その最大径は、 例えば、 2 c m以上であり、 好ましくは 3 c m 以上、 より好ましくは 4 c m以上、 特に好ましくは 5 c m以上であ り、 大きいほどよく、 その上限は、 限定されない。 また、 バルク状 化合物半導体の規格が 2インチであるから、 この観点から、 前記最 大径が 5 c mであることが好ましいが、 それ以上であってもそれ以 下であってもよく、特に限定されない。また、前記最大径の範囲は、 例えば、 2 c m〜 5 c mであり、好ましくは 3 c m〜 5 c mであり、 より好ましくは 4 c m〜 5 c mある。 なお、 最大径とは、 単結晶の 外周のある点と、 その他の点とを結ぶ線であって、 最も長い線の長 さをいう。 また、 本発明の製造方法によれば、 基板上で G a Nを成長させる 塲合、 垂直方向 ( c軸方向) の成長より、 水平方向 ( c軸方向に対 し垂直方向) の成長が促進され、 得られる単結晶は平板状となるこ とが多い。 このため、 得られる結晶の転位がさらに少なくなること が期待できる。 つぎに、本発明の III族元素窒化物透明単結晶を使用した半導体装 置について、 例をあげて説明する。 なお、 以下の装置は、 電界効果 トランジスタ、 発光ダイオード (L ED) および半導体レーザ (L D) であるが、 本発明の装置は、 これらに限定されない。 これらの 他にも、 本発明の単結晶を使用した半導体装置があり、 例えば、 p 型半導体層と n型半導体層とを単に接合しただけの単純な構造の半 導体装置であって、 前記半導体層に本発明の単結晶を使用したもの (例えば、 ρ η ρ型トランジスタ、 n p n型トランジスタ、 n p n p型サイリス夕等) や、 導電性層、 導電性基板若しくは導電性半導 体、 絶縁性層、 絶縁性基板若しくは絶縁性半導体として本発明の単 結晶を使用した半導体装置等がある。 本発明の半導体装置は、 本発 明の製造方法と、 従来の方法とを組み合わせて製造することができ る。 例えば、 本発明の製造方法により G a N基板を製造し、 この基 板上に、 MO CVD法等により、 半導体層を積層してもよい。 本発' 明の製造方法により製造した G a N基板上に、 M O C V D法等で成 長させた G a N薄膜等は、 高品位なため、 その特性が優れている。 その他に、 本発明の製造方法により、 半導体層を形成することも可 能である。 すなわち、 まず、 坩堝に所定の材料を入れ、 窒素含有ガ ス雰囲気下で、 本発明の製造方法により n型 G a N層を形成し、 こ の上に、 材料を代える他は前記と同様にして、 p型 G a N層を形成 することで、 p n接合の半導体装置が製造できる。 このようにすれ ば、 以下に示す、 電界効果トランジスタ、 L E D、 L D、 半導体光 センサ、 その他の半導体装置も製造できる。 但し、 本発明の半導体 装置は、 上記に示した製造方法に限定されず、 その他の製造方法で も製造できる。 図 3に示すのは、本発明の I I I族元素窒化物透明単結晶を使用した 電界効果トランジスタの一例である。 図示のように、 この電界効果 トランジスタ 3 0は、 絶縁性半導体層 3 1の上に導電性半導体層 3 2が形成され、 この上に、 ソース電極 3 3、 ゲート電極 3 4および ドレイン電極 3 5が形成されている。 同図において、 3 7は、 高濃 度 2次元電子を示す。 この電界効果トランジスタにおいて、 前記絶 縁性半導体層 3 1および前記導電性半導体層 3 2の少なくとも一つ が本発明の I I I族元素窒化物透明単結晶から形成されている。本発明 の透明単結晶は、 欠陥が少なく、 不純物をドーピングしない限り絶 縁性に優れるから、 前記絶縁性半導体層 3 1を本発明の単結晶で形 成してもよい。 例えば、 G a N単結晶は、 理論的には高周波特性に 優れるが、 従来の G a N単結晶は欠陥があるため、 高周波特性に優 れる電界効果トランジスタを実現することは困難であった。しかし、 本発明の G a N単結晶は、 ほぼ無転位であり、 高品位であるから、 これを用いれば、 期待どおりの高周波特性に優れる電界効果卜ラン ジス夕が得られる。 本発明の電界効果トランジスタは、 さらに基板を有し、 この基板 の上に前記電界効果トランジスタ素子が形成されていてもよい。 こ の場合は、前記基板は、 本発明の III族元素窒化物透明単結晶から形 成されていてもよく、 また、 S i C基板、 A 1 N基板、 サファイア 等の他の材質の基板でもよい。 つぎに、本発明の単結晶を使用した発光ダイォード(L ED)は、 n型半導体層、 活性領域層および p型半導体層が、 この順序で積層 されて構成された発光ダイオード (L E D) であって、 前記三層の 少なくとも一層が、本発明の III族元素窒化物透明単結晶から形成さ れている。 n型若しくは p型半導体は、 適当な不純物をドーピング して本発明の製造方法により単結晶を製造すれば得られる。 本発明 の L E Dの一例を、図 4に示す。図示のように、 この L ED 4 0は、 n型 G a N層 4 1 と p型 G a N層 4 3との間に、 活性層としての I n G a N層 4 2が形成されている。 また、 n型 G a N層 4 1の下に は n電極 44が配置され、 p型 G a N層 4 3の上には p電極 4 5が 配置され、 コンパクトな構造となっている。 これに対し、 従来の構 造では、 基板に使用する材質が絶縁体であったため、 n型半導体層 を L字状に形成し、 n電極を横にはみ出た部分の上に形成する必要 があったため、 コンパク トな構造をとることができなかった。 本発明の L EDは、 さらに基板を有し、 この基板の上に前記発光 ダイオード素子が形成されていてもよい。 この場合、 前記基板は、 本発明の III族元素窒化物透明単結晶から形成されていてもよいし、 また、 S i C基板、 A 1 N基板、 サファイア等の他の材質の基板で もよい。 しかし、 本発明の単結晶で基板を形成すれば、 導電性を付 与することも可能であり、 この結果、 電極を基板の下に配置するこ とが可能となる。 本発明の L EDにおいて、 p型半導体層、 活性領域層および n型 半導体層は単層構造でも良いし、 積層構造であってもよい。 例えば 、 図 4の半導体装置において、 p型 G a N層 4 3に代えて、 p型 A I G a N層と p型 G a N層との積層体を形成してもよい。 つぎに、 本発明の単結晶を使用した半導体レーザ (LD) は、 n 型半導体層、 活性領域層および p型半導体層が、 この順序で積層さ れて構成された半導体レーザ (LD) であって、 前記三層の少なく とも一層が、本発明の III族元素窒化物透明単結晶から形成されてい る。 この一例を、 図 5に示す。 図示のように、 この LD 5 0は、 n 型 G a N層 5 1 と p型 G a N層 5 3との間に、 活性層としての I n G a N層 5 2が形成されている。 また、 n型 G a N層 5 1の下には n電極 5 4が配置され、 p型 G a N層 5 3の上には p電極 5 5が配 置され、 コンパク トな構造となっている。 これに対し、 従来の構造 では、 基板に使用する材質が絶縁体であったため、 n型半導体層を L字状に形成し、 n電極を横にはみ出た部分の上に形成する必要が あつたため、 コンパク卜な構造をとることができなかった。 本発明の LDは、 さらに基板を有し、 この基板の上に前記半導体 レーザ素子が形成されていてもよい。 この場合、 前記基板は、 本発 明の III族元素窒化物透明単結晶から形成されていてもよいし、また、 S i C基板、 A 1 N基板、サファイア等の他の材質の基板でもよい。 しかし、 本発明の単結晶で基板を形成すれば、 導電性を付与するこ とも可能であり、 この結果、 電極を基板の下に配置することが可能 となる。 本発明の L Dにおいて、 p型半導体層、 活性領域層および n型半 導体層は単層構造でも良いし、 積層構造であってもよい。 例えば、 図 5の半導体装置において、 p型 G a N層 5 3に代えて、 p型 A 1 G a N capping層、 p型 G a N wavegu i d ing層、 p型 A l G aN/ G a N MD— S L S c 1 add ing層および p型 G a N層を、 この順序 で積層した積層体を形成し、 n型 G a N層に代えて、 n型 A l G a N/G aN MD - S L S cladding層および n型 G a N waveguiding 層を、 この順序で積層した積層体を形成してもよい。 つぎに、 本発明の半導体光センサは、 p型半導体層と n型半導体 層とが接合した半導体光センサ素子であって、 前記両半導体層の少 なくとも一層が、本発明の III族元素窒化物透明単結晶から形成され ている。 この半導体光センサの一例を図 6に示す。 図示のように、 この半導体光センサ 6 0は、 3つの突起部を有する G a N基板 6 5 のそれぞれの突起に、 n型 G a N層 6 1および p型 G a N層 6 2が 、 この順序で積層されており、 これらのうちの少なくとも一つが、 本発明の単結晶で形成されている。 前記基板 6 5の下側には、 n電 極 (Au/T i電極) 6 4が形成され、 p型 G a N層 6 2の上側に は、 P電極 (AuZT i電極) 6 3が形成されている。 本発明の半導体光センサは、 さらに基板を有し、 この基板の上に 前記半導体光センサが形成されていてもよい。 この場合、 前記基板 は、本発明の I I I族元素窒化物透明単結晶から形成されていてもよい し、 また、 S i C基板、 A 1 N基板、 サファイア等の他の材質の基 板でもよい。 基板に導電性を付与することも可能となる結果、 電極 を基板の下に配置することが可能となることから、 それらの中でも 、 本発明の単結晶を用いて基板を形成することが好ましい。 