WO2013147326A1 - １３族元素窒化物結晶の製造方法および融液組成物 - Google Patents

１３族元素窒化物結晶の製造方法および融液組成物 Download PDF

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岩井　真
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a group 13 element nitride crystal and a melt composition.
  • Gallium nitride (GaN) thin-layer crystals have attracted attention as excellent blue light-emitting devices, have been put to practical use in light-emitting diodes, and are also expected as blue-violet semiconductor laser devices for optical pickups.
  • the semiconductor layer has attracted attention as a semiconductor layer constituting an electronic device such as a high-speed IC chip used for a mobile phone or the like.
  • Patent Document 1 Patent No. 4223540
  • Patent Document 1 Patent No. 4223540
  • Patent Document 1 Patent No. 4223540
  • patent document 2 Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-1209
  • metal germanium while using metal germanium as a dopant into a group 13 element nitride crystal by Na flux method, and simultaneously adding carbon, n-type with a high electron concentration is also used. It has been proposed to grow single crystals.
  • An object of the present invention is to suppress in-plane distribution of characteristics such as carrier concentration of the obtained group 13 element nitride crystal when the group 13 element nitride crystal is produced in a melt by a flux method. .
  • the present invention is a method for producing a group 13 element nitride crystal in a melt by a flux method,
  • the melt is produced by heating a composition of a group 13 element raw material, at least one raw material of an alkali metal and an alkaline earth metal, and a liquid germanium raw material.
  • the present invention is also a melt composition for growing a group 13 element nitride crystal in a melt by a flux method, characterized by containing a group 13 element material, a sodium material, and a liquid germanium material.
  • the inventor investigated the cause of in-plane distribution in the carrier concentration of the wafer obtained when the group 13 element nitride crystal was epitaxially formed by the flux method.
  • the germanium used as a dopant is a solid, so the uniformity of germanium dissolution in the flux is poor, and the concentration of germanium incorporated into the finished crystal is in the plane of the wafer. It was thought that it was not uniform.
  • the respective weights are about 60 g, 60 g, and 0.6 g, for example.
  • the melting points of sodium, gallium, and germanium at normal pressure are 97 ° C., 30 ° C., and 938 ° C., respectively. Therefore, Na and Ga, which have a large amount and a low melting point, are sufficiently stirred and uniform in the process from room temperature to the growth conditions of about 20 to 60 atmospheres and 750 to 900 ° C., but Ge is not uniform. It was thought that it was easy to become. Therefore, the present inventor has paid attention to the fact that the metal germanium is solid, and has come up with the idea of using a liquid germanium compound as a dopant to be added to the composition. As a result, it was found that the in-plane distribution of characteristics such as carrier concentration of the obtained crystal was remarkably suppressed, and the present invention was achieved.
  • the liquid germanium raw material is a germanium compound that is liquid at normal temperature (25 ° C.) and atmospheric pressure. Since liquid germanium compound is mixed with other raw materials, the dissolution uniformity in the flux is better than that of solid metal germanium, and the concentration of germanium element incorporated in the crystal is uniform in the plane of the wafer. It is considered to be.
  • the germanium compound that is liquid at room temperature may be an inorganic germanium compound or an organic germanium compound. Preferred are germanium tetrahalide and tetraalkoxygermanium.
  • germanium tetrahalide examples include GeBr 4 (germanium tetrabromide), GeCl 4 (germanium tetrachloride), and GeI 4 (germanium tetraiodide) (Ge represents a germanium atom).
  • Examples of the alkoxy group constituting tetraalkoxygermanium include Ge (OCH 3 ) 4 (tetramethoxygermanium) Ge (OC 2 H 5 ) 4 (tetraethoxygermanium), Ge (Oi-C 3 H 7 ) 4 (tetra —I-propoxygermanium), Ge (On-C 3 H 7 ) 4 (tetra-n-propoxygermanium), Ge (O-i-C 4 H 9 ) 4 (tetra-i-butoxygermanium), Ge (O-n-C 4 H 9) 4 ( tetra -n- butoxy germanium), Ge (O-sec- C 4 H 9) 4 ( tetra -sec- butoxy germanium), Ge (O-t- C 4 H 9 ) 4 (tetra-t-butoxygermanium).
  • a single metal or a compound of one or more elements selected from alkali metals and alkaline earth metals is used.
  • alkali metal include sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr).
  • Alkaline earth metals are strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra). These may be used alone or in combination of two or more.
  • the group 13 element is preferably one or more of gallium (Ga), aluminum (Al), and indium (In). Among these, it is particularly preferable to contain at least gallium.
  • the group 13 element nitride semiconductor to be grown is preferably a gallium nitride (GaN) crystal.
  • gallium, indium, and aluminum gallium, indium, aluminum simple metals, gallium, indium, aluminum alloys, gallium, indium, and aluminum compounds can be applied. Is also suitable.
  • a carbon source By adding a carbon source to the melt composition, incorporation of germanium into the crystal can be further promoted.
