JP2013014502A - Method for producing nitride crystal, nitride crystal and apparatus for producing the same - Google Patents
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
【課題】一般に入手可能な鉱化剤を用いながら、酸素濃度が低くて高純度の窒化物結晶を低コストで効率良く安全に製造することができる方法を提供する。
【解決手段】結晶成長用の反応容器1内または反応容器1に繋がる閉回路内で、鉱化剤を昇華させた後に析出させる鉱化剤昇華精製工程と、反応容器1内にて、溶媒と精製した鉱化剤の存在下で、ソルボサーマル法によって反応容器1内に入れられた窒化物の結晶成長原料8から窒化物結晶を成長させる結晶成長工程を行う。
【選択図】図3The present invention provides a method capable of efficiently and safely producing low-cost, high-purity nitride crystals using a generally available mineralizer.
In a reaction vessel for crystal growth or in a closed circuit connected to the reaction vessel 1, a mineralizer sublimation purification step in which the mineralizer is sublimated and then precipitated, and in the reaction vessel 1, a solvent is added. In the presence of the refined mineralizer, a crystal growth step is performed in which a nitride crystal is grown from the nitride crystal growth raw material 8 placed in the reaction vessel 1 by the solvothermal method.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、ソルボサーマル法による窒化物結晶の製造方法、窒化物結晶およびその製造装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride crystal by a solvothermal method, a nitride crystal, and an apparatus for manufacturing the nitride crystal.
ソルボサーマル法は、超臨界状態および/または亜臨界状態にある溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法である。結晶成長へ適用するときは、溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる方法である。例えば、窒化ガリウムなどの窒化物結晶を析出させるためには、溶媒としてアンモニアなどの窒素含有溶媒を用いるアモノサーマル法が主として採用されている。ソルボサーマル法によって単結晶を成長させるためには、十分な量の原料が過飽和状態で存在し析出する必要があるが、そのためには結晶成長用原料が十分に溶媒に溶解することが必要である。しかしながら、例えば窒化ガリウムなどの窒化物は、採用しうる温度圧力範囲において純粋なアンモニアに対する溶解度が極めて低いため、実用的な結晶成長に必要な量を溶解させることができないという問題がある。 The solvothermal method is a method for producing a desired material using a solvent in a supercritical state and / or a subcritical state and utilizing a dissolution-precipitation reaction of raw materials. When applied to crystal growth, this is a method in which a crystal is precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the solubility of a raw material in a solvent. For example, in order to precipitate a nitride crystal such as gallium nitride, an ammonothermal method using a nitrogen-containing solvent such as ammonia as a solvent is mainly employed. In order to grow a single crystal by the solvothermal method, it is necessary to deposit a sufficient amount of raw material in a supersaturated state, and for this purpose, it is necessary that the raw material for crystal growth is sufficiently dissolved in a solvent. . However, for example, nitrides such as gallium nitride have a problem that the amount necessary for practical crystal growth cannot be dissolved because the solubility in pure ammonia is extremely low in a temperature and pressure range that can be employed.
このような問題を解決するために、窒化ガリウムなどの窒化物の溶解度を向上させる鉱化剤を反応系内に添加することが一般に行われている。鉱化剤は、窒化物と錯体などを形成(溶媒和)することができるため、より多くの窒化物をアンモニアなどの窒素含有溶媒中に溶解させることができる。鉱化剤には、塩基性鉱化剤と酸性鉱化剤があり、塩基性鉱化剤の代表例としてはアルカリ金属アミドを挙げることができ、酸性鉱化剤の代表例としてはハロゲン化アンモニウムを挙げることができる(特許文献1参照)。 In order to solve such a problem, a mineralizer that improves the solubility of nitrides such as gallium nitride is generally added to the reaction system. Since the mineralizer can form a complex with a nitride (solvate), more nitride can be dissolved in a nitrogen-containing solvent such as ammonia. Mineralizers include basic mineralizers and acidic mineralizers. Typical examples of basic mineralizers include alkali metal amides. Typical examples of acidic mineralizers include ammonium halides. (See Patent Document 1).
これらの鉱化剤は試薬として販売されているものであり、通常は粉末状の固体として取り扱われている。このような固体の鉱化剤は十分に乾燥させた後に、結晶成長用原料や種結晶を入れた反応容器内に投入して蓋をする。次いで、バルブを介して反応容器内に液体アンモニアを注入し、その後、ヒーターで昇温して内部のアンモニアの体積膨張により内圧を発生させる。設定した温度条件で所定の時間維持して結晶を成長させた後、冷却して反応容器内から結晶を取り出すことにより、窒化物結晶を得ることができる(特許文献2〜4参照)。 These mineralizers are sold as reagents and are usually handled as powdered solids. After such a solid mineralizer is sufficiently dried, it is put into a reaction vessel containing a raw material for crystal growth and a seed crystal and covered. Next, liquid ammonia is injected into the reaction vessel through a valve, and then the temperature is raised by a heater to generate an internal pressure by volume expansion of the internal ammonia. A nitride crystal can be obtained by maintaining a set temperature condition for a predetermined time and growing the crystal, and then cooling and taking out the crystal from the reaction vessel (see Patent Documents 2 to 4).
しかしながら、このようにして固体鉱化剤を添加してソルボサーマル法により結晶成長させた窒化物結晶は、結晶中に含まれる酸素濃度が比較的高いという課題を有している。これは、鉱化剤が水や酸素を吸着しやすいため、反応に用いた鉱化剤に由来する酸素原子が結晶中に取り込まれるためであると考えられる。すなわち、上記従来法により得られた窒化物結晶には、酸素が1018〜1020atom/cm3のオーダーで含まれているが(非特許文献1、非特許文献2参照)、これはHVPE法で育成された窒化物結晶に比べると極めて高い数値である。 However, the nitride crystal thus grown by the solvothermal method with the addition of the solid mineralizer has a problem that the oxygen concentration contained in the crystal is relatively high. This is presumably because the mineralizer easily adsorbs water and oxygen, so that oxygen atoms derived from the mineralizer used in the reaction are taken into the crystal. That is, the nitride crystal obtained by the conventional method contains oxygen in the order of 10 18 to 10 20 atom / cm 3 (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). Compared to nitride crystals grown by the method, this value is extremely high.
酸素濃度が高いと、結晶に黒〜茶色の着色が生じ、LED,LD(Laser Diode)などのオプトエレクトロニクス用基板として使用する場合は光の吸収が発生して光取り出し効率を低下させてしまう。また酸素はドナーとして機能するため、意図しない不純物として制御されていない量の酸素が結晶中に含まれると、基板の電気的特性制御のためのドーピングが困難となってしまう。 When the oxygen concentration is high, the crystals are colored black to brown, and when used as an optoelectronic substrate such as an LED or LD (Laser Diode), light absorption occurs and the light extraction efficiency decreases. In addition, since oxygen functions as a donor, if the crystal contains an amount of oxygen that is not controlled as an unintended impurity, doping for controlling the electrical characteristics of the substrate becomes difficult.
これらを始めとする種々の問題に対処するために、水分濃度が低い鉱化剤を選定して、水分を吸着しないように反応容器へ充填して密閉する方法も考え得るが、生産可能なサイズの大型の反応容器へ適用するには大がかりな設備が必要であるため、現実的ではない。そこで、反応容器内において、アンモニアと反応して鉱化剤を生成する反応性ガスとアンモニアとを接触させて鉱化剤を生成させ、生成させた鉱化剤を用いてソルボサーマル法により窒化物結晶を成長させる方法が提案されている(特許文献5参照)。この方法によれば、酸素濃度が低くて高純度の窒化物結晶を成長させることができるとされている。 In order to deal with these and other various problems, it is possible to select a mineralizer with a low water concentration and fill it in a reaction vessel so that it does not adsorb moisture. Since it requires a large-scale facility to be applied to a large reaction vessel, it is not realistic. Therefore, in the reaction vessel, a reactive gas that reacts with ammonia to produce a mineralizer is brought into contact with ammonia to produce a mineralizer, and a nitride is formed by a solvothermal method using the produced mineralizer. A method of growing a crystal has been proposed (see Patent Document 5). According to this method, a high-purity nitride crystal having a low oxygen concentration can be grown.
特許文献5に記載される方法に従えば、確かに酸素濃度が低くて高純度の窒化物結晶を成長させることが可能である。しかしながら、この方法ではアンモニアと反応させて鉱化剤を生成させるために、高純度の反応性ガスを反応容器内に導入しなければならない。このため、製造設備に高純度のガスラインを構築する必要がある。また、取り扱いに注意を要する反応性ガスとアンモニアから鉱化剤を生成する反応を制御する必要があるうえ、ガスラインでの水分除去のための真空脱気やガス導入のプロセスも複雑である。このため、固体鉱化剤を用いている従来法よりもコストや手間がかかるという課題があった。また、特許文献5に記載される方法によれば、鉱化剤によって酸素が反応容器内に中に混入するのを防ぐことが可能であるが、それ以外の材料により持ち込まれる酸素や、反応容器内や配管内の酸素については対処することができない。 According to the method described in Patent Document 5, it is possible to grow a high-purity nitride crystal with a low oxygen concentration. However, in this method, a high purity reactive gas must be introduced into the reaction vessel in order to react with ammonia to produce a mineralizer. For this reason, it is necessary to construct a high purity gas line in the production facility. In addition, it is necessary to control the reaction for generating the mineralizer from the reactive gas and ammonia that require careful handling, and the process of vacuum degassing and gas introduction for removing moisture in the gas line is complicated. For this reason, there existed a subject that cost and an effort were required rather than the conventional method using a solid mineralizer. Moreover, according to the method described in Patent Document 5, it is possible to prevent oxygen from being mixed into the reaction vessel by the mineralizer, but oxygen introduced by other materials or reaction vessel It is not possible to deal with oxygen in the pipes and pipes.
このような従来技術の課題を考慮しつつ、本発明では、従来法と同様に一般に入手可能な鉱化剤を用いながら、酸素濃度が低くて高純度の窒化物結晶を低コストで効率良く安全に製造することができる方法を提供することを目的として検討を進めた。 Considering such problems of the prior art, the present invention uses a mineralizer that is generally available in the same manner as the conventional method, and can efficiently produce a low-cost, high-purity nitride crystal at a low cost. In order to provide a method that can be manufactured in the future, the study was advanced.
上記の課題を解決するために鋭意検討を行なった結果、本発明者らは、従来法では検討されていなかった方法により鉱化剤を精製することにより、ソルボサーマル法によって酸素濃度が低い窒化物結晶が効率良く得られることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、本発明の具体的内容は以下に示すとおりである。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have refined the mineralizer by a method that has not been studied in the conventional method, and thereby a nitride having a low oxygen concentration by the solvothermal method. It has been found that crystals can be obtained efficiently. The present invention has been made based on such findings, and the specific contents of the present invention are as follows.
[1] 結晶成長用の反応容器内または前記反応容器に繋がる閉回路内で、鉱化剤を昇華させた後に析出させる鉱化剤昇華精製工程と、
前記反応容器内にて、溶媒と精製した前記鉱化剤の存在下で、ソルボサーマル法によって反応容器内に入れられた窒化物の結晶成長原料から窒化物結晶を成長させる結晶成長工程とを
含むことを特徴とする、窒化物結晶の製造方法。
[2] 前記鉱化剤昇華精製工程において、圧力を1Torr以下にする、[1]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[3] 前記鉱化剤昇華精製工程において、前記鉱化剤を加熱して昇華させる鉱化剤加熱昇華領域の温度(T1)と、昇華した鉱化剤を析出させる鉱化剤析出領域の温度(T2)の温度差(T1−T2)を5℃以上に設定する、[1]または[2]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[4] 前記温度差をヒーターにより制御する、[3]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[5] 前記鉱化剤加熱昇華領域の温度(T1)が80℃〜350℃である、[3]または[4]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[6] 前記鉱化剤析出領域の温度(T2)が30℃〜300℃である、[3]〜[5]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[7] 前記鉱化剤昇華精製工程において、前記鉱化剤を加熱して昇華させる鉱化剤加熱昇華領域と、昇華した鉱化剤を析出させる鉱化剤析出領域をともに前記反応容器内に設定する、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[8] 前記鉱化剤昇華精製工程を、少なくとも原料、鉱化剤および種結晶が存在している前記反応容器中で行う、[7]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[9] 前記鉱化剤昇華精製工程において、前記鉱化剤を加熱して昇華させる鉱化剤加熱昇華領域と、昇華した鉱化剤を析出させる鉱化剤析出領域をともに前記反応容器外に設定する、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[10] 前記鉱化剤加熱昇華領域と前記鉱化剤析出領域をともに前記反応容器とは別に設けられた鉱化剤精製容器内に設定する、[9]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[11] 前記鉱化剤加熱昇華領域を鉱化剤加熱昇華容器内に設定し、前記鉱化剤析出領域を前記鉱化剤加熱昇華容器とは別に設けられた鉱化剤析出容器内に設定する、[9]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[1] A mineralizer sublimation purification step in which a mineralizer is sublimated after precipitation in a reaction vessel for crystal growth or in a closed circuit connected to the reaction vessel;
A crystal growth step of growing a nitride crystal from a nitride crystal growth raw material placed in the reaction vessel by a solvothermal method in the presence of the solvent and the refined mineralizer in the reaction vessel. A method for producing a nitride crystal.