実施例 When a group III element nitride is prepared in advance and a group III element nitride single crystal is grown using the nucleus as a nucleus, for example, a thin film of a group III element nitride formed on a substrate is placed in a crucible 6 in advance. In this case, a single crystal may be grown in the mixed flux as described above. Although a single crystal of a Group III element nitride of the present invention can be manufactured by the above-described manufacturing method, the single crystal of the present invention is not limited to these manufacturing methods, and may be manufactured by another manufacturing method. Is also good. As described above, gallium nitride is preferable as the group III element nitride of the present invention. In the gallium nitride of the present invention, dislocation density, for example, 1 0 5 ZCM 2 or less, preferably 1 0 4 Z cm 2 or less, more preferably 1 0 3 Zc m 2 or less, particularly preferably 1 0 2 / cm 2 or less, particularly preferably almost no dislocation (e.g., 1 0 1 cm 2 or less) is of. The dislocation density can be determined by, for example, an etching method. The maximum diameter is, for example, 2 cm or more, preferably 3 cm or more, more preferably 4 cm or more, and particularly preferably 5 cm or more. The larger the better, the better, and the upper limit is not limited. In addition, since the standard of a bulk compound semiconductor is 2 inches, from this viewpoint, it is preferable that the maximum diameter is 5 cm. It may be below and is not particularly limited. The range of the maximum diameter is, for example, 2 cm to 5 cm, preferably 3 cm to 5 cm, and more preferably 4 cm to 5 cm. Note that the maximum diameter is a line connecting a point on the outer periphery of the single crystal and another point, and refers to the length of the longest line. Further, according to the manufacturing method of the present invention, the growth in the horizontal direction (vertical direction to the c-axis direction) is promoted rather than the growth in the vertical direction (c-axis direction) for growing GaN on the substrate. As a result, the resulting single crystal often has a plate shape. Therefore, it can be expected that the dislocation of the obtained crystal will be further reduced. Next, a semiconductor device using the group III element nitride transparent single crystal of the present invention will be described with reference to examples. The following devices are a field effect transistor, a light emitting diode (LED) and a semiconductor laser (LD), but the device of the present invention is not limited to these. Other than these, there is a semiconductor device using the single crystal of the present invention, for example, a semiconductor device having a simple structure in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are simply joined, and A layer using the single crystal of the present invention (for example, ρηρ transistor, npn transistor, npnp thyristor, etc.), a conductive layer, a conductive substrate or a conductive semiconductor, an insulating layer, There is a semiconductor device using the single crystal of the present invention as an insulating substrate or an insulating semiconductor. The semiconductor device of the present invention can be manufactured by combining the manufacturing method of the present invention with a conventional method. For example, a GaN substrate may be manufactured by the manufacturing method of the present invention, and a semiconductor layer may be stacked on the GaN substrate by MOCVD or the like. The original GaN thin films grown by MOCVD or the like on GaN substrates manufactured by the above-mentioned manufacturing method have excellent characteristics because of their high quality. Alternatively, a semiconductor layer can be formed by the manufacturing method of the present invention. That is, first, a predetermined material is put in a crucible, an n-type GaN layer is formed by a manufacturing method of the present invention in a nitrogen-containing gas atmosphere, and the material is changed on the n-type GaN layer in the same manner as described above. By forming the p-type GaN layer, a pn junction semiconductor device can be manufactured. In this way, the following field-effect transistors, LEDs, LDs, semiconductor optical sensors, and other semiconductor devices can be manufactured. However, the semiconductor device of the present invention is not limited to the manufacturing method described above, but can be manufactured by other manufacturing methods. FIG. 3 shows an example of a field-effect transistor using the group III element nitride transparent single crystal of the present invention. As shown in the figure, the field-effect transistor 30 has a conductive semiconductor layer 32 formed on an insulating semiconductor layer 31 and a source electrode 33, a gate electrode 34, and a drain electrode 35 formed thereon. Is formed. In the figure, 37 