  • examples of such a carbon source include solid carbon and at least one compound selected from the group consisting of chain saturated hydrocarbons, chain unsaturated hydrocarbons, alicyclic hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons. From the viewpoint of promoting crystal formation during the flux method, the ratio of the group 13 element in the melt composition is converted to the ratio (mol%) to the total of the group 13 element, the alkali metal, and the alkaline earth metal.
  • the ratio of the germanium compound in the melt composition is converted to the ratio (mol%) of the germanium atom molar amount to the group 13 element atomic molar amount such as gallium. 0.05 mol% or more is preferable, and 0.5 mol% or more is more preferable. Further, the ratio of the germanium compound in the melt composition is preferably 10 mol% or less, more preferably 8 mol% or less, in terms of the ratio (mol%) of the germanium atom mol amount to the group 13 element atom mol amount such as gallium. .
  • the ratio of the carbon source in the melt composition is the ratio of the molar amount of carbon atoms to the total atomic molar amount of alkali metal and alkaline earth metal (mol%).
  • it is preferably 0.1 mol% or more, more preferably 0.3 mol% or more.
  • the ratio of the carbon source in the melt composition is preferably 2 mol% or less, preferably 1 mol% in terms of the ratio (mol%) of the molar amount of carbon atoms to the total atomic molar amount of alkali metal and alkaline earth metal.
  • the substrate may be formed from a seed crystal.
  • a seed crystal film may be formed on the substrate, and in this case, a low-temperature buffer layer and an intermediate layer may be further formed.
  • a substrate is not particularly limited as long as a group 13 element nitride crystal can be grown.
  • Perovskite type complex oxides such as sapphire, silicon single crystal, SiC single crystal, MgO single crystal, ZnO single crystal, spinel (MgAl 2 O 4 ), LiAlO 2 , LiGaO 2 , LaAlO 3 , LaGaO 3 , NdGaO 3 can be exemplified. .
  • cubic perovskite structure complex oxides (1) to (2) can be used.
  • SCAM ScAlMgO 4
  • the wurtzite structure of the group 13 element nitride crystal constituting the seed crystal and the group 13 element nitride crystal formed by the flux method has a c-plane, a-plane, and m-plane. Each of these crystal planes is defined crystallographically.
  • the growth direction of the seed crystal layer and the crystal grown by the flux method may be the normal direction of the c plane, and each of the nonpolar plane such as the a plane and the m plane and the semipolar plane such as the R plane. It may be a normal direction.
  • the seed crystal layer is preferably formed by vapor deposition, but metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor deposition (HVPE), pulsed excitation deposition (PXD), MBE Method and sublimation method. Metalorganic chemical vapor deposition is particularly preferred.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • HVPE hydride vapor deposition
  • PXD pulsed excitation deposition
  • MBE Method MBE Method and sublimation method.
  • Metalorganic chemical vapor deposition is particularly preferred.
  • the raw materials are preferably trimethylgallium (TMG) and ammonia.
  • TMG trimethylgallium
  • the Miller index of the crystal growth surface of the seed crystal (including the seed substrate) is arbitrary, but when a nonpolar surface such as a-plane, m-plane, and r-plane is used, a nonpolar group 13 element nitride compound is used.
  • a semiconductor can be obtained, piezoelectric distortion can be eliminated, and characteristics as a semiconductor element can be improved.
  • strontium strontium
  • the amount of strontium (Sr) added to sodium is preferably 0.001 mol% or more and 0.1 mol% or less.
  • strontium a nonpolar plane which is a crystal growth plane parallel to the main surface of the growth substrate of the group 13 element nitride compound semiconductor can be flattened. Further, if a group 13 element nitride compound semiconductor having a main surface as the c-plane is obtained, the crystal growth surface of the seed crystal may be the c-plane.
  • nitrides such as Ca 3 N 2 , Li 3 N, NaN 3 , BN, Si 3 N 4 , and InN may be included in the melt in advance. By containing these nitrides in the melt, the nitrogen concentration in the melt increases, so that the melting of the seed crystal in the flux before the start of the desired crystal growth is prevented or alleviated. It becomes possible to do.
  • the ratio of these nitrides in the melt is, for example, 0.0001 mol% to 99 mol%, preferably 0.001 mol% to 50 mol%, more preferably 0.005 mol% to 5 mol%.
  • the growth temperature of the group 13 element nitride crystal in the flux method and the holding time at the time of growth are not particularly limited, and are appropriately changed according to the type of target crystal and the composition of the flux. In one example, when a gallium nitride single crystal is grown using a sodium or lithium-containing flux, the growth temperature can be set to 800 to 1000 ° C. In the flux method, a group 13 element nitride single crystal is grown in a gas atmosphere containing molecules containing nitrogen atoms.
  • This gas is preferably nitrogen gas, but may be ammonia.
  • the total pressure of the atmosphere is not particularly limited, but is preferably 1 MPa or more, more preferably 3 MPa or more, from the viewpoint of preventing evaporation of the flux. However, since the apparatus becomes large when the pressure is high, the total pressure in the atmosphere is preferably 200 MPa or less, and more preferably 50 MPa or less.
  • a gas other than nitrogen in the atmosphere is not limited, but an inert gas is preferable, and argon, helium, and neon are particularly preferable.