[2] The method for producing a nitride crystal according to [1], wherein in the mineralizer sublimation purification step, the pressure is set to 1 Torr or less.
[3] In the mineralizer sublimation purification step, the temperature (T1) of the mineralizer heating sublimation region for heating and sublimating the mineralizer, and the temperature of the mineralizer precipitation region for precipitating the sublimated mineralizer. The method for producing a nitride crystal according to [1] or [2], wherein the temperature difference (T1−T2) of (T2) is set to 5 ° C. or more.
[4] The method for producing a nitride crystal according to [3], wherein the temperature difference is controlled by a heater.
[5] The method for producing a nitride crystal according to [3] or [4], wherein the temperature (T1) of the mineralizer heating sublimation region is 80 ° C to 350 ° C.
[6] The method for producing a nitride crystal according to any one of [3] to [5], wherein the temperature (T2) of the mineralizer precipitation region is 30 ° C to 300 ° C.
[7] In the mineralizer sublimation purification step, a mineralizer heating sublimation region for heating and sublimating the mineralizer and a mineralizer precipitation region for precipitating the sublimated mineralizer are both contained in the reaction vessel. The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [6] to be set.
[8] The method for producing a nitride crystal according to [7], wherein the sublimation purification step of the mineralizer is performed in the reaction vessel in which at least a raw material, a mineralizer, and a seed crystal are present.
[9] In the mineralizer sublimation purification step, a mineralizer heating sublimation region for heating and sublimating the mineralizer and a mineralizer precipitation region for precipitating the sublimated mineralizer are both outside the reaction vessel. The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [6] to be set.
[10] The method for producing a nitride crystal according to [9], wherein both the mineralizer heating sublimation region and the mineralizer precipitation region are set in a mineralizer purification vessel provided separately from the reaction vessel. .
[11] The mineralizer heating sublimation region is set in a mineralizer heating sublimation vessel, and the mineralizer precipitation region is set in a mineralizer precipitation vessel provided separately from the mineralizer heating sublimation vessel. The method for producing a nitride crystal according to [9].
[12] 前記鉱化剤昇華精製工程により精製した前記鉱化剤をアンモニアと混合して前記反応容器へ導入する、[1]〜[11]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[13] 前記鉱化剤析出容器内において析出して得られた精製した鉱化剤を前記反応容器へ導入し、前記鉱化剤加熱昇華容器内に残存している鉱化剤は前記反応容器へ導入しない、[12]に記載の窒化物結晶の製造方法。
[14] 前記鉱化剤昇華精製工程に用いる鉱化剤が、あらかじめ昇華精製されている、[1]〜[13]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[15] 前記鉱化剤がハロゲン元素を含む、[1]〜[14]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[16] 前記溶媒がアンモニアである、[1]〜[15]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[17] 前記窒化物結晶が窒化ガリウムである、[1]〜[16]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[18] 前記鉱化剤昇華精製工程を開始する前に、前記反応容器内または前記閉回路内を窒素ガスで置換する、[1]〜[17]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[19] 前記反応容器が、Pt、Ir、W、Ta、Rh、Ru、Reからなる群より選択される1種以上の金属または合金により構成されている、[1]〜[18]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[20] 前記反応容器が、Pt、Ir、W、Ta、Rh、Ru、Reからなる群より選択される1種以上の金属または合金によりライニングされている、[1]〜[18]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[21] 前記反応容器がオートクレーブである、[1]〜[20]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[22] 前記反応容器がオートクレーブ中に挿入されたカプセルである、[1]〜[20]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法。
[12] The production of the nitride crystal according to any one of [1] to [11], wherein the mineralizer purified by the sublimation purification step is mixed with ammonia and introduced into the reaction vessel. Method.
[13] The purified mineralizer obtained by precipitation in the mineralizer precipitation vessel is introduced into the reaction vessel, and the mineralizer remaining in the mineralizer heating sublimation vessel is the reaction vessel. The method for producing a nitride crystal according to [12], wherein the nitride crystal is not introduced.
[14] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [13], wherein the mineralizer used in the mineralizer sublimation purification step is sublimated and purified in advance.
[15] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [14], wherein the mineralizer contains a halogen element.
[16] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [15], wherein the solvent is ammonia.
[17] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [16], wherein the nitride crystal is gallium nitride.
[18] The nitride crystal according to any one of [1] to [17], wherein the reaction vessel or the closed circuit is replaced with nitrogen gas before the mineralizer sublimation purification process is started. Manufacturing method.
[19] Any of [1] to [18], wherein the reaction vessel is composed of one or more metals or alloys selected from the group consisting of Pt, Ir, W, Ta, Rh, Ru, and Re. A method for producing a nitride crystal according to claim 1.
[20] Any of [1] to [18], wherein the reaction vessel is lined with one or more metals or alloys selected from the group consisting of Pt, Ir, W, Ta, Rh, Ru, and Re. A method for producing a nitride crystal according to claim 1.
[21] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [20], wherein the reaction vessel is an autoclave.
[22] The method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [20], wherein the reaction vessel is a capsule inserted in an autoclave.
[23] [1]〜[22]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造方法により製造される窒化物結晶。
[24] 前記窒化物結晶が周期表13族金属の窒化物結晶である、[23]に記載の窒化物結晶。
[25] 前記窒化物が窒化ガリウムである、[23]に記載の窒化物結晶。
[26] ソルボサーマル法により窒化物結晶を成長させることができる反応容器と、鉱化剤を昇華して析出させる鉱化剤昇華析出容器と、昇華精製した鉱化剤を前記反応容器へ導入する手段とを備えていることを特徴とする窒化物結晶の製造装置。
[27] 前記鉱化剤昇華析出容器が、前記鉱化剤を加熱して昇華させる鉱化剤加熱昇華領域と、昇華した鉱化剤を析出させる鉱化剤析出領域をともに有する、[26]に記載の窒化物結晶の製造装置。
[28] ソルボサーマル法により窒化物結晶を成長させることができる反応容器と、鉱化剤を昇華させる鉱化剤加熱昇華容器と、鉱化剤を析出させる鉱化剤析出容器と、析出した鉱化剤を前記反応容器へ導入する導入手段とを備えていることを特徴とする窒化物結晶の製造装置。
[29] 前記導入手段が、前記鉱化剤加熱昇華容器中に残存する鉱化剤は前記反応容器へ導入しない、[28]に記載の窒化物結晶の製造装置。
[30] 溶媒を前記各反応容器へ導入する手段をさらに備えている、[26]〜[29]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造装置。
[31] 反応容器には配管が付属しており、配管を通して減圧可能である、[26]〜[30]のいずれか一項に記載の窒化物結晶の製造装置。
[23] A nitride crystal produced by the method for producing a nitride crystal according to any one of [1] to [22].
[24] The nitride crystal according to [23], wherein the nitride crystal is a nitride crystal of Group 13 metal of the periodic table.
[25] The nitride crystal according to [23], wherein the nitride is gallium nitride.
[26] A reaction vessel capable of growing a nitride crystal by a solvothermal method, a mineralizer sublimation precipitation vessel for sublimating and precipitating the mineralizer, and a sublimation-purified mineralizer are introduced into the reaction vessel. And an apparatus for producing a nitride crystal.
[27] The mineralizer sublimation deposition container has both a mineralizer heating sublimation region for heating and sublimating the mineralizer and a mineralizer precipitation region for depositing the sublimated mineralizer. [26] The nitride crystal manufacturing apparatus described in 1.
[28] A reaction vessel capable of growing a nitride crystal by a solvothermal method, a mineralizer heating sublimation vessel for sublimating the mineralizer, a mineralizer precipitation vessel for depositing the mineralizer, and the precipitated mineral An apparatus for producing a nitride crystal, comprising: an introduction means for introducing an agent into the reaction vessel.
[29] The nitride crystal production apparatus according to [28], wherein the introduction unit does not introduce the mineralizer remaining in the mineralizer heating sublimation vessel into the reaction vessel.
[30] The nitride crystal production apparatus according to any one of [26] to [29], further comprising means for introducing a solvent into each of the reaction vessels.
[31] The nitride crystal production apparatus according to any one of [26] to [30], wherein a pipe is attached to the reaction vessel and pressure reduction is possible through the pipe.
本発明の窒化物結晶の製造方法(以下、本発明のソルボサーマル法と称する)によれば、酸素濃度が低くて高純度の窒化物結晶を効率よく低コストで安全に成長させることができる。また、本発明の窒化物結晶は酸素濃度が低くて純度が高いため、着色が生じにくい。さらに、本発明の製造装置を用いれば、このような特徴を有する窒化物結晶を効率よく低コストで安全に製造することができる。 According to the method for producing a nitride crystal of the present invention (hereinafter referred to as the solvothermal method of the present invention), a high purity nitride crystal having a low oxygen concentration can be efficiently and safely grown at a low cost. Further, since the nitride crystal of the present invention has a low oxygen concentration and a high purity, it is difficult to cause coloring. Furthermore, if the manufacturing apparatus of this invention is used, the nitride crystal which has such a characteristic can be manufactured efficiently at low cost safely.
以下において、本発明のソルボサーマル法による窒化物結晶の製造方法、窒化物結晶およびその製造装置について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。 Hereinafter, a method for producing a nitride crystal by the solvothermal method of the present invention, a nitride crystal and an apparatus for producing the same will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
<鉱化剤昇華精製工程>
本発明の窒化物結晶の製造方法は、反応容器内または反応容器に繋がる閉回路内で鉱化剤を昇華精製しておく鉱化剤昇華精製工程を含むことを特徴とするものである。通常、窒化物結晶を成長させる前に鉱化剤昇華精製工程を終えていることが好ましい。
<Sublimation process of mineralizer>
The method for producing a nitride crystal of the present invention is characterized by including a mineralizer sublimation purification step in which a mineralizer is sublimated and purified in a reaction vessel or in a closed circuit connected to the reaction vessel. Usually, it is preferable that the mineralizer sublimation purification process is completed before the nitride crystal is grown.
(鉱化剤)
反応容器内で鉱化剤を昇華精製する場合、まず反応容器内に鉱化剤を入れる。ここで用いる鉱化剤は、市販されているものであってもよいし、合成されたものでもよく、また、それらを保管していたものであってもよい。本発明では、特に精製して純度を高めた鉱化剤を用いなくても発明の効果を得ることができるが、精製した鉱化剤を用いてさらに本発明による精製を行えば、より純度が高い窒化物結晶を製造することができるため好ましい。鉱化剤を反応容器に入れる際には、常法に従って反応容器を開けて鉱化剤を入れることができる。窒素ガスなどの水分を含まない雰囲気下で反応容器中に鉱化剤を入れてもよいが、本発明の製造方法を採用する場合はそのような操作を行わずに大気中で行っても構わない。
(Mineralizer)
When the mineralizer is purified by sublimation in the reaction vessel, the mineralizer is first placed in the reaction vessel. The mineralizer used here may be a commercially available one, a synthesized one, or one in which they are stored. In the present invention, the effect of the invention can be obtained without using a mineralizer that has been refined to increase its purity. However, if the purification according to the present invention is further performed using a purified mineralizer, the purity can be improved. This is preferable because a high nitride crystal can be produced. When the mineralizer is put into the reaction vessel, the mineralizer can be put in by opening the reaction vessel according to a conventional method. The mineralizer may be placed in the reaction vessel under an atmosphere that does not contain moisture such as nitrogen gas, but when the production method of the present invention is adopted, it may be performed in the air without performing such an operation. Absent.