indicates a highly concentrated two-dimensional electron. In this field-effect transistor, at least one of the insulating semiconductor layer 31 and the conductive semiconductor layer 32 is formed of a group III element nitride transparent single crystal of the present invention. Since the transparent single crystal of the present invention has few defects and has excellent insulating properties unless doped with impurities, the insulating semiconductor layer 31 may be formed of the single crystal of the present invention. For example, GaN single crystals are theoretically excellent in high-frequency characteristics, but conventional GaN single crystals have defects, making it difficult to realize a field-effect transistor with excellent high-frequency characteristics. However, since the G a N single crystal of the present invention has almost no dislocation and high quality, If this is used, a field effect transistor having excellent high frequency characteristics as expected can be obtained. The field effect transistor of the present invention may further include a substrate, and the field effect transistor element may be formed on the substrate. In this case, the substrate may be formed from the group III element nitride transparent single crystal of the present invention, or may be a substrate made of another material such as a SiC substrate, an A1N substrate, and sapphire. Good. Next, a light emitting diode (LED) using the single crystal of the present invention is a light emitting diode (LED) formed by stacking an n-type semiconductor layer, an active region layer, and a p-type semiconductor layer in this order. At least one of the three layers is formed from the group III element nitride transparent single crystal of the present invention. An n-type or p-type semiconductor can be obtained by doping an appropriate impurity and manufacturing a single crystal by the manufacturing method of the present invention. FIG. 4 shows an example of the LED of the present invention. As shown, the LED 40 has an InGaN layer 42 as an active layer formed between an n-type GaN layer 41 and a p-type GaN layer 43. I have. Further, an n-electrode 44 is arranged below the n-type GaN layer 41, and a p-electrode 45 is arranged above the p-type GaN layer 43, so that a compact structure is obtained. On the other hand, in the conventional structure, since the material used for the substrate is an insulator, it is necessary to form the n-type semiconductor layer in an L-shape and to form the n-electrode on the portion protruding sideways. Therefore, a compact structure could not be obtained. The LED of the present invention may further include a substrate, and the light emitting diode element may be formed on the substrate. In this case, the substrate is It may be formed from the group III element nitride transparent single crystal of the present invention, or may be a substrate made of another material such as a SiC substrate, an A1N substrate, and sapphire. However, when a substrate is formed from the single crystal of the present invention, conductivity can be imparted, and as a result, electrodes can be arranged below the substrate. In the LED of the present invention, the p-type semiconductor layer, the active region layer, and the n-type semiconductor layer may have a single-layer structure or a stacked structure. For example, in the semiconductor device of FIG. 4, instead of the p-type GaN layer 43, a laminate of a p-type AIGN layer and a p-type GaN layer may be formed. Next, the semiconductor laser (LD) using the single crystal of the present invention is a semiconductor laser (LD) having an n-type semiconductor layer, an active region layer, and a p-type semiconductor layer laminated in this order. In addition, at least one of the three layers is formed of the group III element nitride transparent single crystal of the present invention. An example of this is shown in FIG. As shown in the figure, this LD 50 has an InGaN layer 52 as an active layer formed between an n-type GaN layer 51 and a p-type GaN layer 53. . In addition, an n-electrode 54 is disposed below the n-type GaN layer 51, and a p-electrode 55 is disposed above the p-type GaN layer 53, resulting in a compact structure. I have. In contrast, in the conventional structure, the material used for the substrate was an insulator, so it was necessary to form the n-type semiconductor layer in an L-shape and to form the n-electrode on the part protruding sideways. However, it was not possible to take a compact structure. The LD of the present invention may further include a substrate, and the semiconductor laser device may be formed on the substrate. In this case, the substrate is It may