  • Example 1 Gallium nitride single crystals were grown by the flux method. Specifically, a seed crystal layer made of a gallium nitride single crystal was epitaxially grown on the surface of a c-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches by MOCVD to obtain a seed crystal substrate. A cylindrical flat bottom alumina crucible having an inner diameter of 80 mm and a height of 45 mm was used, and the melt composition was filled in the crucible in a glove box. The composition is as follows.
  • the crucible was placed in a refractory metal container and hermetically sealed, and then placed on a table where the crystal growth furnace could swing and rotate. After heating and pressurizing up to 870 ° C. and 4.0 MPa, the solution was kept for 50 hours and the solution was rotated to grow crystals while stirring. Thereafter, it was gradually cooled to room temperature over 3 hours. Thereafter, the growth vessel was taken out from the crystal growth furnace, the flux was removed using ethanol, and the grown gallium nitride crystal plate was recovered.
  • the obtained gallium nitride crystal plate 7 was grown on the entire surface of a 2-inch seed crystal substrate, and the thickness was about 0.7 mm. Moreover, the entire surface was peeled off from the sapphire substrate and became self-supporting, and no cracks were confirmed. Then, a 6 mm square wafer was cut out from the center of the 2-inch wafer along the radial direction to obtain a sample, and Hall effect measurement was performed. As a result, the carrier concentration in the sample was 1.0 ⁇ 10 18 to 1.2 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ], and the average value was 1.1 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]. . (Example 2) Gallium nitride single crystals were grown by the flux method.
  • a seed crystal layer made of a gallium nitride single crystal was epitaxially grown on the surface of a c-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches by MOCVD to obtain a seed crystal substrate.
  • a cylindrical flat bottom alumina crucible having an inner diameter of 80 mm and a height of 45 mm was used, and the melt composition was filled in the crucible in a glove box.
  • the composition is as follows. Metal Ga 60g Metal Na 60g Germanium tetrachloride 1.85 g (ratio to metal Ga: 1.0 mol%)
  • the crucible was placed in a refractory metal container and hermetically sealed, and then placed on a table where the crystal growth furnace could swing and rotate.
  • the solution was kept for 50 hours and the solution was rotated to grow crystals while stirring. Thereafter, it was gradually cooled to room temperature over 3 hours. Thereafter, the growth vessel was taken out from the crystal growth furnace, the flux was removed using ethanol, and the grown gallium nitride crystal plate was recovered.
  • the obtained gallium nitride crystal plate 7 was grown on the entire surface of a 2-inch seed crystal substrate, and the thickness was about 0.7 mm.
  • the carrier concentration in the sample is 1.0 ⁇ 10 18 to 1.2 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]
  • the average value is 1.1 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]
  • sapphire The same result as that obtained when the substrate and the obtained gallium nitride were peeled off was obtained. This is presumably because the sapphire substrate is an insulator and no current flows during the Hall effect measurement.
  • Example 3 A gallium nitride single crystal was grown in the same manner as in Example 1, and the Hall effect measurement was performed on the obtained sample.
  • the melt composition was as follows. Metal Ga 60g Metal Na 60g Germanium tetrachloride 1.85 g (ratio to metal Ga: 1.0 mol%) Carbon 0.16 g (ratio to metal Na: 0.5 mol%) Then, a 6 mm square wafer was cut out from the center of the 2-inch wafer along the radial direction to obtain a sample, and Hall effect measurement was performed. As a result, the carrier concentration in the sample was 1.3 ⁇ 10 18 to 1.5 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ], and the average value was 1.4 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]. .
  • Example 4 A gallium nitride single crystal was grown in the same manner as in Example 1, and the Hall effect measurement was performed on the obtained sample. However, the melt composition was as follows. Metal Ga 60g Metal Na 60g Ge (OC 2 H 5 ) 4 (tetraethoxygermanium) 2.17 g (ratio to metal Ga: 1.0 mol%) Then, a 6 mm square wafer was cut out from the center of the 2-inch wafer along the radial direction to obtain a sample, and Hall effect measurement was performed.
  • the carrier concentration in the sample was 2.0 ⁇ 10 18 to 2.2 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ], and the average value was 2.1 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]. . That is, the carrier concentration increased about twice as compared with Example 1. The reason for this is not clear, but it was assumed that the ethoxy group of the liquid Ge raw material had an effective action as a carbon source. (Example 5) A gallium nitride single crystal was grown in the same manner as in Example 1, and the Hall effect measurement was performed on the obtained sample. However, the melt composition was as follows.
  • Example 6 A gallium nitride single crystal was grown in the same manner as in Example 1, and the Hall effect measurement was performed on the obtained sample.
  • the melt composition was as follows. Metal Ga 60g Metal Na 60g Germanium tetrachloride 3.7 g (ratio to metal Ga: 2.0 mol%) Then, a 6 mm square wafer was cut out from the center of the 2-inch wafer along the radial direction to obtain a sample, and Hall effect measurement was performed. As a result, the carrier concentration in the sample was 1.9 ⁇ 10 18 to 2.2 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ], and the average value was 2 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ].