本発明で用いる鉱化剤は、ソルボサーマル法により窒化物結晶を製造する際に用いられる鉱化剤の中から選択される。アルカリ金属アミドなどの塩基性鉱化剤を用いてもよいし、ハロゲン化アンモニウムなどの酸性鉱化剤を用いてもよい。その中では、ハロゲン化アンモニウムを用いることが、本発明の効果をより良く享受することができるため好ましい。ハロゲン化アンモニウムの例として、フッ化水素アンモニウム、フッ化アンモニウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウムなどを挙げることができ、フッ化水素アンモニウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウムを採用することが好ましく、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウムを採用することがより好ましい。これらの鉱化剤は、単独で用いてもよいし、複数を併用してもよい。
鉱化剤を精製するときには、反応容器内に鉱化剤のみを入れて実施してもよいが、後に行う窒化物結晶の成長に用いる原料や種結晶を併存させておいてもよい。原料や種結晶の種類や詳細については後述する。
The mineralizer used in the present invention is selected from mineralizers used when producing nitride crystals by the solvothermal method. A basic mineralizer such as alkali metal amide may be used, or an acidic mineralizer such as ammonium halide may be used. Among them, it is preferable to use ammonium halide because the effects of the present invention can be enjoyed better. Examples of ammonium halides include ammonium hydrogen fluoride, ammonium fluoride, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium iodide, etc. Adopting ammonium hydrogen fluoride, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium iodide It is preferable to employ ammonium bromide or ammonium iodide. These mineralizers may be used alone or in combination.
When purifying the mineralizer, only the mineralizer may be placed in the reaction vessel, but raw materials and seed crystals used for the growth of nitride crystals to be performed later may coexist. The types and details of raw materials and seed crystals will be described later.
(圧力と温度)
鉱化剤を反応容器中で精製する際には、反応容器を脱気しながら減圧下で加熱する。脱気は、反応容器に接続した配管を通して真空ポンプ等により行うことができる。圧力は1Torr以下にすることが好ましく、1×10-1Torr以下にすることがより好ましく、1×10-2Torr以下にすることがさらに好ましい。また、圧力の下限値については、1×10-7Torr以上にすることが好ましく、1×10-6Torr以上にすることがより好ましく、1×10-5Torr以上にすることがさらに好ましい。圧力は徐々に下げて行くことが好ましいが、精製中に水が気化することにより圧力が下がり難くなることがある。このような場合には、ほぼ一定の圧力で気化したガスを脱気した後にさらに圧力を下げることができる。また、精製により鉱化剤が析出した後は、温度を徐々に下げて鉱化剤昇華精製工程を終了することが好ましい。
(Pressure and temperature)
When purifying the mineralizer in the reaction vessel, the reaction vessel is heated under reduced pressure while degassing. Deaeration can be performed by a vacuum pump or the like through a pipe connected to the reaction vessel. The pressure is preferably 1 Torr or less, more preferably 1 × 10 −1 Torr or less, and further preferably 1 × 10 −2 Torr or less. The lower limit of the pressure is preferably 1 × 10 −7 Torr or more, more preferably 1 × 10 −6 Torr or more, and further preferably 1 × 10 −5 Torr or more. Although it is preferable to gradually reduce the pressure, it may be difficult to lower the pressure due to vaporization of water during purification. In such a case, the pressure can be further lowered after degassing the gas vaporized at a substantially constant pressure. In addition, after the mineralizer is precipitated by refining, it is preferable to gradually lower the temperature and complete the mineralizer sublimation purification process.
鉱化剤の精製時には、反応容器内の鉱化剤を入れた領域の少なくとも一部を鉱化剤の昇華温度以上に加熱することにより鉱化剤を昇華させる。本明細書では、鉱化剤を加熱して昇華させる領域を鉱化剤加熱昇華領域と呼ぶ。このような鉱化剤加熱昇華領域を設ける一方で、それ以外のいずれかの領域を鉱化剤の昇華温度未満の温度に設定して、鉱化剤を析出させる。本明細書では、鉱化剤を析出させる領域を鉱化剤析出領域と呼ぶ。 At the time of refining the mineralizer, the mineralizer is sublimated by heating at least a part of the region containing the mineralizer in the reaction vessel to a temperature higher than the sublimation temperature of the mineralizer. In this specification, the area | region which heats a mineralizer and sublimates is called a mineralizer heating sublimation area | region. While providing such a mineralizer heating sublimation region, any other region is set to a temperature lower than the sublimation temperature of the mineralizer to precipitate the mineralizer. In this specification, the area | region which deposits a mineralizer is called a mineralizer precipitation area | region.
鉱化剤の昇華温度は、鉱化剤の種類と反応容器内の圧力により決まる。通常は、鉱化剤加熱昇華領域の温度(T1)を昇華温度より1℃以上高い温度に設定し、3℃以上高い温度に設定することが好ましく、また、5℃以上高い温度に設定することがより好ましい。上限値については、例えば昇華温度より200℃高い温度とすることができ、好ましくは昇華温度より150℃高い温度であり、より好ましくは昇華温度より100℃高い温度である。鉱化剤析出領域の温度(T2)は、通常は昇華温度より0.1℃以上低い温度に設定し、1℃以上低い温度に設定することが好ましく、3℃以上低い温度に設定することがより好ましい。下限値については、例えば昇華温度より100℃低い温度とすることができ、好ましくは昇華温度より50℃低い温度であり、より好ましくは昇華温度より30℃低い温度である。鉱化剤昇華精製工程において採用するこれらの温度は、高すぎるとエネルギー効率が悪くなり、低すぎると精製効率が悪くなる。このため、圧力などの条件と併せて制御しながら、程よい温度に加熱することが好ましい。 The sublimation temperature of the mineralizer is determined by the type of mineralizer and the pressure in the reaction vessel. Usually, the temperature (T1) of the mineralizer heating sublimation region is set to a temperature that is 1 ° C or higher than the sublimation temperature, preferably set to a temperature that is 3 ° C or higher, and set to a temperature that is 5 ° C or higher. Is more preferable. The upper limit may be, for example, 200 ° C. higher than the sublimation temperature, preferably 150 ° C. higher than the sublimation temperature, and more preferably 100 ° C. higher than the sublimation temperature. The temperature (T2) of the mineralizer precipitation region is usually set to a temperature lower by 0.1 ° C or more than the sublimation temperature, preferably set to a temperature lower by 1 ° C or more, and set to a temperature lower by 3 ° C or more. More preferred. About a lower limit, it can be set as a temperature 100 degreeC lower than sublimation temperature, for example, Preferably it is 50 degreeC temperature lower than sublimation temperature, More preferably, it is 30 degreeC temperature lower than sublimation temperature. If these temperatures employed in the mineralizer sublimation purification process are too high, the energy efficiency will deteriorate, and if it is too low, the purification efficiency will deteriorate. For this reason, it is preferable to heat to moderate temperature, controlling along with conditions, such as a pressure.
鉱化剤加熱昇華領域の温度(T1)は、80℃以上に設定することが好ましく、100℃以上に設定することがより好ましく、120℃以上に設定することがさらに好ましい。また、鉱化剤加熱昇華領域の温度(T1)は、350℃以下に設定することが好ましく、300℃以下に設定することがより好ましく、250℃以下に設定することがさらに好ましい。鉱化剤析出領域の温度(T2)は、30℃以上に設定することが好ましく、40℃以上に設定することがより好ましく、50℃以上に設定することがさらに好ましい。また、鉱化剤加熱析出領域の温度(T2)は、300℃以下に設定することが好ましく、250℃以下に設定することがより好ましく、200℃以下に設定することがさらに好ましい。鉱化剤加熱昇華領域と鉱化剤析出領域の温度差は、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましく、15℃以上であることがさらに好ましい。また、温度差は200℃以下であることが好ましく、170℃以下であることがより好ましく、150℃以下であることがさらに好ましい。なお、ここでいう温度差の条件は、鉱化剤加熱昇華領域と鉱化剤析出領域の一部に上記温度差を満たす箇所が存在していれば満たされているものとみなす。鉱化剤昇華精製工程における設定温度は、精製しようとしている鉱化剤の種類も考慮して調整することが好ましい。例えば、塩化アンモニウムの場合は鉱化剤加熱昇華領域を80〜250℃の範囲内に設定し、臭化アンモニウムの場合は鉱化剤加熱昇華領域を100〜300℃の範囲内に設定し、ヨウ化アンモニウムの場合は鉱化剤加熱昇華領域を120〜350℃の範囲内に設定することが好ましい。鉱化剤析出領域の温度(T2)は、これらの鉱化剤加熱昇華領域の温度(T1)よりも5℃以上低い温度に設定することが好ましい。 The temperature (T1) of the mineralizer heating sublimation region is preferably set to 80 ° C. or higher, more preferably set to 100 ° C. or higher, and further preferably set to 120 ° C. or higher. Further, the temperature (T1) of the mineralizer heating sublimation region is preferably set to 350 ° C. or lower, more preferably set to 300 ° C. or lower, and further preferably set to 250 ° C. or lower. The temperature (T2) of the mineralizer precipitation region is preferably set to 30 ° C. or higher, more preferably set to 40 ° C. or higher, and further preferably set to 50 ° C. or higher. Moreover, it is preferable to set the temperature (T2) of the mineralizer heating precipitation area | region to 300 degrees C or less, It is more preferable to set to 250 degrees C or less, It is further more preferable to set to 200 degrees C or less. The temperature difference between the mineralizer heating sublimation region and the mineralizer precipitation region is preferably 5 ° C. or more, more preferably 10 ° C. or more, and further preferably 15 ° C. or more. Further, the temperature difference is preferably 200 ° C. or less, more preferably 170 ° C. or less, and further preferably 150 ° C. or less. Note that the temperature difference condition here is considered to be satisfied if there is a portion satisfying the temperature difference in part of the mineralizer heating sublimation region and the mineralizer precipitation region. The set temperature in the mineralizer sublimation purification process is preferably adjusted in consideration of the type of mineralizer to be purified. For example, in the case of ammonium chloride, the mineralizer heating sublimation region is set in the range of 80 to 250 ° C. In the case of ammonium bromide, the mineralizer heating sublimation region is set in the range of 100 to 300 ° C. In the case of ammonium chloride, it is preferable to set the mineralizer heating sublimation region within the range of 120 to 350 ° C. The temperature (T2) of the mineralizer precipitation region is preferably set to a temperature 5 ° C. or more lower than the temperature (T1) of these mineralizer heating sublimation regions.
鉱化剤加熱昇華領域の温度は領域の全体にわたって同じ温度に設定してもよいし、領域内で温度分布があってもよい。鉱化剤析出領域の温度についても同じである。鉱化剤析出領域内に温度分布がある態様として、例えば、鉱化剤加熱昇華領域側ほど温度が高い状況を挙げることができる。また、設定温度や温度分布は、鉱化剤昇華精製工程中で一定に維持してもよいし、鉱化剤の析出状況などに応じて変えてもよい。通常は、工程中において、一定の温度に維持する時間を確保する。
反応容器内において鉱化剤を精製するとき、鉱化剤加熱昇華領域は反応容器内に設定する。通常は、鉱化剤を入れたときに鉱化剤が溜まる反応容器の下部が鉱化剤加熱昇華領域となる。一方、鉱化剤析出領域は、反応容器内に設定してもよいし、反応容器外に設定してもよい。鉱化剤加熱昇華領域と鉱化剤析出領域は、例えばヒーターなどの温度制御機構の設置位置と温度制御の仕方により設定することができる。反応容器内に設定する場合は、反応容器の上部または上部から中央部にかけての領域を鉱化剤析出領域とすることが好ましい。
The temperature of the mineralizer heating sublimation region may be set to the same temperature throughout the region, or there may be a temperature distribution within the region. The same applies to the temperature of the mineralizer precipitation region. As an aspect in which the temperature distribution is present in the mineralizer precipitation region, for example, the temperature is higher at the mineralizer heating sublimation region side. Further, the set temperature and temperature distribution may be kept constant during the mineralizer sublimation purification process, or may be changed according to the deposition state of the mineralizer. Usually, a time for maintaining a constant temperature is secured during the process.
When purifying the mineralizer in the reaction vessel, the mineralizer heating sublimation region is set in the reaction vessel. Usually, when the mineralizer is added, the lower part of the reaction vessel in which the mineralizer accumulates is the mineralizer heating sublimation region. On the other hand, the mineralizer precipitation region may be set inside the reaction vessel or outside the reaction vessel. The mineralizer heating sublimation region and the mineralizer precipitation region can be set according to the installation position of the temperature control mechanism such as a heater and the manner of temperature control. When set in the reaction vessel, the region from the upper part of the reaction vessel or from the upper part to the central part is preferably used as the mineralizer precipitation region.
なお、反応容器内に鉱化剤析出領域を設定する場合は、鉱化剤析出領域と鉱化剤析出領域の広さは、鉱化剤昇華精製工程の経過とともに変えても構わない。精製が進むにしたがって、鉱化剤加熱昇華領域の鉱化剤量は減少し、鉱化剤析出領域の析出鉱化剤量は増加するため、温度制御範囲を調整することにより、徐々に鉱化剤加熱昇華領域が狭くなるように制御したり、鉱化剤析出領域が広くなるように制御したりしてもよい。その際、精製開始当初は鉱化剤加熱昇華領域であった部分の一部が、精製終了時には鉱化剤析出領域の一部に組み込まれてもよい。 In addition, when setting a mineralizer precipitation area | region in reaction container, you may change the width of a mineralizer precipitation area | region and a mineralizer precipitation area | region with progress of a mineralizer sublimation refinement | purification process. As the refining progresses, the amount of mineralizer in the mineralizer heating sublimation region decreases and the amount of precipitation mineralizer in the mineralizer precipitation region increases, so by adjusting the temperature control range gradually mineralization The agent heating sublimation region may be controlled to be narrow, or the mineralizer precipitation region may be controlled to be wide. At that time, a part of the portion that was the mineralizer heating sublimation region at the beginning of the purification may be incorporated into a part of the mineralizer precipitation region at the end of the purification.