be formed of a transparent group III element nitride transparent single crystal, or may be a substrate made of another material such as a SiC substrate, an A1N substrate, or sapphire. However, when a substrate is formed from the single crystal of the present invention, conductivity can be imparted, and as a result, electrodes can be arranged below the substrate. In the LD of the present invention, the p-type semiconductor layer, the active region layer, and the n-type semiconductor layer may have a single-layer structure or a stacked structure. For example, in the semiconductor device of FIG. 5, instead of the p-type GaN layer 53, a p-type A 1 G a N capping layer, a p-type GaN waveguiding layer, and a p-type Al GaN / G a N MD—SLS c 1 adding layer and p-type GaN layer are laminated in this order to form a laminate, and n-type GaN layer is substituted for n-type GaN layer. -You may form the laminated body which laminated | stacked the SLS cladding layer and the n-type GaN waveguiding layer in this order. Next, a semiconductor optical sensor according to the present invention is a semiconductor optical sensor element in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are joined, and at least one of the two semiconductor layers is a group III element nitride according to the present invention. It is formed from a transparent single crystal. FIG. 6 shows an example of this semiconductor optical sensor. As shown in the figure, the semiconductor optical sensor 60 has an n-type GaN layer 61 and a p-type GaN layer 62 on each protrusion of a GaN substrate 65 having three protrusions. The layers are stacked in this order, and at least one of them is formed of the single crystal of the present invention. An n electrode (Au / Ti electrode) 64 is formed below the substrate 65, and a P electrode (AuZT i electrode) 63 is formed above the p-type GaN layer 62. Have been. The semiconductor optical sensor of the present invention may further include a substrate, and the semiconductor optical sensor may be formed on the substrate. In this case, the substrate may be formed from the group III element nitride transparent single crystal of the present invention, or may be a substrate of another material such as a SiC substrate, an A1N substrate, and sapphire. . Since the electrode can be arranged below the substrate as a result of imparting conductivity to the substrate, it is preferable to form the substrate using the single crystal of the present invention among them. Example
つぎに、本発明の実施例について比較例と併せて説明する。なお、 以下の実施例は、 窒化ガリゥム単結晶の例であるが、 他の I I I族元素 窒化物単結晶も同様にして製造できる。  Next, examples of the present invention will be described together with comparative examples. The following example is an example of a gallium nitride single crystal, but other III group element nitride single crystals can be manufactured in the same manner.
(実施例 1 ) (Example 1)
図 1 ( A ) および (B ) に示す装置を用い、 窒化ガリウムの単結 晶を製造した。 すなわち、 ガリウム、 リチウムおよびナトリウムを B N坩堝に入れ、 窒素 (N 2 ) ガス雰囲気下、 以下の条件で加熱加 圧溶融し、 窒化ガリウムの単結晶を育成し、 育成終了後、 エタノー ルと水とを用いて残留物を処理した。 その結果、 図 2の光学顕微鏡 写真に示すように、 透明な窒化ガリウム単結晶を得ることができ、 その収率は 3 8 . 6 %であった。 また、 得られた単結晶の最大径は 2 c m以上であり、 エッチング法により調べた結果、 ほぼ無転位で あった。 (製造条件) A single crystal of gallium nitride was manufactured using the apparatus shown in Figs. 1 (A) and (B). That is, gallium, lithium, and sodium are put into a BN crucible, and heated and melted under a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere under the following conditions to grow a single crystal of gallium nitride. After the growth, ethanol and water are added. The residue was treated with. As a result, as shown in the optical micrograph of FIG. 2, a transparent gallium nitride single crystal was obtained, and the yield was 38.6%. The maximum diameter of the obtained single crystal was 2 cm or more, and as a result of examination by an etching method, it was almost free from dislocation. (Manufacturing conditions)
育成温度: 8 0 0 °C 育成圧力 (N2) : 3 0 a t m ( 3. 0 4 M P a ) Growth temperature: 800 ° C Growth pressure (N 2 ): 30 atm (3.0 4 MPa)
育成時間 : 9 6時間 Training time: 9 6 hours
使用坩堝 : B N坩堝 Crucible used: BN crucible
G a : f l u (モル比) = 2. 7 : 7. 3  G a: flu (molar ratio) = 2.7: 7.3
L i : N a (モル比) = 0. 2 5 : 9. 7 5 L i: N a (molar ratio) = 0.25: 9.75
(比較例 1 ) (Comparative Example 1)
フラックスとして、 N a単体フラックスを用い、 それ以外は、 実 施例 1 と同様にして窒化ガリゥムの単結晶を製造した。 その結果、 収率は 9. 7 %と低く、 得られた単結晶は、 黒化して品質が悪く、 最大径も数 mm程度で小さかった。  A single crystal of gallium nitride was produced in the same manner as in Example 1 except that a single elemental Na flux was used as the flux. As a result, the yield was as low as 9.7%, and the obtained single crystal was blackened and had poor quality, and the maximum diameter was as small as several mm.
