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JP4968708B2 - Method for producing nitride single crystal - Google Patents

Method for producing nitride single crystal Download PDF

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JP4968708B2 JP2006059408A JP2006059408A JP4968708B2 JP 4968708 B2 JP4968708 B2 JP 4968708B2 JP 2006059408 A JP2006059408 A JP 2006059408A JP 2006059408 A JP2006059408 A JP 2006059408A JP 4968708 B2 JP4968708 B2 JP 4968708B2
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勇介 森
史朗 川村
史郎 山崎
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Osaka University NUC
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NGK Insulators Ltd
Osaka University NUC
Toyoda Gosei Co Ltd
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Description

本発明は、窒化物単結晶の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a nitride single crystal .

窒化ガリウム系III-V窒化物は、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。Naフラックス法によって窒化ガリウム単結晶を育成する方法としては、特許文献1では、窒素とアンモニアの混合ガスを用いて10から100気圧としている。特許文献2でも、育成時の雰囲気圧力は100気圧以下であり、実施例では2、3、5MPa(約20気圧、30気圧、50気圧)である。
一方、本出願人は、特許文献3において、熱間等方圧プレス(HIP)装置を用いて特定条件下で効率的に窒化ガリウム単結晶を育成する方法を開示した。
Gallium nitride III-V nitride has attracted attention as an excellent blue light emitting device, has been put to practical use in light emitting diodes, and is also expected as a blue-violet semiconductor laser device for optical pickup. As a method for growing a gallium nitride single crystal by the Na flux method, in Patent Document 1, the pressure is set to 10 to 100 atm using a mixed gas of nitrogen and ammonia. Also in patent document 2, the atmospheric pressure at the time of a cultivation is 100 atmospheres or less, and is 2, 3, 5 MPa (about 20 atmospheres, 30 atmospheres, 50 atmospheres) in an Example.
On the other hand, the present applicant disclosed in Patent Document 3 a method for efficiently growing a gallium nitride single crystal under specific conditions using a hot isostatic press (HIP) apparatus.

特開2002−293696号公報JP 2002-293696 A 特開2003−292400号公報JP 2003-292400 A 特願2004−103092Japanese Patent Application No. 2004-103092 特願2005−70649Japanese Patent Application No. 2005-70649

しかし、このような加熱および加圧装置を用いてフラックス法により結晶育成を行う場合には、以下の問題点が新たに起こることが判明してきた。即ち、従来のマッフル炉を用いる育成では、グローブボックス内で原料を秤量し、ルツボに充填した後、バルブ付きステンレス製密閉容器に封入してから、この密閉容器をグローブボックスから取り出すため、原料が大気に曝されることが無く、大気中の酸素による原料の酸化および大気中の水分との反応を防ぐことができた。しかし、HIP装置内では、上記のバルブ付き密閉容器を使用することができない。HIP装置の耐圧容器のふたを開け、容器内に直接ルツボを配置してからふたをするため、原料が作業中に大気に曝され、酸化または吸湿してしまう問題があった。   However, it has been found that the following problems newly occur when crystal growth is performed by the flux method using such a heating and pressurizing apparatus. That is, in growth using a conventional muffle furnace, raw materials are weighed in a glove box, filled in a crucible, sealed in a stainless steel sealed container with a valve, and then the sealed container is removed from the glove box. It was not exposed to the atmosphere, and it was possible to prevent oxidation of the raw material and reaction with moisture in the atmosphere due to oxygen in the atmosphere. However, the above-mentioned airtight container with a valve cannot be used in the HIP apparatus. Since the lid of the pressure-resistant container of the HIP device is opened and the crucible is placed directly in the container, the lid is closed, so that there is a problem that the raw material is exposed to the atmosphere during work and is oxidized or moisture-absorbed.