鉱化剤析出領域は、反応容器外に設定することもできる。すなわち、反応容器内では鉱化剤が実質的に析出しないように条件設定しておいて、反応容器外で析出するように設定することができる。例えば、反応容器外に設置された鉱化剤析出容器を鉱化剤析出領域に設定して、その鉱化剤析出容器内において鉱化剤を析出させることが可能である。また、そのような鉱化剤析出容器を設けずに、配管の一部を鉱化剤析出領域に設定して、配管中に鉱化剤を析出させることもできる。その場合は、配管の内径を太くしたり、鉱化剤が集中的に析出しやすくする析出補助具を配管内に設置したりする工夫を施して、配管内に析出する鉱化剤によって配管内の流路が過度に狭まらないように工夫をすることが好ましい。 The mineralizer precipitation region can be set outside the reaction vessel. That is, conditions can be set so that the mineralizer does not substantially precipitate in the reaction vessel, and can be set to precipitate outside the reaction vessel. For example, it is possible to set a mineralizer precipitation vessel installed outside the reaction vessel in the mineralizer precipitation region and deposit the mineralizer in the mineralizer precipitation vessel. Moreover, without providing such a mineralizer precipitation container, a part of piping can be set to a mineralizer precipitation area | region, and a mineralizer can also be deposited in piping. In that case, the inner diameter of the pipe is made thicker, or a precipitation auxiliary tool is installed in the pipe to make it easy for the mineralizer to precipitate intensively. It is preferable to devise so that the flow path is not excessively narrowed.
(析出補助具)
析出補助具は、反応容器内外を問わず、鉱化剤析出領域に設置することができる。例えば、反応容器や配管内壁と同じ材質の表面を有する棒状体や板状体を例示することができる。棒状体は、複数本が組み合わされた柵状体、編目状体であっても構わない。そのような棒状体の径は、0.1mm以上であることが好ましく、0.2mm以上であることがより好ましい。また、3mm以下であることが好ましく、2mm以下であることがより好ましい。これらの析出補助具は、鉱化剤析出領域を横断するように設置してもよいし、その一部に設置してもよい。また、別の目的で反応容器内に用いられる部材を析出補助具として用いてもよい。例えば、種結晶保持枠や種結晶保持用ワイヤーを析出補助具として機能させてもよい。析出補助具は、設置する容器や配管内の断面積に対してあまり大きな面積を占めるものであると、析出した鉱化剤により容器や配管を閉塞させる危険性が高まる。このため、析出補助具が占める面積は、容器や配管内の断面積の98%を上回らないようにすることが好ましく、95%を上回らないようにすることがより好ましい。
(Precipitation aid)
The deposition aid can be installed in the mineralizer deposition region regardless of inside or outside the reaction vessel. For example, a rod-like body or a plate-like body having the same material surface as the reaction vessel or the inner wall of the pipe can be exemplified. The rod-like body may be a fence-like body or a stitch-like body in which a plurality of bars are combined. The diameter of such a rod-shaped body is preferably 0.1 mm or more, and more preferably 0.2 mm or more. Moreover, it is preferable that it is 3 mm or less, and it is more preferable that it is 2 mm or less. These precipitation aids may be installed so as to cross the mineralizer precipitation region, or may be installed in a part thereof. Moreover, you may use the member used in the reaction container for another purpose as a precipitation auxiliary tool. For example, a seed crystal holding frame or a seed crystal holding wire may function as a deposition aid. If the deposition aid occupies a very large area with respect to the cross-sectional area in the container or pipe to be installed, the risk of clogging the container or pipe with the deposited mineralizer increases. For this reason, it is preferable not to exceed 98% of the cross-sectional area in a container or piping, and it is more preferable not to exceed 95% of the area which a precipitation auxiliary tool occupies.
(反応容器外における鉱化剤の精製とそれに用いる装置)
鉱化剤の精製は、反応容器の外で行うことも可能である。この場合は、反応容器とは別に閉回路内に鉱化剤精製用容器を設けておき、そこにおいて上記と同様にして鉱化剤の精製を行うことができる。ここでいう閉回路とは、反応容器と繋げたときに反応容器とともに密閉状態を形成して外気から隔離し、酸素、水分等の不純物混入を抑止することが可能な流路または容器を意味する。また、閉回路は常に反応容器に繋がっている必要はなく、バルブやその他の構造を用いることにより反応容器との間で密閉できる機能を保持したまま、反応容器と分離可能な構造でもよい。このような閉回路と反応容器の接続例としては、例えば、反応容器と反応容器とは別の容器(鉱化剤昇華析出容器)が配管で接続されており、それぞれの容器にバルブが付属し密閉可能な構造となってものが挙げられる。具体例として図3に示す装置を挙げることができる。ここでは、鉱化剤昇華析出容器15に鉱化剤を入れておいて、容器の下方をヒーター26で加熱することによって鉱化剤を昇華させ、容器の上方をヒーター25で昇華温度以下に設定しておいて鉱化剤を析出させることができる。鉱化剤昇華析出容器15内は、鉱化剤昇華精製工程中は真空ポンプ11により脱気しておく。鉱化剤の精製を行った後は、アンモニアボンベ12からアンモニアを鉱化剤昇華析出容器15内に導入してアンモニアと鉱化剤の混合物を形成し、混合物をさらにバルブ10を経由してオートクレーブ1内に導入することができる。
(Purification of mineralizer outside the reaction vessel and equipment used therefor)
The purification of the mineralizer can also be performed outside the reaction vessel. In this case, a mineralizer purification vessel is provided in a closed circuit separately from the reaction vessel, and the mineralizer can be purified there in the same manner as described above. The closed circuit here means a flow path or container that can form a sealed state together with the reaction container when isolated from the outside air when connected to the reaction container, and can suppress contamination of impurities such as oxygen and moisture. . In addition, the closed circuit does not always need to be connected to the reaction vessel, and may have a structure that can be separated from the reaction vessel while maintaining a function of sealing with the reaction vessel by using a valve or other structure. As an example of connection between such a closed circuit and a reaction vessel, for example, a vessel (mineralizer sublimation deposition vessel) separate from the reaction vessel and the reaction vessel is connected by piping, and a valve is attached to each vessel. The thing which becomes a structure which can be sealed is mentioned. A specific example is the apparatus shown in FIG. Here, the mineralizer is put in the mineralizer sublimation precipitation container 15, the mineralizer is sublimated by heating the lower part of the container with the heater 26, and the upper part of the container is set to the sublimation temperature or less with the heater 25. Then, the mineralizer can be deposited. The inside of the mineralizer sublimation precipitation container 15 is deaerated by the vacuum pump 11 during the mineralizer sublimation purification process. After refining the mineralizer, ammonia is introduced into the mineralizer sublimation precipitation vessel 15 from the ammonia cylinder 12 to form a mixture of ammonia and mineralizer, and the mixture is further passed through the valve 10 to autoclave. 1 can be introduced.
本発明では、析出した鉱化剤がなるべく高い純度を保ちながら反応容器へ導入されるようにすることが好ましい。そのためには、例えば、窒化物結晶の成長時に用いる高純度の溶媒を鉱化剤析出領域に導入して精製した鉱化剤と溶媒を混合し、混合物を外気に触れさせることなく配管内を通して反応容器内へ注入する方法を採用することが好ましい。このとき、図3の装置を使用する場合のように、溶媒が鉱化剤加熱昇華領域も通るようにして鉱化剤加熱昇華領域に残存している鉱化剤も一緒に反応容器へ導入してもよいが、鉱化剤加熱昇華領域を通らないように配管して、鉱化剤析出領域に析出した鉱化剤だけを反応容器へ導入するようにすればなお好ましい。そのような態様の具体例を図4に示す。ここでは反応容器1とは別に鉱化剤加熱昇華容器17と鉱化剤析出容器16が設置されている。ヒーター26で鉱化剤加熱昇華容器17の下部に充填された鉱化剤を昇華温度以上に加熱し、ヒーター25で鉱化剤加熱昇華容器内で鉱化剤が析出しないように温度制御するとともに、ヒーター24で鉱化剤析出容器16内で鉱化剤が析出するように制御する。この鉱化剤の昇華精製中は、真空ポンプ11により真空脱気を行う。鉱化剤の昇華精製が終了したら、アンモニアを鉱化剤析出容器16に導入し、アンモニアと鉱化剤の混合物をバルブ10を経由してオートクレーブ1中へ導入する。このような一連の装置の詳細については、使用状況や使用目的に応じて適宜改変することができる。 In the present invention, it is preferable that the precipitated mineralizer is introduced into the reaction vessel while maintaining as high purity as possible. For this purpose, for example, a high-purity solvent used during the growth of nitride crystals is introduced into the mineralizer precipitation region, the purified mineralizer and the solvent are mixed, and the mixture is reacted through the pipe without touching the outside air. It is preferable to employ a method of injecting into the container. At this time, as in the case of using the apparatus of FIG. 3, the mineralizer remaining in the mineralizer heating sublimation region is also introduced into the reaction vessel so that the solvent passes through the mineralizer heating sublimation region. However, it is more preferable that piping is made so as not to pass through the mineralizer heating sublimation region so that only the mineralizer deposited in the mineralizer deposition region is introduced into the reaction vessel. A specific example of such an embodiment is shown in FIG. Here, a mineralizer heating sublimation container 17 and a mineralizer precipitation container 16 are provided separately from the reaction container 1. The mineralizer filled in the lower part of the mineralizer heating sublimation container 17 is heated by the heater 26 to a temperature higher than the sublimation temperature, and the heater 25 controls the temperature so that the mineralizer does not precipitate in the mineralizer heating sublimation container. The mineralizer is controlled to be deposited in the mineralizer deposition vessel 16 by the heater 24. During the sublimation purification of the mineralizer, vacuum deaeration is performed by the vacuum pump 11. When the sublimation purification of the mineralizer is completed, ammonia is introduced into the mineralizer precipitation vessel 16, and a mixture of ammonia and mineralizer is introduced into the autoclave 1 via the valve 10. Details of such a series of devices can be modified as appropriate according to the use situation and purpose of use.
<結晶成長工程>
(種結晶)
本発明にしたがって窒化物結晶を成長させる際には、種結晶を用いることが好ましい。種結晶としては、本発明の製造方法により成長させる窒化物の単結晶を用いることが望ましいが、必ずしも同一の窒化物でなくてもよい。ただし、その場合には、目的の窒化物と一致し、もしくは適合した格子定数、結晶格子のサイズパラメータを有する種結晶であるか、またはヘテロエピタキシー(すなわち若干の原子の結晶学的位置の一致)を保証するよう配位した単結晶材料片もしくは多結晶材料片から構成されている種結晶を用いる必要がある。種結晶の具体例としては、例えば窒化ガリウム(GaN)を成長させる場合、GaNの単結晶の他、窒化アルミニウム(AlN)等の窒化物単結晶、酸化亜鉛(ZnO)の単結晶、炭化ケイ素(SiC)の単結晶、サファイア(Al2O3)等が挙げられる。
<Crystal growth process>
(Seed crystal)
When growing a nitride crystal according to the present invention, it is preferable to use a seed crystal. As a seed crystal, it is desirable to use a single crystal of nitride grown by the manufacturing method of the present invention, but it is not always necessary to use the same nitride. However, in that case, it is a seed crystal having a lattice constant, crystal lattice size parameter that matches or matches the target nitride, or heteroepitaxy (ie, coincidence of crystallographic positions of some atoms) It is necessary to use a seed crystal composed of a single crystal material piece or a polycrystalline material piece coordinated so as to guarantee the above. As specific examples of seed crystals, for example, when growing gallium nitride (GaN), in addition to a single crystal of GaN, a single crystal of nitride such as aluminum nitride (AlN), a single crystal of zinc oxide (ZnO), silicon carbide ( SiC) single crystal, sapphire (Al 2 O 3 ), and the like.