(比較例 2) (Comparative Example 2)
フラックスとして、 L i単体フラックスを用い、 それ以外は、 実 施例 1 と同様にして窒化ガリウムの単結晶を製造した。 その結果、 収率は 4. 5 %と低く、 得られた単結晶は、 多くは黒化して品質が 悪く、 最大径も数 mm程度で小さかった。  A single crystal of gallium nitride was produced in the same manner as in Example 1 except for using the Li single flux as the flux. As a result, the yield was as low as 4.5%, and the obtained single crystal was often blackened, of poor quality, and had a small maximum diameter of only a few mm.
(実施例 2、 比較例 3 ) (Example 2, Comparative Example 3)
L i と N aとのモル比を、 L i : N a = 5 : 9 5とし、 かつ育成 圧力を 1 5 a t mにした以外は、 実施例 1 と同様にして窒化ガリゥ ムの単結晶を製造した (実施例 2) 。 また、 比較例 3では、 フラッ クスとして、 N a単体フラックスを用いた以外は、 実施例 2と同様 にして窒化ガリウムの単結晶を製造した。その結果、実施例 2では、 透明な窒化ガリウム単結晶を得ることができ、 その収率は 1 3 %で あった。 また、 得られた単結晶の最大径は 2 cm以上であり、 エツ チング法により調べた結果、 ほぼ無転位であった。 これに対し、 比 較例 3では、 窒化ガリウムの単結晶を得ることができなかった。 (実施例 3) A single crystal of gallium nitride was produced in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio between Li and Na was set to Li: Na = 5: 95 and the growing pressure was set to 15 atm. (Example 2). In Comparative Example 3, a single crystal of gallium nitride was produced in the same manner as in Example 2 except that a single flux of Na was used as the flux. As a result, in Example 2, a transparent gallium nitride single crystal was obtained, and the yield was 13%. The maximum diameter of the obtained single crystal was 2 cm or more. As a result of examination by the Ching method, it was almost dislocation-free. On the other hand, in Comparative Example 3, a single crystal of gallium nitride could not be obtained. (Example 3)
G aの秤量値を 1. 0 gと一定とした。 また、 G aとフラックス とのモル比を G a : f l u x= 2. 7 : 7. 3と一定とし、 このう ちフラックスである L i と N aとのモル比 (L i /N a ) を連続的 に 0から 1まで変化させて秤量を行った。 抨量した材料は B N坩堝 に入れ、 図 1に示す装置で、 前記 BN坩堝に窒素ガスを導入して加 熱加圧した。 加熱温度は 8 0 0 °Cで、 圧力は窒素ガス圧 1 5 a t m とし、 これを 9 6時間保持した。 育成終了後、 エタノールと水とを 用いて残留物を処理することで生成した G a Nを取り出し、 収率を 算出した。 その結果を図 7のグラフに示す。 図示のように、 L i の 割合が少ない領域では、 収率が低いが、 L i の割合が 4 0 %を超え ると急激に収率が向上し、 L iが 7 0 %の場合は、 収率が 8 4 %に 達した。 また、 L iが 0 %および N aが 0 %の場合のいずれにおい ても、 収率は 0 %であった。 また、 得られた G a N単結晶は、 図 8 の光学顕微鏡写真に示すように、 透明であり、 単結晶の最大径は 2 c m以上であり、エッチング法により調べた結果、ほぼ無転位であつ た。 産業上の利用可能性  The weighed value of Ga was fixed at 1.0 g. The molar ratio between Ga and the flux is fixed at Ga: flux = 2.7: 7.3, and the molar ratio (Li / Na) between the fluxes Li and Na is defined as Weighing was performed continuously from 0 to 1. The weighed material was put into a BN crucible, and nitrogen gas was introduced into the BN crucible and heated and pressurized by the apparatus shown in FIG. The heating temperature was 800 ° C., the pressure was 15 atm of nitrogen gas, and this was maintained for 96 hours. After the growth was completed, G a N generated by treating the residue with ethanol and water was taken out, and the yield was calculated. The results are shown in the graph of FIG. As shown in the figure, the yield is low in the region where the proportion of Li is small, but the yield sharply increases when the proportion of Li exceeds 40%, and when the proportion of Li is 70%, The yield reached 84%. In addition, in both cases where Li was 0% and Na was 0%, the yield was 0%. The obtained GaN single crystal was transparent as shown in the optical micrograph of Fig. 8, and the maximum diameter of the single crystal was 2 cm or more. It was hot. Industrial applicability
以上のように、 本発明の製造方法によれば、 高品位であり、 かつ 大きく透明なバルク状の III族元素窒化物の単結晶を高収率で製造で きる。本発明の製造方法により得られた ΙΠ族元素窒化物の単結晶は、 その実用価値はきわめて高く、 例えば、 電界効果トランジスタ、 発 光ダイオード (L ED) および半導体レーザ (LD) 等の各種半導 体装置等に使用できる。 As described above, according to the production method of the present invention, a high-quality, large and transparent bulk group III element nitride single crystal can be produced in high yield. The group III element nitride single crystal obtained by the production method of the present invention has a very high practical value. It can be used for various semiconductor devices such as photodiodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs).