  • Example 7 A gallium nitride single crystal was grown in the same manner as in Example 1, and the Hall effect measurement was performed on the obtained sample. However, the melt composition was as follows. Metal Ga 60g Metal Na 60g Germanium tetrachloride 5.55 g (ratio to metal Ga: 3.0 mol%) Then, a 6 mm square wafer was cut out from the center of the 2-inch wafer along the radial direction to obtain a sample, and Hall effect measurement was performed.
  • the carrier concentration in the sample was 3.0 ⁇ 10 18 to 3.3 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ], and the average value was 3.2 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]. . That is, by increasing the charged composition concentration of the liquid Ge raw material by 3 times from Example 1, the carrier concentration increased by about 3 times compared to Example 1.
  • Comparative Example 1 A gallium nitride single crystal was grown in the same manner as in Example 1, and the Hall effect measurement was performed on the obtained sample. However, the melt composition was as follows.
  • Metal Ga 60g Metal Na 60g 0.62 g of solid metal germanium (ratio to metal Ga: 1.0 mol%) Carbon 0.16 g (ratio to metal Na: 0.5 mol%) Then, a 6 mm square wafer was cut out from the center of the 2-inch wafer along the radial direction to obtain a sample, and Hall effect measurement was performed. As a result, the carrier concentration in the sample was 0.4 ⁇ 10 18 to 1.1 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ], and the average value was 0.7 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]. . That is, the carrier concentration was about half that of Example 1, and the variation was large.
  • Example 2 A gallium nitride single crystal was grown in the same manner as in Example 1, and the Hall effect measurement was performed on the obtained sample.
  • the melt composition was as follows. Metal Ga 60g Metal Na 60g 1.24 g of solid metal germanium (ratio to metal Ga: 2.0 mol%) Then, a 6 mm square wafer was cut out from the center of the 2-inch wafer along the radial direction to obtain a sample, and Hall effect measurement was performed. As a result, the carrier concentration in the sample was 0.7 ⁇ 10 18 to 1.8 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ], and the average value was 1.0 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]. .
  • Comparative Example 3 A gallium nitride single crystal was grown in the same manner as in Example 1, and the Hall effect measurement was performed on the obtained sample.
  • the melt composition was as follows. Metal Ga 60g Metal Na 60g 1.86 g of solid metal germanium (ratio to metal Ga: 3.0 mol%) Then, a 6 mm square wafer was cut out from the center of the 2-inch wafer along the radial direction to obtain a sample, and Hall effect measurement was performed.
  • the carrier concentration in the sample was 1.0 ⁇ 10 18 to 2.2 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ], and the average value was 1.5 ⁇ 10 18 [cm ⁇ 3 ]. . That is, even if the amount of the germanium raw material was tripled compared with Comparative Example 1, the carrier concentration did not triple and the variation further increased.