種結晶は、溶媒への溶解度および鉱化剤との反応性を考慮して決定することができる。例えば、GaNの種結晶としては、MOCVD法やHVPE法でサファイア等の異種基板上にエピタキシャル成長させた後に剥離させて得た単結晶、金属GaからNaやLi、Biをフラックスとして結晶成長させて得た単結晶、LPE法を用いて得たホモ/ヘテロエピタキシャル成長させた単結晶、本発明法を含む溶液成長法に基づき作製された単結晶およびそれらを切断した結晶などを用いることができる。 The seed crystal can be determined in consideration of solubility in a solvent and reactivity with a mineralizer. For example, as a seed crystal of GaN, a single crystal obtained by epitaxial growth on a dissimilar substrate such as sapphire by MOCVD method or HVPE method and then exfoliated, and obtained by crystal growth of Na, Li, Bi from metal Ga as a flux. In addition, single crystals grown by homo / heteroepitaxial growth using the LPE method, single crystals prepared based on the solution growth method including the method of the present invention, and crystals obtained by cutting them can be used.
(溶媒)
本発明では、溶媒として特に限定されないが、通常、窒素を含有する溶媒を用いる。窒素を含有する溶媒としては、成長させる窒化物単結晶の安定性を損なうことのない溶媒を挙げることができ、具体的には、アンモニア、ヒドラジン、尿素、アミン類(例えば、メチルアミンのような第1級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミン)、メラミン等を挙げることができる。これらの溶媒は単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。本発明では、アンモニアを溶媒として用いることが特に好ましい。
本発明で用いる溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000ppm以下であることが好ましく、10ppm以下であることがより好ましく、0.1ppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上であり、特に好ましくは99.9999%以上である。
(solvent)
In the present invention, the solvent is not particularly limited, but a nitrogen-containing solvent is usually used. Examples of the nitrogen-containing solvent include solvents that do not impair the stability of the nitride single crystal to be grown. Specifically, ammonia, hydrazine, urea, amines (for example, methylamine) Primary amines, secondary amines such as dimethylamine, tertiary amines such as trimethylamine, diamines such as ethylenediamine, and melamine. These solvents may be used alone or in combination. In the present invention, it is particularly preferable to use ammonia as a solvent.
The amount of water and oxygen contained in the solvent used in the present invention is desirably as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, and preferably 0.1 ppm or less. Further preferred. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. .
(原料)
本発明では、成長させようとしている窒化物結晶を構成する元素を含む原料を用いる。例えば、周期表13族金属の窒化物結晶を成長させようとする場合は、周期表13族金属を含む原料を用いる。好ましくは13族窒化物結晶の多結晶原料および/またはガリウムであり、より好ましくは窒化ガリウムおよび/またはガリウムである。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によっては13族元素がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有してもよく、例えば、結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。
本発明において原料として用いる多結晶原料の製造方法は、特に制限されない。例えば、アンモニアガスを流通させた反応容器内で、金属またはその酸化物もしくは水酸化物をアンモニアと反応させることにより生成した窒化物多結晶を用いることができる。また、より反応性の高い金属化合物原料として、ハロゲン化物、アミド化合物、イミド化合物、ガラザンなどの共有結合性M−N結合を有する化合物などを用いることができる。さらに、Gaなどの金属を高温高圧で窒素と反応させて作製した窒化物多結晶を用いることもできる。
本発明において原料として用いる多結晶原料に含まれる水や酸素の量は、少ないことが好ましい。本発明で用いる多結晶原料は、酸素濃度が1×1018atom/cm3以下であるものを用いることが好ましく、1×1017atom/cm3以下であるものを用いることが好ましく、1×1016atom/cm3以下であるものを用いることがさらに好ましい。
(material)
In the present invention, a raw material containing an element constituting the nitride crystal to be grown is used. For example, when a nitride crystal of a periodic table 13 group metal is to be grown, a raw material containing a periodic table 13 group metal is used. Preferred is a polycrystalline raw material of group 13 nitride crystal and / or gallium, and more preferred is gallium nitride and / or gallium. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component in which the group 13 element is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the crystal is gallium nitride Is a mixture of gallium nitride and metal gallium.
The manufacturing method of the polycrystalline raw material used as a raw material in the present invention is not particularly limited. For example, a nitride polycrystal produced by reacting a metal or an oxide or hydroxide thereof with ammonia in a reaction vessel in which ammonia gas is circulated can be used. In addition, as a metal compound raw material having higher reactivity, a compound having a covalent MN bond such as a halide, an amide compound, an imide compound, or galazan can be used. Furthermore, a nitride polycrystal produced by reacting a metal such as Ga with nitrogen at a high temperature and a high pressure can also be used.
The amount of water and oxygen contained in the polycrystalline raw material used as the raw material in the present invention is preferably small. The polycrystalline raw material used in the present invention is preferably one having an oxygen concentration of 1 × 10 18 atom / cm 3 or less, preferably 1 × 10 17 atom / cm 3 or less, preferably 1 × It is more preferable to use one having a density of 10 16 atom / cm 3 or less.
(反応容器)
本発明の製造方法において、結晶成長工程は反応容器中で実施する。
本発明に用いる反応容器は、窒化物結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るもの中から選択する。反応容器は、特表2003−511326号公報(国際公開第01/024921号パンフレット)や特表2007−509507号公報(国際公開第2005/043638号パンフレット)に記載されるように反応容器の外から反応容器とその内容物にかける圧力を調整する機構を備えたものであってもよいし、そのような機構を有さないオートクレーブであってもよい。
本発明に用いる反応容器は、耐圧性と耐食性を有する材料で構成されているものが好ましく、特にアンモニア等の溶媒に対する耐食性に優れたNi系の合金、ステライト(デロロ・ステライト・カンパニー・インコーポレーテッドの登録商標)等のCo系合金を用いることが好ましい。より好ましくはNi系の合金であり、具体的には、Inconel625(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標、以下同じ)、Nimonic90(Nimonicはスペシャル メタルズ ウィギン リミテッドの登録商標、以下同じ)、RENE41(Teledyne Allvac, Incの登録商標)、Inconel718(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標)、ハステロイ(Haynes International,Incの登録商標)、ワスパロイ(United Technologies,Inc.の登録商標)が挙げられる。
(Reaction vessel)
In the production method of the present invention, the crystal growth step is carried out in a reaction vessel.
The reaction vessel used in the present invention is selected from those capable of withstanding the high temperature and high pressure conditions when growing nitride crystals. The reaction vessel is formed from the outside of the reaction vessel as described in JP-T-2003-511326 (International Publication No. 01/024921 pamphlet) and JP-T-2007-509507 (International Publication No. 2005/043638 pamphlet). It may be provided with a mechanism for adjusting the pressure applied to the reaction vessel and its contents, or may be an autoclave not having such a mechanism.
The reaction vessel used in the present invention is preferably composed of a material having pressure resistance and corrosion resistance. In particular, a Ni-based alloy having excellent corrosion resistance against a solvent such as ammonia, Stellite (from Deloro Stellite Company, Inc.) It is preferable to use a Co-based alloy such as a registered trademark. More preferably, it is an Ni-based alloy. Specifically, Inconel 625 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same shall apply hereinafter), Nimonic 90 (Nimonic is a registered trademark of Special Metals Wiggin Limited, hereinafter the same), RENE41 (Teledyne Allvac, Inc.), Inconel 718 (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited), Hastelloy (registered trademark of Haynes International, Inc.), Waspaloy (registered trademark of United Technologies, Inc.).
これらの合金の組成比率は、反応容器内の溶媒の温度や圧力条件、および反応容器内で用いる鉱化剤およびそれらの反応物との反応性および/または酸化力・還元力、pHの条件に従い、適宜選択すればよい。これらを反応容器の内面を構成する材料として用いるには、反応容器自体をこれらの合金を用いて製造してもよく、内筒(カプセル)として薄膜を形成して反応容器内に設置してもよく、任意の反応容器の材料の内面にメッキ処理を施してもよい。 The composition ratio of these alloys depends on the temperature and pressure conditions of the solvent in the reaction vessel, and the reactivity with mineralizers and their reactants used in the reaction vessel and / or the oxidizing power / reducing power and pH. It may be selected as appropriate. In order to use these as materials constituting the inner surface of the reaction vessel, the reaction vessel itself may be manufactured using these alloys, or a thin film may be formed as an inner cylinder (capsule) and installed in the reaction vessel. In addition, the inner surface of the material of any reaction vessel may be plated.
反応容器の耐食性をより向上させるために、貴金属の優れた耐食性を利用して、貴金属を反応容器の内表面をライニングまたはコーティングしてもよい。また、反応容器の材質を貴金属とすることもできる。ここでいう貴金属としては、Pt、Au、Ir、Ru、Rh、Pd、Ag、およびこれらの貴金属を主成分とする合金が挙げられ、中でも優れた耐食性を有するPtを用いることが好ましい。 In order to further improve the corrosion resistance of the reaction vessel, the inner surface of the reaction vessel may be lined or coated using the excellent corrosion resistance of the noble metal. Moreover, the material of the reaction vessel can be a noble metal. Examples of the noble metal herein include Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Pd, Ag, and alloys containing these noble metals as main components, and among these, it is preferable to use Pt having excellent corrosion resistance.
本発明の製造方法に用いることができる反応容器を含む結晶製造装置の具体例を図1に示す。ここでは、オートクレーブ1中に内筒として装填されるカプセル20中で結晶成長を行う。カプセル20中は、原料を溶解するための原料溶解領域9と結晶を成長させるための結晶成長領域6から構成されている。原料溶解領域9には原料8とともに溶媒や鉱化剤を入れることができ、結晶成長領域6には種結晶7をワイヤーで吊すなどして設置することができる。原料溶解領域9と結晶成長領域6の間には、2つの領域を区画バッフル板5が設置されている。バッフル板5の開孔率は2〜60%であるものが好ましく、3〜40%であるものがより好ましい。バッフル板の表面の材質は、反応容器であるカプセル20の材料と同一であることが好ましい。また、より耐食性を持たせ、成長させる結晶を高純度化するために、バッフル板の表面は、Ni、Ta、Ti、Nb、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることが好ましく、Pd、Pt、Au、Ir、pBNであることがより好ましく、Ptであることが特に好ましい。 A specific example of a crystal production apparatus including a reaction vessel that can be used in the production method of the present invention is shown in FIG. Here, crystal growth is performed in the capsule 20 loaded as an inner cylinder in the autoclave 1. The capsule 20 includes a raw material dissolution region 9 for dissolving the raw material and a crystal growth region 6 for growing crystals. A solvent and a mineralizer can be placed in the raw material dissolution region 9 together with the raw material 8, and the seed crystal 7 can be installed in the crystal growth region 6 by suspending it with a wire. Between the raw material dissolution region 9 and the crystal growth region 6, a partition baffle plate 5 is installed in two regions. The baffle plate 5 has a hole area ratio of preferably 2 to 60%, more preferably 3 to 40%. The material of the surface of the baffle plate is preferably the same as the material of the capsule 20 that is a reaction vessel. Further, in order to provide more corrosion resistance and to purify the crystal to be grown, the surface of the baffle plate is preferably Ni, Ta, Ti, Nb, Pd, Pt, Au, Ir, pBN, Pd, Pt, Au, Ir, and pBN are more preferable, and Pt is particularly preferable.
図1の結晶製造装置では、オートクレーブ1の内壁とカプセル20の間の空隙には、第2溶媒を充填することができるようになっている。ここには、バルブ10を介して窒素ボンベ13から窒素ガスを充填したり、アンモニアボンベ12からマスフローメーター14で流量を確認したりしながら第2溶媒としてアンモニアを充填することができる。また、真空ポンプ11により必要な減圧を行うこともできる。なお、本発明の製造方法を実施する際に用いる結晶製造装置には、バルブ、マスフローメーター、導管は必ずしも設置されていなくてもよい。 In the crystal manufacturing apparatus of FIG. 1, the gap between the inner wall of the autoclave 1 and the capsule 20 can be filled with the second solvent. Here, ammonia can be filled as the second solvent while filling the nitrogen gas from the nitrogen cylinder 13 through the valve 10 or confirming the flow rate from the ammonia cylinder 12 with the mass flow meter 14. In addition, the vacuum pump 11 can perform necessary pressure reduction. In addition, a valve, a mass flow meter, and a conduit are not necessarily installed in the crystal manufacturing apparatus used when the manufacturing method of the present invention is carried out.
本発明の製造方法に用いることができる別の結晶製造装置の具体例を図2に示す。この結晶製造装置では、カプセルを使用せず、オートクレーブ内で結晶成長を行う。
オートクレーブにより耐食性を持たせるためにライニングを使用することもできる。ライニングする材料として、Pt、Ir、Ag、Pd、Rh、Cu、AuおよびCのうち少なくとも一種類以上の金属または元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金または化合物であることが好ましく、より好ましくは、ライニングがしやすいという理由でPt,Ag、CuおよびCのうち少なくとも一種類以上の金属または元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金または化合物である。例えば、Pt単体、Pt−Ir合金、Ag単体、Cu単体やグラファイトなどが挙げられる。
A specific example of another crystal manufacturing apparatus that can be used in the manufacturing method of the present invention is shown in FIG. In this crystal manufacturing apparatus, crystals are grown in an autoclave without using capsules.