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
1. 111族元素窒化物単結晶の製造方法であって、 リチウム(L i ) と、 アルカリ金属 (L i を除く) およびアルカリ土類金属の少なく とも一方との混合フラックス (F 1 u x) 中において、 ガリウム (G a) 、 アルミニウム (A 1 ) およびインジウム ( I n) からなる群 から選択される少なくとも一つの III族元素と窒素 (N) とを反応さ せることにより III族元素窒化物単結晶を成長させる製造方法。 2. III族元素が、 ガリウム (G a) であり、 III族元素窒化物単 結晶が、 窒化ガリウム (G a N) である請求項 1記載の製造方法。 1. A method for producing a Group 111 element nitride single crystal, comprising a mixed flux (F 1 ux) of lithium (L i) and at least one of an alkali metal (except Li) and an alkaline earth metal. A group III element nitride by reacting at least one group III element selected from the group consisting of gallium (Ga), aluminum (A1) and indium (In) with nitrogen (N). Manufacturing method for growing crystals. 2. The production method according to claim 1, wherein the group III element is gallium (Ga), and the group III element nitride single crystal is gallium nitride (GaN).
3. アルカリ金属が、 ナトリウム (N a) 、 カリウム (K) 、 ル ビジゥム (R b) 、 セシウム (C s ) およびフランシウム (F r ) からなる群から選択された少なくとも一つであり、 アルカリ土類金 属が、 カルシウム ( C a ) 、 ストロンチウム ( S r ) 、 バリウム ( B a) およびラジウム (R a) からなる群から選択された少なく とも 一つである請求項 1記載の製造方法。 4. 前記混合フラックスが、 ナトリウム (N a) とリチウム (L i ) との混合フラックスである請求項 1記載の製造方法。 3. the alkali metal is at least one selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr); The production method according to claim 1, wherein the metal is at least one selected from the group consisting of calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra). 4. The production method according to claim 1, wherein the mixed flux is a mixed flux of sodium (Na) and lithium (Li).
5. 前記混合フラックスにおいて、 ナトリウム (N a) とリチウ ム (L i ) との合計に対するリチウム (N a) の比率が、 0. 0 0 l mo l %〜 9 9. 9 9 m o 1 %の範囲である請求項 1記載の製造 方法。 5. In the mixed flux, the ratio of lithium (Na) to the sum of sodium (Na) and lithium (Li) is from 0.01 mol% to 99.9 mol 1%. The method according to claim 1, which is a range.
6. 前記反応条件が、 温度 1 0 0 ° (:〜 1 5 0 0 °C、 圧力 1 0 0 P a〜 2 0 MP aである請求項 1記載の製造方法。 7. 窒素 (N) 源として、 窒素 (N) 含有ガスを使用する請求項 1記載の製造方法。 6. The production method according to claim 1, wherein the reaction conditions are a temperature of 100 ° (: up to 150 ° C., a pressure of 100 Pa to 20 MPa) 7. A nitrogen (N) source 2. The production method according to claim 1, wherein a nitrogen (N) -containing gas is used.
8. 前記窒素 (N) 含有ガスが、 窒素 (N2) ガスおよびアンモ ニァ (NH3) ガスの少なくとも一方である請求項 7記載の製造方 法。 8. The method according to claim 7, wherein the nitrogen (N) -containing gas is at least one of a nitrogen (N 2 ) gas and an ammonia (NH 3 ) gas.
9. 前記窒素 (N) 含有ガスが、 アンモニア (NH3) ガス、 若 しくは、 これと窒素 (N) ガスとの混合ガスである請求項 7記載の 製造方法。 9. The method according to claim 7, wherein the nitrogen (N) -containing gas is ammonia (NH 3 ) gas or a mixed gas of the ammonia (NH 3 ) gas and nitrogen (N) gas.
1 0. III族元素窒化物を予め準備し、 これに前記混合フラックス を接触させ、 前記 III族元素窒化物を核にして新たな III族元素窒化 物単結晶を成長させる請求項 1記載の製造方法。 1 1. 核となる III元素族窒化物が、 単結晶または非晶質である請 求項 1 0記載の製造方法。 10. The production according to claim 1, wherein a group III element nitride is prepared in advance, and the mixed flux is brought into contact with the group III element nitride to grow a new group III element nitride single crystal with the group III element nitride as a nucleus. Method. 1 1. The production method according to claim 10, wherein the core element III nitride is single crystal or amorphous.
1 2. 核となる III元素族窒化物が、 薄膜の形態である請求項 1 0 記載の製造方法。 12. The method according to claim 10, wherein the group III nitride serving as a nucleus is in the form of a thin film.
1 3. 前記薄膜が、 基板上に形成されている請求項 1 2記載の製 造方法。 13. The product according to claim 12, wherein the thin film is formed on a substrate. Construction method.
1 4. 核となる III族元素窒化物の最大径が、 2 c m以上である請 求項 1 0記載の製造方法。 14. The production method according to claim 10, wherein the maximum diameter of the core group III element nitride is 2 cm or more.
1 5. 核となる III族元素窒化物の最大径が、 3 c m以上である請 求項 1 0記載の製造方法。 1 5. The production method according to claim 10, wherein the maximum diameter of the core group III element nitride is 3 cm or more.
1 6. 核となる III族元素窒化物の最大径が、 4 c m以上である請 求項 1 0記載の製造方法。 1 6. The production method according to claim 10, wherein the maximum diameter of the core group III element nitride is 4 cm or more.
1 7. 核となる III族元素窒化物の最大径が、 5 c m以上である請 求項 1 0記載の製造方法。 1 8. 少なくとも反応初期において、 窒化物を前記混合フラック ス中に存在させておく請求項 1 0記載の製造方法。 17. The production method according to claim 10, wherein the maximum diameter of the core group III element nitride is 5 cm or more. 18. The production method according to claim 10, wherein a nitride is present in the mixed flux at least at an early stage of the reaction.
1 9. 前記窒化物が、 C a 3N2、 L i 3N、 N a N3、 BN、 S1 9. The nitride is C a 3 N 2 , L i 3 N, N a N 3 , BN, S
1 3N4および I n Nからなる群から選択された少なくとも一つであ る請求項 1 8記載の製造方法。 1 3 N 4 and a method for producing at least one Der Ru claim 1 8, wherein selected from the group consisting of I n N.