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Abstract

フラックス法によって融液内で１３族元素窒化物を製造する方法であって、融液を、１３族元素原料、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方の原料および液体のゲルマニウム原料の組成物を加熱して生成させる。これによって、フラックス法によって融液内で１３族元素窒化物結晶を製造するのに際して、得られた１３族元素窒化物結晶のキャリア濃度などの特性の面内分布を抑制できる。

Description

１３族元素窒化物結晶の製造方法および融液組成物
　本発明は、１３族元素窒化物結晶の製造方法および融液組成物に関するものである。
　窒化ガリウム（ＧａＮ）薄層結晶は、優れた青色発光素子として注目を集めており、発光ダイオードにおいて実用化され、光ピックアップ用の青紫色半導体レーザー素子としても期待されている。近年においては、携帯電話などに用いられる高速ＩＣチップなどの電子デバイスを構成する半導体層としても注目されている。
　特許文献１（特許４２２３５４０）においては、Ｎａフラックス法で１３族元素窒化物結晶を育成するのに際してドーパントとして金属ゲルマニウムを用いることが記載されている。また、特許文献２（特開２０１０−１２０９）においては、Ｎａフラックス法で１３族元素窒化物結晶中へのドーパントとして金属ゲルマニウムを用いると共に、同時に炭素も添加することによって、電子濃度の高いｎ型単結晶を育成することを提案している。
　従来技術では、融液組成物中に金属ゲルマニウムを添加し、窒化ガリウム結晶中にドーピングしている。本発明者は実際に窒化ガリウム等の結晶ウエハを育成し、キャリア濃度の面内分布を測定してみた。すると、ウエハ面内でキャリア濃度に例えば３倍近い差が生ずることがわかった。キャリア濃度に面内分布があると、結晶を製品に利用できず、不良品となるので、解決が必要である。
　本発明の課題は、フラックス法によって融液内で１３族元素窒化物結晶を製造するのに際して、得られた１３族元素窒化物結晶のキャリア濃度などの特性の面内分布を抑制することである。
　本発明は、フラックス法によって融液内で１３族元素窒化物結晶を製造する方法であって、
　融液を、１３族元素原料、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方の原料および液体のゲルマニウム原料の組成物を加熱して生成させることを特徴とする。
　また、本発明は、フラックス法によって融液内で１３族元素窒化物結晶を育成するための融液組成物であって、１３族元素原料、ナトリウム原料および液体のゲルマニウム原料を含有することを特徴とする。
　本発明者は、フラックス法で１３族元素窒化物結晶をエピタキシャル生成させたとき、得られたウエハのキャリア濃度に面内分布が発生する原因を調査した。従来技術においては、キャリア濃度についてウエハの面内分布を測定していなかったので、この課題に到達しなかったものと考えた。
　本発明者は、検討の結果、ドーパントとして使用した金属ゲルマニウムが固体であるため、フラックス中でゲルマニウムの溶解時の均一性が悪く、出来上がった結晶中に取り込まれるゲルマニウムの濃度が、ウエハの面内で均一にならないものと考えた。
　一例を挙げると、窒化ガリウムを育成するために坩堝にナトリウム、ガリウム、ゲルマニウムを仕込んだ場合、それぞれの重量は、例えば６０ｇ、６０ｇ、０．６ｇ程度である。また、ナトリウム、ガリウム、ゲルマニウムの常圧における融点は、それぞれ、９７℃、３０℃、９３８℃である。そのため、量が多く融点が低いＮａ、Ｇａは、室温から育成条件である約２０~６０気圧、７５０~９００℃に至る過程で、十分に撹拌され溶液が均一になるが、Ｇｅは不均一になりやすいものと考えられた。
　そこで、本発明者は、金属ゲルマニウムが固体であることに着目し、組成物に添加するドーパントとして液体ゲルマニウム化合物を用いることを想到した。この結果、得られた結晶のキャリア濃度等の特性の面内分布が著しく抑制されることを見いだし、本発明に到達した。
　液体のゲルマニウム原料とは、常温（２５℃）、大気圧下で液状のゲルマニウム化合物のことである。液状のゲルマニウム化合物を他の原料と混合するので、フラックス中での溶解均一性が固体の金属ゲルマニウムと比較してよくなり、結晶中に取り込まれるゲルマニウム元素の濃度が、ウエハの面内で均一になるものと考えられる。
　常温で液状のゲルマニウム化合物は、無機ゲルマニウム化合物であってよく、有機ゲルマニウム化合物であってよい。好ましくは、四ハロゲン化ゲルマニウム、テトラアルコキシゲルマニウムである。
　四ハロゲン化ゲルマニウムとしては、ＧｅＢｒ４（四臭化ゲルマニウム）、ＧｅＣｌ４（四塩化ゲルマニウム）、ＧｅＩ４（四ヨウ化ゲルマニウム）がある（Ｇｅはゲルマニウム原子を示す）。
　四アルコキシゲルマニウムを構成するアルコキシ基としては、Ｇｅ（ＯＣＨ３）４（テトラメトキシゲルマニウム）Ｇｅ（ＯＣ２Ｈ５）４（テトラエトキシゲルマニウム）、Ｇｅ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４（テトラ—ｉ—プロポキシゲルマニウム）、Ｇｅ（Ｏ−ｎ−Ｃ３Ｈ７）４（テトラ—ｎ—プロポキシゲルマニウム）、Ｇｅ（Ｏ−ｉ−Ｃ４Ｈ９）４（テトラ—ｉ—ブトキシゲルマニウム）、Ｇｅ（Ｏ−ｎ−Ｃ４Ｈ９）４（テトラ—ｎ—ブトキシゲルマニウム）、Ｇｅ（Ｏ−ｓｅｃ−Ｃ４Ｈ９）４（テトラ—ｓｅｃ—ブトキシゲルマニウム）、Ｇｅ（Ｏ−ｔ−Ｃ４Ｈ９）４（テトラ—ｔ—ブトキシゲルマニウム）が挙げられる。
　フラックスとしては、アルカリ金属、アルカリ土類金属の中から選択された１種又は複数種の元素の単体金属または化合物を用いる。アルカリ金属としては、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）およびフランシウム（Ｆｒ）である。アルカリ土類金属としては、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）およびラジウム（Ｒａ）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。