Lining can also be used to provide corrosion resistance by autoclaving. The lining material is preferably at least one metal or element of Pt, Ir, Ag, Pd, Rh, Cu, Au and C, or an alloy or compound containing at least one metal, More preferably, it is an alloy or compound containing at least one or more kinds of metals or elements of Pt, Ag, Cu and C, or at least one kind of metals because they are easily lined. For example, Pt simple substance, Pt-Ir alloy, Ag simple substance, Cu simple substance, graphite, etc. are mentioned.
(結晶成長工程)
窒化物結晶を成長させる際には、反応容器内に、種結晶、溶媒、原料、および鉱化剤を入れた状態で封止する。鉱化剤を反応容器内において精製する場合は、溶媒を除く成分を入れた状態で鉱化剤の精製を行い、その後に溶媒を導入することが好ましい。鉱化剤を反応容器外において精製する場合は、種結晶と原料が入っている反応容器に、精製した鉱化剤と溶媒を導入することが好ましい。鉱化剤と溶媒は混合して導入してもよいし、別々に導入してもよい。なお、種結晶は、反応容器内表面を構成する貴金属と同様の貴金属製の治具に固定することが好ましい。装填後には、必要に応じて加熱脱気をしてもよい。
(Crystal growth process)
When growing a nitride crystal, sealing is performed in a state where a seed crystal, a solvent, a raw material, and a mineralizer are placed in a reaction vessel. When purifying the mineralizer in the reaction vessel, it is preferable to purify the mineralizer in a state where components other than the solvent are added, and then introduce the solvent. When the mineralizer is purified outside the reaction vessel, it is preferable to introduce the purified mineralizer and solvent into the reaction vessel containing the seed crystal and the raw material. The mineralizer and the solvent may be introduced by mixing or may be introduced separately. The seed crystal is preferably fixed to a noble metal jig similar to the noble metal constituting the inner surface of the reaction vessel. After loading, heat deaeration may be performed as necessary.
図1に示す製造装置を用いる場合は、反応容器であるカプセル20内に種結晶、溶媒、原料、および鉱化剤を入れて封止した後に、カプセル20をオートクレーブ(耐圧性容器)1内に装填し、好ましくは耐圧性容器と該反応容器の間の空隙に第2溶媒を充填して耐圧性容器を密閉する。 When the production apparatus shown in FIG. 1 is used, seed capsules, a solvent, a raw material, and a mineralizer are put in a capsule 20 that is a reaction vessel and sealed, and then the capsule 20 is placed in an autoclave (pressure-resistant vessel) 1. The pressure-resistant container is preferably sealed by filling the space between the pressure-resistant container and the reaction container with a second solvent.
その後、全体を加熱して反応容器内を超臨界状態および/または亜臨界状態とする。超臨界状態では一般的には、粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を意味する。例えば、原料充填部では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長部では亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。 Thereafter, the whole is heated to bring the inside of the reaction vessel into a supercritical state and / or a subcritical state. In the supercritical state, the viscosity is generally low and it is more easily diffused than the liquid, but has the same solvating power as the liquid. The subcritical state means a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material filling part, the raw material is melted as a supercritical state, and in the crystal growth part, the temperature is changed so as to be in the subcritical state, and crystal growth utilizing the difference in solubility between the supercritical state and the subcritical state raw material is also performed. Is possible.
超臨界状態にする場合、反応混合物は、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持する。アンモニア溶媒を用いた場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、反応容器の容積に対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力を遥かに越える。本発明において「超臨界状態」とは、このような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は、一定の容積の反応容器内に封入されているので、温度上昇は流体の圧力を増大させる。一般に、T>Tc(1つの溶媒の臨界温度)およびP>Pc(1つの溶媒の臨界圧力)であれば、流体は超臨界状態にある。 When in the supercritical state, the reaction mixture is generally maintained at a temperature above the critical point of the solvent. When an ammonia solvent is used, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa. However, if the filling rate with respect to the volume of the reaction vessel is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. In the present invention, the “supercritical state” includes such a state exceeding the critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed in a constant volume reaction vessel, the increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, if T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in a supercritical state.
超臨界条件では、窒化物結晶の十分な成長速度が得られる。反応時間は、特に鉱化剤の反応性および熱力学的パラメータ、すなわち温度および圧力の数値に依存する。窒化物結晶の合成中あるいは成長中、反応容器内の圧力は120MPa以上にすることが好ましく、150MPa以上にすることがより好ましく、180MPa以上にすることがさらに好ましい。また、反応容器内の圧力は700MPa以下にすることが好ましく、500MPa以下にすることがより好ましく、350MPa以下にすることがさらに好ましく、300MPa以下にすることが特に好ましい。圧力は、温度および反応容器の容積に対する溶媒体積の充填率によって適宜決定される。本来、反応容器内の圧力は、温度と充填率によって一義的に決まるものではあるが、実際には、原料、鉱化剤などの添加物、反応容器内の温度の不均一性、およびフリー容積の存在によって多少異なる。 Under supercritical conditions, a sufficient growth rate of nitride crystals can be obtained. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. During the synthesis or growth of the nitride crystal, the pressure in the reaction vessel is preferably 120 MPa or more, more preferably 150 MPa or more, and further preferably 180 MPa or more. The pressure in the reaction vessel is preferably 700 MPa or less, more preferably 500 MPa or less, further preferably 350 MPa or less, and particularly preferably 300 MPa or less. The pressure is appropriately determined depending on the filling rate of the solvent volume with respect to the temperature and the volume of the reaction vessel. Originally, the pressure in the reaction vessel is uniquely determined by the temperature and the filling rate, but in reality, the raw materials, additives such as mineralizers, temperature heterogeneity in the reaction vessel, and free volume Depending on the presence of
反応容器内の温度範囲は、下限値が500℃以上であることが好ましく、515℃以上であることがより好ましく、530℃以上であることがさらに好ましい。上限値は、700℃以下であることが好ましく、650℃以下であることがより好ましく、630℃以下であることがさらに好ましい。本発明の製造方法では、反応容器内における原料溶解領域の温度が、結晶成長領域の温度よりも高いことが好ましい。温度差は、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましく、100℃以下であることが好ましく、80℃以下であることがより好ましい。反応容器内の最適な温度や圧力は、結晶成長の際に用いる鉱化剤や添加剤の種類や使用量等によって、適宜決定することができる。 The lower limit of the temperature range in the reaction vessel is preferably 500 ° C or higher, more preferably 515 ° C or higher, and further preferably 530 ° C or higher. The upper limit value is preferably 700 ° C. or lower, more preferably 650 ° C. or lower, and further preferably 630 ° C. or lower. In the production method of the present invention, the temperature of the raw material dissolution region in the reaction vessel is preferably higher than the temperature of the crystal growth region. The temperature difference is preferably 5 ° C. or more, more preferably 10 ° C. or more, preferably 100 ° C. or less, and more preferably 80 ° C. or less. The optimum temperature and pressure in the reaction vessel can be appropriately determined depending on the type and amount of mineralizer and additive used during crystal growth.
上記の反応容器内の温度範囲、圧力範囲を達成するための反応容器への溶媒の注入割合、すなわち充填率は、反応容器のフリー容積、すなわち、反応容器に多結晶原料、および種結晶を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積の溶媒の沸点における液体密度を基準として、通常20〜95%、好ましくは30〜80%、さらに好ましくは40〜70%とする。 In order to achieve the above temperature range and pressure range in the reaction vessel, the injection rate of the solvent into the reaction vessel, that is, the filling rate is the free volume of the reaction vessel, that is, the polycrystalline raw material and the seed crystal are used in the reaction vessel. In this case, subtract the volume of the seed crystal and the structure where it is installed from the volume of the reaction vessel, and if a baffle plate is installed, subtract the volume of the baffle plate from the volume of the reaction vessel. Based on the liquid density at the boiling point of the remaining volume of solvent, it is usually 20 to 95%, preferably 30 to 80%, and more preferably 40 to 70%.
反応容器内での窒化物結晶の成長は、熱電対を有する電気炉などを用いて反応容器を加熱昇温することにより、反応容器内をアンモニア等の溶媒の亜臨界状態または超臨界状態に保持することにより行われる。加熱の方法、所定の反応温度への昇温速度に付いては特に限定されないが、通常、数時間から数日かけて行われる。必要に応じて、多段の昇温を行ったり、温度域において昇温スピードを変えたりすることもできる。また、部分的に冷却しながら加熱したりすることもできる。
なお、上記の「反応温度」は、反応容器の外面に接するように設けられた熱電対、および/または外表面から一定の深さの穴に差し込まれた熱電対によって測定され、反応容器の内部温度へ換算して推定することができる。これら熱電対で測定された温度の平均値をもって平均温度とする。通常は、原料溶解領域の温度と結晶成長領域の温度の平均値を平均温度とする。
The growth of nitride crystals in the reaction vessel is maintained in a subcritical or supercritical state of a solvent such as ammonia by heating and heating the reaction vessel using an electric furnace having a thermocouple. Is done. The heating method and the rate of temperature increase to a predetermined reaction temperature are not particularly limited, but are usually performed over several hours to several days. If necessary, the temperature can be raised in multiple stages, or the temperature raising speed can be changed in the temperature range. It can also be heated while being partially cooled.
The above “reaction temperature” is measured by a thermocouple provided so as to be in contact with the outer surface of the reaction vessel and / or a thermocouple inserted into a hole having a certain depth from the outer surface. It can be estimated in terms of temperature. The average value of the temperatures measured with these thermocouples is taken as the average temperature. Usually, an average value of the temperature of the raw material melting region and the temperature of the crystal growth region is defined as the average temperature.
所定の温度に達した後の反応時間については、窒化物結晶の種類、用いる原料、鉱化剤の種類、製造する結晶の大きさや量によっても異なるが、通常、数時間から数百日とすることができる。反応中、反応温度は一定にしてもよいし、徐々に昇温または降温させることもできる。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、降温させる。降温方法は特に限定されないが、ヒーターの加熱を停止してそのまま炉内に反応容器を設置したまま放冷してもかまわないし、反応容器を電気炉から取り外して空冷してもかまわない。必要であれば、冷媒を用いて急冷することも好適に用いられる。 The reaction time after reaching a predetermined temperature varies depending on the type of nitride crystal, the raw material used, the type of mineralizer, and the size and amount of the crystal to be produced, but is usually several hours to several hundred days. be able to. During the reaction, the reaction temperature may be constant, or the temperature may be gradually raised or lowered. After a reaction time for producing desired crystals, the temperature is lowered. The temperature lowering method is not particularly limited, but the heating may be stopped while the heating of the heater is stopped and the reaction vessel is installed in the furnace as it is, or the reaction vessel may be removed from the electric furnace and air cooled. If necessary, quenching with a refrigerant is also preferably used.
反応容器外面の温度、あるいは推定される反応容器内部の温度が所定温度以下になった後、反応容器を開栓する。このときの所定温度は特に限定はなく、通常、−80℃〜200℃、好ましくは−33℃〜100℃である。ここで、反応容器に付属したバルブの配管接続口に配管を接続し、水などを満たした容器に通じておき、バルブを開けてもよい。さらに必要に応じて、真空状態にするなどして反応容器内のアンモニア溶媒を十分に除去した後、乾燥し、反応容器の蓋等を開けて生成した窒化物結晶および未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。 After the temperature of the outer surface of the reaction vessel or the estimated temperature inside the reaction vessel is below a predetermined temperature, the reaction vessel is opened. The predetermined temperature at this time is not particularly limited, and is usually −80 ° C. to 200 ° C., preferably −33 ° C. to 100 ° C. Here, the valve may be opened by connecting a pipe to the pipe connection port of the valve attached to the reaction vessel, leading to a vessel filled with water or the like. Furthermore, if necessary, remove the ammonia solvent in the reaction vessel sufficiently by applying a vacuum, etc., then dry, open the reaction vessel lid, etc., and generate nitride crystals and unreacted raw materials and mineralization. Additives such as agents can be removed.
なお、本発明の製造方法にしたがって窒化ガリウムを製造する場合、上記以外の材料、製造条件、製造装置、工程の詳細については特開2009−263229号公報を好ましく参照することができる。該公開公報の開示全体を本明細書に引用して援用する。 In addition, when manufacturing gallium nitride according to the manufacturing method of this invention, Unexamined-Japanese-Patent No. 2009-263229 can be referred preferably for the detail of materials other than the above, manufacturing conditions, a manufacturing apparatus, and a process. The entire disclosure of this publication is incorporated herein by reference.