この結果、フラックス液面における窒素の溶け込みが阻害され、ガリウムの窒化率が低くなり、かつ黒く着色した窒化ガリウム単結晶が得られることとなった。   As a result, the penetration of nitrogen on the flux surface was inhibited, the gallium nitridation rate was lowered, and a black colored gallium nitride single crystal was obtained.

本発明者は、更に、特許文献4において、Naフラックスの原料を容器に収容し、容器の開口を気密に封止し、加熱および加圧処理時に封止剤を溶融させて開口を開状態とし、容器内部を外部の非酸化性雰囲気に連通させることを開示した。   In addition, in the patent document 4, the present inventor accommodates a raw material of Na flux in a container, hermetically seals the opening of the container, melts the sealant during heating and pressurizing treatment, and opens the opening. Disclosed that the inside of the container communicates with an external non-oxidizing atmosphere.

しかし、このような方法であっても、実際にはまだ改善の余地が残されていることが、本発明者の検討によって判明してきた。即ち、金属ナトリウムなどは、グローブボックス内で秤量しているが、グローブボックスは、露点−80℃であり、酸素濃度1ppm以下という低水分濃度、低酸素濃度環境にある。しかし、このような環境下においても、秤量を行っている数分程度の間に、ナトリウム金属の表面がうっすらと白く変化してくる。秤量作業は、場合によるが、短い場合でも30分間、サンプル数が多い場合には数時間程度かかる。特にサンプル数が多い場合には、露点が徐々に悪化し、ナトリウム金属の表面が変質(酸化、吸湿)しやすくなる。このため、サンプル数が多い場合には、ロットによって、上述したように、フラックス液面における窒素の溶け込みが阻害され、ガリウムの窒化率が低くなり、かつ黒く着色した窒化ガリウム単結晶が得られることが分かった。   However, even with such a method, it has been found by the study of the present inventor that there is still room for improvement in practice. That is, metallic sodium and the like are weighed in a glove box, but the glove box has a dew point of −80 ° C. and is in a low moisture concentration and low oxygen concentration environment with an oxygen concentration of 1 ppm or less. However, even in such an environment, the surface of the sodium metal changes slightly white within a few minutes of weighing. The weighing operation depends on the case, but it takes 30 minutes even if it is short, and several hours when the number of samples is large. In particular, when the number of samples is large, the dew point is gradually deteriorated, and the surface of the sodium metal is likely to be altered (oxidation, moisture absorption). For this reason, when the number of samples is large, as described above, depending on the lot, the penetration of nitrogen on the flux surface is inhibited, the nitridation rate of gallium is lowered, and a gallium nitride single crystal colored black is obtained. I understood.

本発明の課題は、Naフラックスなどのフラックス中で窒化物原料を窒素含有雰囲気下で加熱処理して窒化物単結晶を育成するのに際して、フラックスおよび原料の処理前における不要な酸化、吸湿を防止し、良質の窒化物単結晶を育成することである。 The object of the present invention is to prevent unnecessary oxidation and moisture absorption before processing the flux and the raw material when growing the nitride single crystal by heat-treating the nitride raw material in a nitrogen-containing atmosphere in a flux such as Na flux. Then, it is to grow a good quality nitride single crystal .

本発明は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属および窒化物単結晶の原料を金属スズ箔で被覆した状態で容器に収容し、この容器を窒素含有雰囲気で加圧しながら加熱処理することで、前記金属、原料および金属スズ箔を溶融させ、窒化物単結晶を成長させることを特徴とする。 The present invention accommodates a raw material of one or more metals and nitride single crystals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals in a container covered with a metal tin foil, and the container is contained in a nitrogen-containing atmosphere. The metal, the raw material, and the metal tin foil are melted by heat treatment while applying pressure , and a nitride single crystal is grown .