　１３族元素は、好ましくガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）の内の１種又は複数種である。このなかで、少なくともガリウムを含むことが特に好ましい。また、育成する１３族元素窒化物半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶であることが好ましい。しかしながら、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で表される任意組成比の２元系、３元系、４元系の１３族元素窒化物結晶であっても良い。また、１３族元素窒化物半導体ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮの構成元素である１３族元素の一部をＢ、Ｔｌで置換し、又は／及び、Ｖ族元素の組成の一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものであっても良い。
　ガリウム、インジウム、アルミニウムの各原料物質としては、ガリウム、インジウム、アルミニウムの各単体金属、ガリウム、イジウム、アルミニウム合金、ガリウム、インジウム、アルミニウムの各化合物を適用できるが、各単体金属が取扱いの上からも好適である。
　融液組成物に対して炭素源を添加することによって、結晶中へのゲルマニウムの取り込みを更に促進できる。こうした炭素源としては、固形炭素の他に、鎖式飽和炭化水素、鎖式不飽和炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素からなる群から選択される少なくとも一つの化合物を例示できる。
　フラックス法の際の結晶生成を促進するという観点からは、融液組成物において、１３族元素の比率は、１３族元素とアルカリ金属とアルカリ土類金属の合計に対する比率（ｍｏｌ％）に換算して、１０~４０ｍｏｌ％が好ましく、１５~３０ｍｏｌ％が更に好ましい。
　結晶の電子濃度を向上させるドーパントとして機能させるという観点からは、融液組成物におけるゲルマニウム化合物の比率は、ゲルマニウム原子モル量のガリウム等の１３族元素原子モル量に対する比率（ｍｏｌ％）に換算して０．０５ｍｏｌ％以上が好ましく、０．５ｍｏｌ％以上が更に好ましい。また、融液組成物におけるゲルマニウム化合物の比率は、ゲルマニウム原子モル量のガリウム等の１３族元素原子モル量に対する比率（ｍｏｌ％）に換算して、１０ｍｏｌ％以下が好ましく、８ｍｏｌ％以下が更に好ましい。
　結晶内へのゲルマニウムのドーピングを促進するという観点からは、融液組成物における炭素源の比率は、炭素原子モル量の、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の合計原子モル量に対する比率（ｍｏｌ％）に換算して０．１ｍｏｌ％以上が好ましく、０．３ｍｏｌ％以上が更に好ましい。また、融液組成物における炭素源の比率は、炭素原子モル量の、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の合計原子モル量に対する比率（ｍｏｌ％）に換算して、２ｍｏｌ％以下が好ましく、１ｍｏｌ％以下が更に好ましい。
　本発明においては、基板を種結晶から形成してもよい。また基板上に種結晶膜を形成してもよく、この場合、低温バッファー層、中間層を更に形成してもよい。こうした基板は、１３族元素窒化物結晶の成長が可能であるかぎり、特に限定されない。サファイア、シリコン単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＭｇＯ単結晶、ＺｎＯ単結晶、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＬａＡｌＯ３，ＬａＧａＯ３，ＮｄＧａＯ３等のペロブスカイト型複合酸化物を例示できる。また組成式〔Ａ１−ｙ（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）ｙ〕〔（Ａｌ１−ｚＧａｚ）１−ｕ・Ｄｕ〕Ｏ３（Ａは、希土類元素である；Ｄは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である；ｙ＝０．３~０．９８；ｘ＝０~１；ｚ＝０~１；ｕ＝０．１５~０．４９；ｘ＋ｚ＝０．１~２）の立方晶系のペロブスカイト構造複合酸化物も使用できる。また、ＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）も使用できる。
　種結晶を構成する１３族元素窒化物結晶、フラックス法で形成される１３族元素窒化物結晶のウルツ鉱構造は、ｃ面、ａ面、およびｍ面を有する。これらの各結晶面は結晶学的に定義されるものである。種結晶層、およびフラックス法によって育成される結晶の育成方向は、ｃ面の法線方向であってよく、またａ面、ｍ面などの無極性面やＲ面などの半極性面のそれぞれの法線方向であってもよい。
　種結晶層の形成方法は気相成長法が好ましいが、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、ＭＢＥ法、昇華法を例示できる。有機金属化学気相成長法が特に好ましい。
　種結晶層を有機金属気相成長法によって製造する場合、原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニアとすることが好ましい。
　また、種結晶（種基板を含む）の結晶成長面のミラー指数は任意であるが、ａ面、ｍ面、ｒ面などの無極性面を用いると、無極性の１３族元素窒化物系化合物半導体を得ることができ、圧電歪みを排除でき、半導体素子としての特性を向上させることができる。種結晶に無極性面を用いる場合には、融液にストロンチウム（Ｓｒ）を添加することが望ましい。融液にナトリウムを用いた場合、ナトリウムに対するストロンチウム（Ｓｒ）の添加量は、０．００１ｍｏｌ％以上、０．１ｍｏｌ％以下が望ましい。ストロンチウムを添加することにより、１３族元素窒化物系化合物半導体の成長基板の主面に平行な結晶成長面である無極性面を平坦にすることができる。また、主面をｃ面とする１３族元素窒化物系化合物半導体を得るのであれば、種結晶の結晶成長面はｃ面としても良い。
　フラックス法に基づく目的の結晶成長の開始以前に、下地基板の一部である種結晶（１３族元素窒化物系化合物半導体結晶）が融液中に溶融することを緩和したり防止したりするために、例えばＣａ３Ｎ２，Ｌｉ３Ｎ，ＮａＮ３，ＢＮ，Ｓｉ３Ｎ４，ＩｎＮなどの窒化物を予め融液中に含有させておいても良い。これらの窒化物を融液中に含有させておくことによって、融液中の窒素濃度が上昇するため、目的の結晶成長開始以前の種結晶のフラックス中への融解を未然に防止したり緩和したりすることが可能となる。これらの窒化物の融液における割合は、例えば、０．０００１ｍｏｌ％~９９ｍｏｌ％、であり、好ましくは、０．００１ｍｏｌ％~５０ｍｏｌ％であり、より好ましくは０．００５ｍｏｌ％~５ｍｏｌ％である。
　フラックス法における１３族元素窒化物結晶の育成温度や育成時の保持時間は特に限定されず、目的とする結晶の種類やフラックスの組成に応じて適宜変更する。一例では、ナトリウムまたはリチウム含有フラックスを用いて窒化ガリウム単結晶を育成する場合には、育成温度を８００~１０００℃とすることができる。