(窒化物結晶)
本発明にしたがって精製した鉱化剤を使用すれば、従来法にしたがって精製せずに鉱化剤を使用した場合に比べて、結晶成長後に得られる窒化物結晶の酸素濃度が顕著に低くなる。本発明のソルボサーマル法により得られる窒化物結晶の酸素濃度は、通常1×1019atom/cm3以下であり、好ましくは5×1018atom/cm3以下であり、より好ましくは5×1017atom/cm3以下であり、さらに好ましくは5×1016atom/cm3以下である。このような低い酸素濃度は、従来の固体鉱化剤を添加するソルボサーマル法では達成が困難であったレベルである。
(Nitride crystals)
When the mineralizer purified according to the present invention is used, the oxygen concentration of the nitride crystal obtained after crystal growth is significantly lower than when the mineralizer is used without purification according to the conventional method. The oxygen concentration of the nitride crystal obtained by the solvothermal method of the present invention is usually 1 × 10 19 atom / cm 3 or less, preferably 5 × 10 18 atom / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 10. 17 atom / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 16 atom / cm 3 or less. Such a low oxygen concentration is a level that has been difficult to achieve by the solvothermal method in which a conventional solid mineralizer is added.
また、本発明のソルボサーマル法により得られる窒化物結晶は、従来のソルボサーマル法により得られる窒化物結晶に比べて、シリコン濃度が低いという特徴も有する。本発明のソルボサーマル法により得られる窒化物結晶のシリコン濃度は、通常5×1018atom/cm3以下であり、好ましくは1×1018atom/cm3以下であり、より好ましくは5×1017atom/cm3以下である。
さらに、本発明のソルボサーマル法により得られる窒化物結晶は、貫通転位密度が低いという特徴も有する。また、本発明のソルボサーマル法により得られる窒化物結晶は、格子面のそりが小さいという特徴も有する。
The nitride crystal obtained by the solvothermal method of the present invention is also characterized by a lower silicon concentration than the nitride crystal obtained by the conventional solvothermal method. The silicon concentration of the nitride crystal obtained by the solvothermal method of the present invention is usually 5 × 10 18 atom / cm 3 or less, preferably 1 × 10 18 atom / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 10. 17 atom / cm 3 or less.
Furthermore, the nitride crystal obtained by the solvothermal method of the present invention is also characterized by a low threading dislocation density. Further, the nitride crystal obtained by the solvothermal method of the present invention has a feature that the warpage of the lattice plane is small.
本発明のソルボサーマル法により得られる窒化物結晶の種類は、選択する結晶成長用原料の種類等によって決まる。本発明によれば、周期表13族金属の窒化物結晶を好ましく成長させることができ、ガリウム含有窒化物結晶をより好ましく成長させることができる。具体的には、窒化ガリウム結晶の成長に好ましく利用することができる。
本発明のソルボサーマル法によれば、比較的、径が大きな結晶も得ることができる。例えば、最大径が50mm以上である窒化物結晶や、より好ましくは最大径が76mm以上である窒化物結晶や、さらに好ましくは最大径が100mm以上である窒化物結晶を得ることも可能である。従来よりも不純物が少ない環境下で成長するため、より大きな面積で均一な成長が実現できる。
The type of nitride crystal obtained by the solvothermal method of the present invention depends on the type of crystal growth raw material to be selected. According to the present invention, a nitride crystal of Group 13 metal of the periodic table can be preferably grown, and a gallium-containing nitride crystal can be more preferably grown. Specifically, it can be preferably used for the growth of gallium nitride crystals.
According to the solvothermal method of the present invention, a crystal having a relatively large diameter can be obtained. For example, it is possible to obtain a nitride crystal having a maximum diameter of 50 mm or more, more preferably a nitride crystal having a maximum diameter of 76 mm or more, and even more preferably a nitride crystal having a maximum diameter of 100 mm or more. Since it grows in an environment with fewer impurities than before, uniform growth can be realized in a larger area.
以下に試験例と実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。 The features of the present invention will be described more specifically with reference to test examples, examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.
<試験例> 鉱化剤昇華精製試験
図5の製造装置を用いてGaN結晶を製造した。
内径60mm、長さ900mmのPt−Ir合金製カプセル20を用いてヨウ化アンモニウムの昇華実験を行なった。実際の育成条件に近づけるために、カプセル下部に2000gの多結晶GaN8を充填し、純度4Nのヨウ化アンモニウム試薬を58.42g投入した。試薬は濃い黄色から薄いオレンジ色を呈しており水分を吸着していることが示唆された。ほぼ中間の位置にバッフル板5を設置し、上部にPt製の種結晶保持枠を設置した。最後にPt−Ir合金製のキャップを溶接により取り付けた。キャップ上部にはガス注入および真空引きのためのチューブが付属している。カプセルの密閉性を確認するために窒素ガスを充填し約0.2MPaまで圧力を張った。続いて水槽にカプセルを入れてバブルの発生の有無を確認しガスの漏れが無いことを確認した。続いてチューブを真空ポンプ11に接続し1×10-1Torrまで減圧と乾燥窒素パージを数回繰り返した後、真空度が1×10-3Torrまで減圧した。カプセルの外側にラバーヒータを上半分と下半分にそれぞれ巻きつけ、上部(T2)を120℃、下部(T1)を150℃まで約15分かけて昇温した。昇温中は水分の蒸気圧によるものと考えられる真空度の低下が見られ真空度は1×10-1Torrまで悪化した。その後時間の経過とともに水分が減少し真空度は回復に向かった。この温度で2時間保持した後、上部温度はそのままで下部温度(T1)を180℃まで約15分かけて昇温した。この温度で19時間保持した後、真空度は1×10-3Torrに達していた。その状態でバルブを閉じ密閉状態のまま室温まで自然冷却した。キャップを開封しカプセル内を観察したところ、カプセルの内壁および種結晶保持枠の表面を覆うように0.1mmから1mm程度の透明なヨウ化アンモニウム結晶が昇華析出していた。カプセル内壁と種結晶保持枠の表面に昇華析出したヨウ化アンモニウムの重量は35.16gであった。これは投入したヨウ化アンモニウム58.42gの約60%に相当する。更に、昇華せずに下部に残存したヨウ化アンモニウムを観察したところ、実験前は濃い黄色〜薄いオレンジ色だったものがほぼ完全な白色(透明)となっていた。これは昇華しなくても加熱により水分が減少したことを示している。
<Test Example> Mineralizer Sublimation Purification Test A GaN crystal was manufactured using the manufacturing apparatus of FIG.
A sublimation experiment of ammonium iodide was performed using a capsule 20 made of Pt—Ir alloy having an inner diameter of 60 mm and a length of 900 mm. In order to approach the actual growth conditions, 2000 g of polycrystalline GaN 8 was filled at the bottom of the capsule, and 58.42 g of 4N purity ammonium iodide reagent was added. The reagent was dark yellow to light orange, suggesting that it was adsorbing moisture. A baffle plate 5 was installed at a substantially middle position, and a seed crystal holding frame made of Pt was installed at the top. Finally, a Pt—Ir alloy cap was attached by welding. A tube for gas injection and evacuation is attached to the upper part of the cap. In order to confirm the sealing property of the capsule, nitrogen gas was filled and the pressure was increased to about 0.2 MPa. Subsequently, a capsule was put in a water tank, and the presence or absence of bubbles was confirmed to confirm that there was no gas leakage. Subsequently, the tube was connected to the vacuum pump 11 and the pressure reduction and dry nitrogen purge were repeated several times until 1 × 10 −1 Torr, and then the pressure was reduced to 1 × 10 −3 Torr. A rubber heater was wound around the upper and lower halves around the capsule, and the temperature was raised to 120 ° C. for the upper part (T2) and 150 ° C. for the lower part (T1) over about 15 minutes. During the temperature increase, the degree of vacuum, which was considered to be due to the vapor pressure of moisture, was reduced, and the degree of vacuum deteriorated to 1 × 10 −1 Torr. After that, moisture decreased with the passage of time, and the degree of vacuum started to recover. After maintaining at this temperature for 2 hours, the lower temperature (T1) was raised to 180 ° C. over about 15 minutes while maintaining the upper temperature. After holding at this temperature for 19 hours, the degree of vacuum had reached 1 × 10 −3 Torr. In this state, the valve was closed, and it was naturally cooled down to room temperature in a sealed state. When the cap was opened and the inside of the capsule was observed, a transparent ammonium iodide crystal of about 0.1 mm to 1 mm was sublimated and deposited so as to cover the inner wall of the capsule and the surface of the seed crystal holding frame. The weight of ammonium iodide sublimated and precipitated on the inner wall of the capsule and the surface of the seed crystal holding frame was 35.16 g. This corresponds to about 60% of 58.42 g of ammonium iodide charged. Further, when ammonium iodide remaining in the lower part without observing sublimation was observed, what was dark yellow to light orange before the experiment was almost completely white (transparent). This indicates that the moisture was reduced by heating without sublimation.
<実施例> GaN結晶の製造
図1の製造装置を用いてGaN結晶を製造した。なお、鉱化剤昇華精製工程については図5の装置形式にて行った。
内寸が直径30mm、長さ450mmのRENE41製オートクレーブ1(内容積約345cm3)を耐圧性容器として用い、Pt−Ir製カプセル20を反応容器として結晶成長を行った。原料8として多結晶GaN粒子140gを秤量し、カプセル下部領域(原料溶解領域9)内に設置した。原料として使用した多結晶GaN粒子は、使用前にSIMS(二次イオン質量分析装置)により分析した結果、酸素濃度が5×1018atom/cm3であった。次に鉱化剤として純度99.999%のNH4Iと純度99.999%のGaF3をカプセル内に投入した。投入された鉱化剤は下部原料溶解域に堆積したことを確認した。
<Example> Production of GaN Crystal A GaN crystal was produced using the production apparatus of FIG. The mineralizer sublimation purification process was performed in the apparatus format shown in FIG.
Crystal growth was carried out using a RENE41 autoclave 1 (internal volume of about 345 cm 3 ) having an inner diameter of 30 mm and a length of 450 mm as a pressure resistant container, and a Pt—Ir capsule 20 as a reaction container. As raw material 8, 140 g of polycrystalline GaN particles were weighed and placed in the capsule lower region (raw material dissolution region 9). The polycrystalline GaN particles used as the raw material were analyzed by SIMS (secondary ion mass spectrometer) before use, and as a result, the oxygen concentration was 5 × 10 18 atoms / cm 3 . Next, NH 4 I having a purity of 99.999% and GaF 3 having a purity of 99.999% were charged into the capsule as mineralizers. It was confirmed that the supplied mineralizer was deposited in the lower raw material dissolution zone.
さらに下部の原料溶解領域9と上部の結晶成長領域6の間に白金製のバッフル板5を設置した。種結晶7としてHVPE法により成長した六方晶系GaN単結晶のC面を主面とするウェハー(10mmx5mmx0.3mm)2枚とM面を主面とするウェハー(5mm×7.5mm×0.3mm)2枚を用いた。種結晶の主面はCMP(chemical mechanical polishing)仕上げされており、表面粗さは原子間力顕微鏡による計測によりRmsが0.5nm以下であることを確認した。これら種結晶7を直径0.2mmの白金ワイヤーにより白金製種結晶支持枠に吊るし、カプセル上部の結晶成長領域6に設置した。 Further, a platinum baffle plate 5 was installed between the lower raw material melting region 9 and the upper crystal growth region 6. Two wafers (10 mm x 5 mm x 0.3 mm) of the hexagonal GaN single crystal grown by the HVPE method as the seed crystal 7 having a principal surface of C and a wafer having a principal surface of the M surface (5 mm x 7.5 mm x 0.3 mm) ) Two sheets were used. The main surface of the seed crystal was subjected to CMP (chemical mechanical polishing), and the surface roughness was confirmed to be Rms of 0.5 nm or less by measurement with an atomic force microscope. These seed crystals 7 were suspended from a platinum seed crystal support frame by a platinum wire having a diameter of 0.2 mm, and placed in the crystal growth region 6 above the capsule.