本発明によれば、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属および窒化物単結晶の原料を金属スズ箔で被覆した状態で容器に収容し、この容器を非酸化性雰囲気下で加熱処理する。この際、前記金属および原料を、これを包む金属スズ箔と共に溶融させ、所定の反応を生じさせる。これによって、前記金属および原料は、秤量時から、金属スズ箔が溶融して窒素含有雰囲気下で反応に供されるときまで、酸化性雰囲気や湿気から遮断される。しかも、本発明においては,金属スズ箔を、非酸化性雰囲気下において、容器内で溶融させて融液中に存在させるものであり、単なる保護膜とは異なり、反応段階まで酸素や湿気から遮蔽されるので、画期的な方法である。 According to the present invention, one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals and nitride single crystal raw materials are housed in a container covered with a metal tin foil, and the container is non-oxidized. Heat treatment in a sexual atmosphere. At this time, the metal and the raw material are melted together with the metal tin foil surrounding the metal and the raw material to cause a predetermined reaction. Thereby, the said metal and raw material are interrupted | blocked from oxidizing atmosphere and moisture from the time of weighing to the time when metal tin foil fuse | melts and it uses for reaction in nitrogen-containing atmosphere. In addition, in the present invention, the metal tin foil is melted in a container and present in the melt in a non-oxidizing atmosphere, and unlike a simple protective film, it is shielded from oxygen and moisture until the reaction stage. So it is an epoch-making method.

以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings as appropriate.

図1に示すように、原料20を非酸化性雰囲気のグローブボックス内で封入し、容器1の内側空間1aに非酸化性雰囲気内で封入する。この容器1には蓋を設けて良い。本例では、原料20は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属および窒化物単結晶の原料からなる。例えば、3は金属ナトリウムであり、4は金属ガリウムであり、5は金属リチウムである。容器1の底部には種結晶基板6を設置しておく。原料20の全体を金属箔2によって隙間なく被覆し、種結晶基板6上に載置する。この状態で容器1をグローブボックスから取り出し、次いでそのまま結晶育成装置内に設置する。 As shown in FIG. 1, the raw material 20 is enclosed in the glove box of non-oxidizing atmosphere, and is enclosed in the inner space 1a of the container 1 in non-oxidizing atmosphere. The container 1 may be provided with a lid. In this example, the raw material 20 is made of one or more metal and nitride single crystal raw materials selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals . For example, 3 is metallic sodium, 4 is metallic gallium, and 5 is metallic lithium. A seed crystal substrate 6 is installed at the bottom of the container 1. The entire raw material 20 is covered with the metal foil 2 without a gap and placed on the seed crystal substrate 6. In this state, the container 1 is taken out from the glove box, and then placed in the crystal growing apparatus as it is.

例えば図2に示す例においては、HIP(熱間等方圧プレス)装置11の圧力容器12の中に外側容器21、容器1を設置する。圧力容器12の外部には、図示しない混合ガスボンベを設ける。混合ガスボンベ内には、所定組成の混合ガスが充填されており、この混合ガスを圧縮機によって圧縮して所定圧力とし、供給管15を通して圧力容器12内に矢印Aのように供給する。この雰囲気中の窒素は窒素源となり、アルゴンガス等の不活性ガスはフラックスの蒸発を抑制する。この圧力は、図示しない圧力計によって監視する。外側容器21、容器1の周囲にはヒーター14が設置されており、容器内の育成温度を制御可能となっている。   For example, in the example shown in FIG. 2, the outer container 21 and the container 1 are installed in the pressure container 12 of the HIP (hot isotropic pressure press) apparatus 11. A gas mixture cylinder (not shown) is provided outside the pressure vessel 12. The mixed gas cylinder is filled with a mixed gas having a predetermined composition. The mixed gas is compressed by a compressor to a predetermined pressure, and is supplied into the pressure vessel 12 through the supply pipe 15 as indicated by an arrow A. Nitrogen in the atmosphere serves as a nitrogen source, and an inert gas such as argon gas suppresses evaporation of the flux. This pressure is monitored by a pressure gauge (not shown). A heater 14 is installed around the outer container 21 and the container 1 so that the growth temperature in the container can be controlled.