　フラックス法では、窒素原子を含む分子を含むガス雰囲気下で１３族元素窒化物単結晶を育成する。このガスは窒素ガスが好ましいが、アンモニアでもよい。雰囲気の全圧は特に限定されないが、フラックスの蒸発を防止する観点からは、１ＭＰａ以上が好ましく、３ＭＰａ以上が更に好ましい。ただし、圧力が高いと装置が大がかりとなるので、雰囲気の全圧は、２００ＭＰａ以下が好ましく、５０ＭＰａ以下が更に好ましい。雰囲気中の窒素以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。
（実施例１）
　フラックス法によって窒化ガリウム単結晶を育成した。
　具体的には、直径２インチのｃ面サファイア基板の表面に、窒化ガリウム単結晶からなる種結晶層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させ、種結晶基板とした。
　内径８０ｍｍ、高さ４５ｍｍの円筒平底のアルミナ坩堝を用い、融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。組成は以下のとおりである。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　四塩化ゲルマニウム　１．８５ｇ（金属Ｇａに対する比率：１．０ｍｏｌ％）
　この坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の揺動および回転が可能な台上に設置した。８７０℃・４．０ＭＰａまで昇温加圧後、５０時間保持し溶液を回転することで撹拌しながら結晶成長させた。その後３時間かけて室温まで徐冷した。その後、結晶育成炉から育成容器を取り出し、エタノールを用いて、フラックスを除去し、成長した窒化ガリウム結晶板を回収した。
　得られた窒化ガリウム結晶板７は、２インチの種結晶基板の上に全面成長しており、厚さは約０．７ｍｍであった。また、サファイア基板と全面剥離、自立化し、クラックは確認されなかった。
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、１．０×１０１８~１．２×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、１．１×１０１８［ｃｍ−３］であった。
（実施例２）
　フラックス法によって窒化ガリウム単結晶を育成した。
　具体的には、直径２インチのｃ面サファイア基板の表面に、窒化ガリウム単結晶からなる種結晶層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させ、種結晶基板とした。
　内径８０ｍｍ、高さ４５ｍｍの円筒平底のアルミナ坩堝を用い、融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。組成は以下のとおりである。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　四塩化ゲルマニウム　１．８５ｇ（金属Ｇａに対する比率：１．０ｍｏｌ％）
　この坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の揺動および回転が可能な台上に設置した。８７０℃・４．０ＭＰａまで昇温加圧後、５０時間保持し溶液を回転することで撹拌しながら結晶成長させた。その後３時間かけて室温まで徐冷した。その後、結晶育成炉から育成容器を取り出し、エタノールを用いて、フラックスを除去し、成長した窒化ガリウム結晶板を回収した。
　得られた窒化ガリウム結晶板７は、２インチの種結晶基板の上に全面成長しており、厚さは約０．７ｍｍであった。
　そして、サファイア基板と得られた窒化ガリウム結晶とは剥離を行わないまま、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、１．０×１０１８~１．２×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、１．１×１０１８［ｃｍ−３］と、サファイア基板と得られた窒化ガリウムを剥離した場合と同じ結果が得られた。これは、サファイア基板が絶縁体であるため、ホール効果測定の際に電流が流れないためと考えられる。
（実施例３）
　実施例１と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成し、得られた試料について、ホール効果測定を行った。
　ただし、融液組成は以下のとおりとした。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　四塩化ゲルマニウム　１．８５ｇ（金属Ｇａに対する比率：１．０ｍｏｌ％）
　炭素　　０．１６ｇ（金属Ｎａに対する比率：０．５ｍｏｌ％）
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、１．３×１０１８~１．５×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、１．４×１０１８［ｃｍ−３］であった。すなわち、キャリア濃度が実施例１に比べて約２割増加した。
（実施例４）
　実施例１と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成し、得られた試料について、ホール効果測定を行った。
　ただし、融液組成は以下のとおりとした。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　Ｇｅ（ＯＣ２Ｈ５）４（テトラエトキシゲルマニウム）　２．１７ｇ（金属Ｇａに対する比率：１．０ｍｏｌ％）
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、２．０×１０１８~２．２×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、２．１×１０１８［ｃｍ−３］であった。すなわち、キャリア濃度が実施例１に比べて約２倍に増加した。この理由は定かではないが、液体Ｇｅ原料のエトキシ基が炭素源としての効果作用があったためであると推察した。
（実施例５）
　実施例１と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成し、得られた試料について、ホール効果測定を行った。
　ただし、融液組成は以下のとおりとした。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　Ｇｅ（ＯＣ２Ｈ５）４（テトラエトキシゲルマニウム）　２．１７ｇ（金属Ｇａに対する比率：１．０ｍｏｌ％）
　炭素　０．０４７ｇ（金属Ｎａに対する比率：０．１５ｍｏｌ％）
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、２．１×１０１８~２．３×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、２．２×１０１８［ｃｍ−３］であった。すなわち、キャリア濃度が、実施例３に比べて、わずかではあるが増加した。
（実施例６）