2 0. 前記混合フラックス中に、 ドーピングしたい不純物を存在 させる請求項 1記載の製造方法。 2 1. 前記不純物が、 カルシウム (Ca) 、 カルシウム (Ca) を含 む化合物、 珪素 (Si) 、 アルミナ (A1203) 、 インジウム (In) 、 ァ ルミニゥム (Al) 、 窒化インジウム (InN) 、 酸化珪素 (Si02) 、 酸 化インジウム (In203) 、 亜鉛 (Zn) 、 マグネシウム (Mg) 、 酸化亜 鉛 (ZnO) 、 酸化マグネシウム (MgO) およびゲルマニウム (Ge) か らなる群から選択される少なくとも一つである請求項 2 0記載の製 造方法。 20. The production method according to claim 1, wherein impurities to be doped are present in the mixed flux. 2 1. The impurity, calcium (Ca), including compounds of calcium (Ca), silicon (Si), alumina (A1 2 0 3), indium (In), § Ruminiumu (Al), there are indium nitride (InN), silicon oxide (Si0 2), acid indium (In 2 0 3), zinc (Zn), magnesium (Mg), oxidized zinc (ZnO), magnesium oxide (MgO) 21. The production method according to claim 20, which is at least one selected from the group consisting of: and germanium (Ge).
2 2. 透明単結晶を成長させる請求項 1記載の製造方法。 2 2. The production method according to claim 1, wherein a transparent single crystal is grown.
2 3. 請求項 2 2記載の製造方法により得られた III族元素窒化物 透明単結晶。 2 3. A group III element nitride transparent single crystal obtained by the production method according to claim 22.
2 . 転位密度が 1 05/ c m 2以下であり、 最大径が 2 c m以上 であり、 バルク状の請求項 2 3記載の III族元素窒化物透明単結晶。 2 5. 前記転位密度が 1 04Z c m2以下である請求項 2 4記載の III族元素窒化物透明単結晶。 2. Dislocation density is at 1 0 5 / cm 2 or less, the maximum diameter of 2 cm or more, III group element nitride transparent single crystal bulk claim 2 3 wherein. 2 5. The dislocation density is 1 0 4 Z cm 2 or less is claims 2 4 III group element nitride transparent single crystal according.
2 6. 前記転位密度が 1 03/ c m2以下である請求項 2 4記載の III族元素窒化物透明単結晶。 26. The group III element nitride transparent single crystal according to claim 24, wherein the dislocation density is 10 3 / cm 2 or less.
2 7. 前記転位密度が 1 02/ c m2以下である請求項 2 4記載の ΙΠ族元素窒化物透明単結晶。 27. The group III element nitride transparent single crystal according to claim 24, wherein the dislocation density is 10 2 / cm 2 or less.
2 8. 前記転位密度が 1 0 i/ c m2以下である請求項 2 4記載の III族元素窒化物透明単結晶。 28. The transparent group III element nitride single crystal according to claim 24, wherein the dislocation density is 10 i / cm 2 or less.
2 9. 前記最大径が 3 c m以上である請求項 2 4記載の III族元素 窒化物透明単結晶。 29. The group III element nitride transparent single crystal according to claim 24, wherein the maximum diameter is 3 cm or more.
3 0. 前記最大径が 4 c m以上である請求項 2 4記載の III族元素 窒化物透明単結晶。 30. The group III element nitride transparent single crystal according to claim 24, wherein the maximum diameter is 4 cm or more.
3 1. 前記最大径が 5 c m以上である請求項 2 4記載の III族元素 窒化物透明単結晶。 3 2. 転位密度が 1 04/ c m2以下であり、 最大径が 5 c m以上 であり、 バルク状の請求項 2 3記載の ΠΙ族元素窒化物透明単結晶。 31. The group III element nitride transparent single crystal according to claim 24, wherein the maximum diameter is 5 cm or more. 3 2. dislocation density is at 1 0 4 / cm 2 or less, and a maximum diameter of 5 cm or more, Paiiota group elements nitrides transparent single crystal bulk claim 2 3 wherein.
3 3. 前記転位密度が 1 03Z c m2以下である請求項 3 2記載の ΠΙ族元素窒化物透明単結晶。 ' 33. The transparent group III element nitride single crystal according to claim 32, wherein the dislocation density is 10 3 Z cm 2 or less. '
34. 前記転位密度が 1 02Z c m2以下である請求項 3 2記載の III族元素窒化物透明単結晶。 34. The group III element nitride transparent single crystal according to claim 32, wherein the dislocation density is 10 2 Z cm 2 or less.
3 5. 前記転位密度が 1 0ェ/ c m2以下である請求項 3 2記載の III族元素窒化物透明単結晶。 3 5. The group III element nitride transparent single crystal according to claim 32, wherein the dislocation density is 10 e / cm 2 or less.
3 6. 請求項 2 3記載の III族元素窒化物透明単結晶を含む半導体 3 6. A semiconductor comprising the group III element nitride transparent single crystal according to claim 23
3 7. 半導体層を含み、 この半導体層が、 請求項 2 3記載の III 族元素窒化物透明単結晶から形成されている半導体装置。 3 7. A semiconductor device including a semiconductor layer, wherein the semiconductor layer is formed from the group III element nitride transparent single crystal according to claim 23.