圧力容器21内で容器1を加熱および加圧すると、図3に示すように、容器1内で混合原料20がすべて溶解し、かつ金属箔も溶解し、フラックス7を生成する。ここで、所定の単結晶育成条件を保持すれば、内側空間1aから窒素がフラックス7中に安定して供給され、種結晶基板6上に単結晶膜8が成長する。   When the container 1 is heated and pressurized in the pressure container 21, as shown in FIG. 3, the mixed raw material 20 is completely dissolved in the container 1, and the metal foil is also dissolved to generate the flux 7. Here, if predetermined single crystal growth conditions are maintained, nitrogen is stably supplied from the inner space 1 a into the flux 7, and the single crystal film 8 is grown on the seed crystal substrate 6.

ここで、本発明によれば、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属および窒化物単結晶の原料が金属スズ箔によって被覆された状態で、加熱処理反応を行う装置内に運搬され、加熱時に金属箔が溶融して原料と共にフラックスを生成する。従って、前記金属および原料が酸化、吸湿するおそれはなく、フラックス中に窒素が矢印Bのように良好に供給され、窒化物単結晶がバラツキなく育成される。 Here, according to the present invention, the heat treatment reaction is performed in a state where the raw material of one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals and nitride single crystals is covered with the metal tin foil. It is transported into the apparatus, and the metal foil melts during heating to generate a flux together with the raw materials. Therefore, there is no possibility that the metal and the raw material oxidize and absorb moisture, nitrogen is satisfactorily supplied as indicated by arrow B in the flux, and the nitride single crystal is grown without variation.

これに対して、例えばナトリウム金属が酸化、吸湿した場合には、例えば図4に示すように、加熱処理時に、酸化した原料がフラックス10の液面近傍に集まり、窒素がフラックス中に矢印Bのように溶け込むのを妨害する。このため窒素は矢印Cのようにフラックス10の液面上を流れ、フラックス中に良好に供給されない。この結果、種結晶6上に良質な単結晶膜が生産性よく形成されないし、また得られた単結晶に着色などの問題が生ずることがある。   On the other hand, for example, when sodium metal oxidizes and absorbs moisture, as shown in FIG. 4, for example, as shown in FIG. 4, the oxidized raw material gathers in the vicinity of the liquid surface of the flux 10. So as not to melt. For this reason, nitrogen flows on the liquid surface of the flux 10 as shown by an arrow C and is not supplied well into the flux. As a result, a high-quality single crystal film is not formed on the seed crystal 6 with high productivity, and problems such as coloring may occur in the obtained single crystal.

窒素含有雰囲気は、窒素のみからなっていてよいが、窒素以外の非酸化性ガス、例えば、アルゴンなどの不活性ガスや還元性ガスを含有していてよい。   The nitrogen-containing atmosphere may consist only of nitrogen, but may contain a non-oxidizing gas other than nitrogen, for example, an inert gas such as argon or a reducing gas.

また、本発明において、加熱および加圧処理するための装置は特に限定されない。この装置は熱間等方圧プレス装置が好ましいが、それ以外の雰囲気加圧型加熱炉であってもよい。   In the present invention, an apparatus for heating and pressurizing is not particularly limited. This apparatus is preferably a hot isostatic pressing apparatus, but other atmospheric pressure heating furnaces may be used.

易酸化性、易吸湿性物質は、常温下で大気に接触したときに容易に酸化、吸湿が観測される物質を意味しており、例えば1分以内で酸化、吸湿が観測されるような物質を意味する。易酸化性、易吸湿性物質は、粉末の混合物であってよく、また成形体であってよい。   An easily oxidizable and easily hygroscopic substance means a substance that is easily oxidized and absorbed when it comes into contact with the atmosphere at room temperature. For example, a substance that can be oxidized and absorbed within 1 minute. Means. The easily oxidizable and easily hygroscopic substance may be a mixture of powders or a molded body.