つぎにカプセル20の上部にPt−Ir製のキャップをTIG溶接により接続したのち、重量を測定した。キャップ上部に付属したチューブに図1のバルブ10と同様のバルブを図5の通り接続し、真空ポンプ11に通ずるようバルブを操作し真空脱気した。その後バルブを窒素ボンベ13に通ずるように操作しカプセル内を窒素ガスにてパージを行った。前記真空脱気、窒素パージを5回行った後、真空ポンプに繋いだ状態で1×10-2Torrまで真空度を上げ、そのまま真空ポンプを稼動した状態に保った。カプセルの下部原料溶解域と上部結晶成長域にそれぞれラバーヒーターを巻きつけ独立して温度制御が可能となるようにした。上部(T2)を120℃、下部(T1)を150℃まで約15分かけて昇温し、その後2時間保持した。引き続き上部(T2)を120℃のまま、下部(T1)を170℃まで約15分かけて昇温し、その後14時間保持した。14時間保持した後の真空度は1×10-3Torrまで到達していた。バルブを閉じカプセルを室温まで自然冷却したのち、真空状態を維持したままカプセルをドライアイスエタノール溶媒により冷却した。つづいてNH3ボンベ12に通ずるように導管のバルブを操作したのち再びバルブを開け外気に触れることなくNH3を充填した後、再びバルブを閉じた。NH3充填前と充填後の重量の差から充填量を確認した。 Next, a cap made of Pt—Ir was connected to the upper portion of the capsule 20 by TIG welding, and the weight was measured. A valve similar to the valve 10 in FIG. 1 was connected to the tube attached to the upper part of the cap as shown in FIG. 5, and the valve was operated so as to communicate with the vacuum pump 11 to perform vacuum deaeration. Thereafter, the valve was operated so as to pass through the nitrogen cylinder 13 and the inside of the capsule was purged with nitrogen gas. The vacuum degassing and nitrogen purging were carried out five times, and then the degree of vacuum was increased to 1 × 10 −2 Torr while connected to the vacuum pump, and the vacuum pump was kept operating. A rubber heater was wound around each of the lower raw material dissolution zone and the upper crystal growth zone of the capsule to enable independent temperature control. The upper part (T2) was heated to 120 ° C. and the lower part (T1) was heated to 150 ° C. over about 15 minutes, and then held for 2 hours. Subsequently, with the upper part (T2) kept at 120 ° C., the lower part (T1) was heated to 170 ° C. over about 15 minutes, and then kept for 14 hours. After holding for 14 hours, the degree of vacuum reached 1 × 10 −3 Torr. After closing the valve and naturally cooling the capsule to room temperature, the capsule was cooled with a dry ice ethanol solvent while maintaining the vacuum state. Subsequently, the valve of the conduit was operated so as to communicate with the NH 3 cylinder 12, the valve was opened again, NH 3 was filled without touching the outside air, and then the valve was closed again. The filling amount was confirmed from the difference in weight before and after NH 3 filling.
つづいてバルブ10が装着されたオートクレーブ1にカプセル20を挿入した後に蓋を閉じ、オートクレーブ1の重量を計測した。次いでオートクレーブに付属したバルブ10を介して導管を真空ポンプ11に通じるように操作し、バルブを開けて真空脱気した。カプセルと同様に窒素ガスパージを複数回行った。その後、真空状態を維持しながらオートクレーブ1をドライアイスエタノール溶媒によって冷却し、一旦バルブ10を閉じた。次いで導管をNH3ボンベ12に通じるように操作した後、再びバルブ10を開け連続して外気に触れることなくNH3をオートクレーブ1に充填した後、再びバルブ10を閉じた。オートクレーブ1の温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させオートクレーブ1の重量を計測した。NH3充填前の重量との差からNH3の重量を算出し充填量を確認した。 Subsequently, after the capsule 20 was inserted into the autoclave 1 to which the valve 10 was attached, the lid was closed and the weight of the autoclave 1 was measured. Subsequently, the conduit was connected to the vacuum pump 11 through the valve 10 attached to the autoclave, and the valve was opened to perform vacuum deaeration. Nitrogen gas purging was performed several times as in the capsule. Thereafter, the autoclave 1 was cooled with a dry ice ethanol solvent while maintaining the vacuum state, and the valve 10 was once closed. Next, after the conduit was operated to lead to the NH 3 cylinder 12, the valve 10 was opened again, and NH 3 was filled in the autoclave 1 without continuously touching the outside air, and then the valve 10 was closed again. The temperature of the autoclave 1 was returned to room temperature, the outer surface was sufficiently dried, and the weight of the autoclave 1 was measured. The weight of NH 3 was calculated from the difference from the weight before filling with NH 3 to confirm the filling amount.
続いてオートクレーブ1を上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。結晶成長領域が原料溶解領域よりも約20℃低くなるよう平均温度610℃まで9時間かけて昇温し、設定温度に達した後、その温度にて11日間保持した。オートクレーブ内の圧力は215MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。
その後、オートクレーブ1の外面の温度が室温に戻るまで自然冷却し、オートクレーブに付属したバルブ10を開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブ1を計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセル20を取り出した。カプセル上部に付属したチューブに穴を開けカプセル内部からNH3を取り除いた。カプセル内部を確認したところ、C面、M面いずれの種結晶上にも全面に均一に窒化ガリウム結晶が析出していた。SIMSにて結晶中の酸素濃度を測定したところ5×1017atoms/cm3であった。
Subsequently, the autoclave 1 was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature was raised to an average temperature of 610 ° C. over 9 hours so that the crystal growth region was about 20 ° C. lower than the raw material dissolution region, and after reaching the set temperature, the temperature was maintained for 11 days. The pressure in the autoclave was 215 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during the holding was ± 0.3 ° C. or less.
Then, it cooled naturally until the temperature of the outer surface of the autoclave 1 returned to room temperature, the valve 10 attached to the autoclave was opened, and NH 3 in the autoclave was removed. Thereafter, the autoclave 1 was weighed to confirm the discharge of NH 3 , the lid of the autoclave was opened, and the capsule 20 was taken out. A hole was made in the tube attached to the upper part of the capsule to remove NH 3 from the inside of the capsule. When the inside of the capsule was confirmed, gallium nitride crystals were uniformly deposited on the entire surface of the seed crystal on either the C plane or the M plane. When the oxygen concentration in the crystal was measured by SIMS, it was 5 × 10 17 atoms / cm 3 .
<比較例> GaN結晶の製造
図1の製造装置を用いてGaN結晶を製造した。
内寸が直径30mm、長さ450mmのRENE41製オートクレーブ1(内容積約345cm3)を耐圧性容器として用い、Pt−Ir製カプセル20を反応容器として結晶成長を行った。原料8として多結晶GaN粒子100gを秤量し、カプセル下部領域(原料溶解領域9)内に設置した。次に鉱化剤として純度99.999%のNH4Iをカプセル内に投入した。投入された鉱化剤は下部原料溶解域に堆積したことを確認した。
Comparative Example Production of GaN Crystal A GaN crystal was produced using the production apparatus of FIG.
Crystal growth was carried out using a RENE41 autoclave 1 (internal volume of about 345 cm 3 ) having an inner diameter of 30 mm and a length of 450 mm as a pressure resistant container, and a Pt—Ir capsule 20 as a reaction container. As raw material 8, 100 g of polycrystalline GaN particles were weighed and placed in the capsule lower region (raw material dissolution region 9). Next, NH 4 I having a purity of 99.999% was charged into the capsule as a mineralizer. It was confirmed that the supplied mineralizer was deposited in the lower raw material dissolution zone.
上記実施例と同様に種結晶、バッフルを配置し、カプセル20の上部にPt−Ir製のキャップをTIG溶接により接続したのち、重量を測定した。キャップ上部に付属したチューブに図1のバルブ10と同様のバルブを接続し、真空ポンプ11に通ずるようバルブを操作し真空脱気した。その後バルブを窒素ボンベ13に通ずるように操作しカプセル内を窒素ガスにてパージを行った。前記真空脱気、窒素パージを5回行った後、真空ポンプに繋いだ状態で1×10-2Torrまで真空度を上げた。以上の工程は全て室温にて行なわれた。真空状態を維持したままカプセルをドライアイスエタノール溶媒により冷却した。つづいてNH3ボンベ12に通ずるように導管のバルブを操作したのち再びバルブを開け外気に触れることなくNH3を充填した後、再びバルブを閉じた。NH3充填前と充填後の重量の差から充填量を確認した。 A seed crystal and a baffle were arranged in the same manner as in the above example, and a cap made of Pt—Ir was connected to the top of the capsule 20 by TIG welding, and then the weight was measured. A valve similar to the valve 10 in FIG. 1 was connected to the tube attached to the upper part of the cap, and the valve was operated so as to communicate with the vacuum pump 11 to perform vacuum deaeration. Thereafter, the valve was operated so as to pass through the nitrogen cylinder 13 and the inside of the capsule was purged with nitrogen gas. The vacuum degassing and nitrogen purging were performed 5 times, and the degree of vacuum was raised to 1 × 10 −2 Torr while connected to a vacuum pump. All the above steps were performed at room temperature. The capsule was cooled with dry ice ethanol solvent while maintaining the vacuum state. Subsequently, the valve of the conduit was operated so as to communicate with the NH 3 cylinder 12, the valve was opened again, NH 3 was filled without touching the outside air, and then the valve was closed again. The filling amount was confirmed from the difference in weight before and after NH 3 filling.
その後の工程は上記実施例と同様にオートクレーブにカプセルを挿入し、カプセル外にNH3を充填し後、オートクレーブを電気炉にセットして結晶成長を行なった。結晶成長期間は5日間であった。
SIMSにて成長した結晶中の酸素濃度を測定したところ1.1×1019atoms/cm3であった。
In the subsequent steps, the capsule was inserted into the autoclave in the same manner as in the above example, NH 3 was filled outside the capsule, and then the autoclave was set in an electric furnace for crystal growth. The crystal growth period was 5 days.
The oxygen concentration in the crystal grown by SIMS was measured and found to be 1.1 × 10 19 atoms / cm 3 .
上記の実施例と比較例の結果を比較すれば明らかなように、本発明にしたがって鉱化剤を精製してから窒化物結晶を成長させることにより、製造される窒化物結晶中の酸素濃度は大幅に低減することができる。 As is clear from the comparison of the results of the above Examples and Comparative Examples, the oxygen concentration in the produced nitride crystal is increased by purifying the mineralizer according to the present invention and then growing the nitride crystal. It can be greatly reduced.
本発明のソルボサーマル法による窒化物結晶の製造方法によれば、このように酸素濃度が低くて高純度の窒化物結晶を効率よく成長させることができる。また、そのような窒化物結晶を製造することができる本発明の装置は、大型化して大量生産を図ることも可能であることから、工業的な利用可能性が高い。また、本発明の窒化物結晶は酸素濃度が低くて純度が高いことから、着色が生じにくく、LEDやLDなどのオプトエレクトロニクス用基板を始めとする様々な用途に応用されうる。したがって、本発明は産業上の利用可能性が高い。 According to the method for producing a nitride crystal by the solvothermal method of the present invention, a high-purity nitride crystal having a low oxygen concentration can be efficiently grown. Moreover, since the apparatus of the present invention capable of producing such a nitride crystal can be enlarged and mass-produced, the industrial applicability is high. Further, since the nitride crystal of the present invention has a low oxygen concentration and a high purity, it is difficult to cause coloring, and can be applied to various uses such as optoelectronic substrates such as LEDs and LDs. Therefore, the present invention has high industrial applicability.
1 オートクレーブ
2 オートクレーブ内面
3 ライニング
4 ライニング内面
5 バッフル板
6 結晶成長領域
7 種結晶
8 原料
9 原料溶解領域
10 バルブ
11 真空ポンプ
12 アンモニアボンベ
13 窒素ボンベ
14 マスフローメータ
15 鉱化剤昇華析出容器
16 鉱化剤析出容器
17 鉱化剤加熱昇華容器
20 カプセル
21 カプセル内面
22〜26 ヒーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Autoclave 2 Autoclave inner surface 3 Lining 4 Lining inner surface 5 Baffle plate 6 Crystal growth area 7 Seed crystal 8 Raw material 9 Raw material melting area 10 Valve 11 Vacuum pump 12 Ammonia cylinder 13 Nitrogen cylinder 14 Mass flow meter 15 Mineralizer sublimation precipitation container 16 Mineralization Agent precipitation container 17 Mineralizer heating sublimation container 20 Capsule 21 Capsule inner surface 22-26 Heater
Claims (31)
前記反応容器内にて、溶媒と精製した前記鉱化剤の存在下で、ソルボサーマル法によって反応容器内に入れられた窒化物の結晶成長原料から窒化物結晶を成長させる結晶成長工程とを
含むことを特徴とする、窒化物結晶の製造方法。 A mineralizer sublimation purification step in which the mineralizer is sublimated after being sublimated in a reaction vessel for crystal growth or in a closed circuit connected to the reaction vessel;
A crystal growth step of growing a nitride crystal from a nitride crystal growth raw material placed in the reaction vessel by a solvothermal method in the presence of the solvent and the refined mineralizer in the reaction vessel. A method for producing a nitride crystal.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103132130A (en) * | 2013-03-15 | 2013-06-05 | 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司 | Device and method for growing gallium nitride single crystal by using suspending lining sleeve ammonothermal method |
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