　実施例１と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成し、得られた試料について、ホール効果測定を行った。
　ただし、融液組成は以下のとおりとした。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　四塩化ゲルマニウム　３．７ｇ（金属Ｇａに対する比率：２．０ｍｏｌ％）
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、１．９×１０１８~２．２×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、２×１０１８［ｃｍ−３］であった。すなわち、実施例１より液体Ｇｅ原料の仕込み組成濃度を２倍に増加することで、キャリア濃度が実施例１に比べて約２倍に増加した。かつ、キャリア濃度の面内バラツキも小さかった。
（実施例７）
　実施例１と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成し、得られた試料について、ホール効果測定を行った。
　ただし、融液組成は以下のとおりとした。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　四塩化ゲルマニウム　５．５５ｇ（金属Ｇａに対する比率：３．０ｍｏｌ％）
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、３．０×１０１８~３．３×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、３．２×１０１８［ｃｍ−３］であった。すなわち、実施例１より液体Ｇｅ原料の仕込み組成濃度を３倍に増加することで、キャリア濃度が実施例１に比べて約３倍に増加した。
（比較例１）
　実施例１と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成し、得られた試料について、ホール効果測定を行った。
　ただし、融液組成は以下のとおりとした。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　固体金属ゲルマニウム　　０．６２ｇ（金属Ｇａに対する比率：１．０ｍｏｌ％）
　炭素　　０．１６ｇ（金属Ｎａに対する比率：０．５ｍｏｌ％）
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、０．４×１０１８~１．１×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、０．７×１０１８［ｃｍ−３］であった。すなわち、キャリア濃度が実施例１に比べて約半分と小さく、かつバラツキが大きかった。
（比較例２）
　実施例１と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成し、得られた試料について、ホール効果測定を行った。
　ただし、融液組成は以下のとおりとした。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　固体金属ゲルマニウム　　１．２４ｇ（金属Ｇａに対する比率：２．０ｍｏｌ％）
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、０．７×１０１８~１．８×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、１．０×１０１８［ｃｍ−３］であった。すなわち、ゲルマニウム原料の量を比較例１に比べて２倍としても、キャリア濃度は２倍にはならず、かつ、バラツキがさらに大きくなった。
（比較例３）
　実施例１と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成し、得られた試料について、ホール効果測定を行った。
　ただし、融液組成は以下のとおりとした。
　金属Ｇａ　６０ｇ
　金属Ｎａ　６０ｇ
　固体金属ゲルマニウム　　１．８６ｇ（金属Ｇａに対する比率：３．０ｍｏｌ％）
　そして、２インチウエハの中心から半径方向に沿って、６ｍｍ角にウエハを切り出して試料とし、ホール効果測定を行った。この結果、試料中でのキャリア濃度は、１．０×１０１８~２．２×１０１８［ｃｍ−３］であり、平均値は、１．５×１０１８［ｃｍ−３］であった。すなわち、ゲルマニウム原料の量を比較例１に比べて３倍としても、キャリア濃度は３倍にはならず、かつバラツキがさらに増大した。

Claims (12)

  1. 　フラックス法によって融液内で１３族元素窒化物結晶を製造する方法であって、
    　前記融液を、１３族元素原料、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方の原料および液体のゲルマニウム原料の組成物を加熱して生成させることを特徴とする、１３族元素窒化物結晶の製造方法。
  2. 　前記ゲルマニウム原料が四ハロゲン化ゲルマニウムであることを特徴とする、請求項１記載の方法。
  3. 　前記ゲルマニウム原料が有機ゲルマニウム化合物であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
  4. 　前記有機ゲルマニウム化合物がテトラアルコキシゲルマニウムであることを特徴とする、請求項３記載の方法。
  5. 　前記組成物が更に炭素源を含むことを特徴とする、請求項１~４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
  6. 　前記１３族元素がガリウムとアルミニウムとの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１~５のいずれか一つの請求項に記載の方法。
  7. 　フラックス法によって融液内で１３族元素窒化物結晶を育成するための融液組成物であって、
    　１３族元素原料、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方の原料および液体のゲルマニウム原料を含有することを特徴とする、融液組成物。
  8. 　前記ゲルマニウム原料が四ハロゲン化ゲルマニウムであることを特徴とする、請求項７記載の組成物。
  9. 　前記ゲルマニウム原料が有機ゲルマニウム化合物であることを特徴とする、請求項７記載の組成物。
  10. 　前記有機ゲルマニウム化合物がテトラアルコキシゲルマニウムであることを特徴とする、請求項９記載の組成物。
  11. 　更に炭素源を含むことを特徴とする、請求項７~１０のいずれか一つの請求項に記載の組成物。
  12. 　前記１３族元素がガリウムとアルミニウムとの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項７~１１のいずれか一つの請求項に記載の組成物。
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