3 8. p型半導体層と n型半導体層とが接合しており、 前記両半 導体層の少なくとも一層が、請求項 2 3記載の III族元素窒化物透明 単結晶から形成されている半導体装置。 38. A semiconductor device in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are joined, and at least one of the two semiconductor layers is formed of the group III element nitride transparent single crystal according to claim 23. .
3 9. n p n型トランジスタ素子、 p n p型トランジスタ素子お よび n p n p型サイリス夕素子から選択される少なくとも一つの半 導体素子において、 前記半導体素子に使用される半導体層の少なく とも一つが、請求項 2 3記載の III族元素窒化物透明単結晶から形成 されている半導体装置。 3 9. In at least one semiconductor element selected from an npn transistor element, a pnp transistor element and an npnp thyristor element, at least one of the semiconductor layers used in the semiconductor element is defined in claim 23. A semiconductor device formed from the group III element nitride transparent single crystal described in the above.
4 0. 絶縁性半導体層の上に導電性半導体層が形成され、 この上 に、 ソース電極、 ゲート電極およびドレイン電極が形成されている 電界効果トランジスタ素子を含む半導体装置であって、 前記絶縁性 半導体層および前記導電性半導体層の少なくとも一つが請求項 2 3 記載の III族元素窒化物透明単結晶から形成されている半導体装置。 40. A semiconductor device including a field-effect transistor element in which a conductive semiconductor layer is formed on an insulating semiconductor layer, and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are formed on the conductive semiconductor layer. The semiconductor device according to claim 23, wherein at least one of a semiconductor layer and the conductive semiconductor layer is formed from the group III element nitride transparent single crystal.
4 1. さらに基板を有し、 この基板の上に前記電界効果トランジ ス夕素子が形成されており、前記基板が請求項 2 3記載の III族元素 窒化物透明単結晶から形成されている請求項 40記載の半導体装置。 4 1. A substrate further comprising a substrate, wherein the field-effect transistor is formed on the substrate, and wherein the substrate is formed from the group III element nitride transparent single crystal according to claim 23. Item 41. The semiconductor device according to Item 40.
4 2. n型半導体層、 活性領域層および p型半導体層が、 この順 序で積層されて構成された発光ダイオード (L ED) 素子を含む半 導体装置であって、 前記三層の少なくとも一層が、 請求項 2 3記載 の II I族元素窒化物透明単結晶から形成されている半導体装置。 4 2. A semiconductor device including a light-emitting diode (LED) element in which an n-type semiconductor layer, an active region layer, and a p-type semiconductor layer are stacked in this order, wherein at least one of the three layers is provided. A semiconductor device formed from the group III element nitride transparent single crystal according to claim 23.
4 3. さらに基板を有し、 この基板の上に前記発光ダイオード素 子が形成されており、 前記基板が、請求項 2 3記載の III族元素窒化 物透明単結晶から形成されている請求項 4 2記載の半導体装置。 44. n型半導体層、 活性領域層および p型半導体層が、 この順 序で積層されて構成された半導体レーザ (LD) 素子を含む半導体 装置であって、 前記三層の少なく とも一層が、請求項 2 3記載の III 族元素窒化物透明単結晶から形成されている半導体装置。 4 5. さらに基板を有し、 この基板の上に前記半導体レーザ素子 が形成されており、 前記基板が、請求項 2 3記載の III族元素窒化物 透明単結晶から形成されている請求項 44記載の半導体装置。 43. The method according to claim 43, further comprising a substrate, wherein the light emitting diode element is formed on the substrate, and the substrate is formed from the group III element nitride transparent single crystal according to claim 23. 42. The semiconductor device according to 2. 44. A semiconductor device including a semiconductor laser (LD) element in which an n-type semiconductor layer, an active region layer, and a p-type semiconductor layer are stacked in this order, and at least one of the three layers includes: A semiconductor device formed from the group III element nitride transparent single crystal according to claim 23. 45. A substrate further comprising a substrate, wherein the semiconductor laser device is formed on the substrate, and wherein the substrate is formed from the group III element nitride transparent single crystal according to claim 23. 13. The semiconductor device according to claim 1.
4 6. p型半導体層と n型半導体層とが接合した半導体光センサ 素子を含む半導体装置であって、 前記両半導体層の少なくとも一層 が、請求項 2 3記載の III族元素窒化物透明単結晶から形成されてい る半導体装置。 46. A semiconductor device including a semiconductor optical sensor element in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are joined, wherein at least one of the two semiconductor layers is a group III element nitride transparent unit according to claim 23. A semiconductor device formed from crystals.
4 7. さらに基板を有し、 この基板の上に前記光センサ素子が形 成されており、 前記基板が、請求項 2 3記載の III族元素窒化物透明 単結晶から形成されている請求項 4 6記載の半導体装置。 47. A substrate further comprising a substrate, wherein the optical sensor element is formed on the substrate, and wherein the substrate is formed of the group III element nitride transparent single crystal according to claim 43. 46. The semiconductor device according to 6.
4.8. 請求項 2 3記載の III族元素窒化物透明単結晶を基板に用い て成長させた III族元素窒化物を含む請求項 3 6記載の半導体装置。 4.8. The semiconductor device according to claim 36, comprising a group III element nitride grown using the transparent group III element nitride single crystal according to claim 23 as a substrate.
4 9. 前記成長させた III族元素窒化物が、 薄膜の形態である請求 項 4 8記載の半導体装置。 4 9. The grown Group III element nitride is in the form of a thin film Item 48. The semiconductor device according to Item 8.
5 0. 前記基板上に成長させた III族元素窒化物が、 MO CVD法 により成長させたものである請求項 48記載の半導体装置。 50. The semiconductor device according to claim 48, wherein the group III element nitride grown on the substrate is grown by MOCVD.
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