本発明においては、易酸化性、易吸湿性物質が、窒化物単結晶育成用のフラックスおよび原料である。このフラックス中には、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属を含有させる。この金属としては、ナトリウム、リチウム、カルシウムが特に好ましく、ナトリウムが最も好ましい。 In the present invention , an easily oxidizable and easily hygroscopic substance is a flux and a raw material for growing a nitride single crystal. The flux contains at least one metal selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals. As this metal, sodium, lithium and calcium are particularly preferable, and sodium is most preferable.

また、このフラックス中には、前記金属以外に例えば以下の金属を添加することができる。
カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウム、錫
またドーパントとして少量の不純物元素を添加することができる。例えば、n型ドーパントとしてシリコンを添加することができる。
In addition to the metal, for example, the following metals can be added to the flux.
Potassium, rubidium, cesium, magnesium, strontium, barium, tin A small amount of an impurity element can be added as a dopant. For example, silicon can be added as an n-type dopant.

本発明の育成方法によって、例えば以下の単結晶を好適に育成できる。
GaN、AlN、InN、これらの混晶(AlGaInN)、BN
For example, the following single crystals can be suitably grown by the growing method of the present invention.
GaN, AlN, InN, mixed crystals of these (AlGaInN), BN

また、本発明においてはアルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属および窒化物単結晶の原料を金属スズ箔で被覆した状態で容器に収容し、この容器を窒素含有雰囲気下で加熱処理する。 In the present invention, one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals and nitride single crystal raw materials are housed in a container covered with a metal tin foil, and the container contains nitrogen. Heat treatment under atmosphere.

本発明は、前述したように、フラックス中での単結晶育成反応に適用する。   As described above, the present invention is applied to a single crystal growth reaction in a flux.

金属スズ箔は、酸化しにくい、吸湿性の低い金属であり、加熱処理温度以下の融点を有する(融点232℃)。 Metal tin foil is a metal that is difficult to oxidize and has low hygroscopicity, and has a melting point equal to or lower than the heat treatment temperature (melting point 232 ° C.).

本発明での加熱温度、圧力は、易酸化性、易吸湿性物質の種類によって選択するので特に限定されない。加熱温度は例えば800〜1200℃とすることができる。また、この上限は特にないが、フラックス法の場合には例えば1500℃以下とすることができる。また、圧力も特に限定されないが、封止手段を圧力によって破壊または除去する実施形態においては、圧力は1MPa以上であることが好ましく、5MPa以上であることが更に好ましい。圧力の上限は特に規定しないが、フラックス法の場合には、例えば200MPa以下とすることができる。   The heating temperature and pressure in the present invention are not particularly limited because they are selected depending on the kind of easily oxidizable and easily hygroscopic substance. The heating temperature can be, for example, 800 to 1200 ° C. Moreover, although there is no upper limit in particular, in the case of the flux method, it can be made into 1500 degreeC or less, for example. Also, the pressure is not particularly limited, but in an embodiment in which the sealing means is destroyed or removed by pressure, the pressure is preferably 1 MPa or more, and more preferably 5 MPa or more. The upper limit of the pressure is not particularly defined, but in the case of the flux method, it can be set to 200 MPa or less, for example.

反応を行うための容器の材質は特に限定されず、目的とする加熱および加圧条件において耐久性のある気密性材料であればよい。こうした材料としては、金属タンタル、タングステン、モリブデンなどの高融点金属、アルミナ、サファイア、イットリアなどの酸化物、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ホウ素などの窒化物セラミックス、タングステンカーバイド、タンタルカーバイドなどの高融点金属の炭化物、p−BN(パイロリティックBN)、p−Gr(パイロリティックグラファイト)などの熱分解生成体が挙げられる。   The material of the container for carrying out the reaction is not particularly limited as long as it is an airtight material that is durable under the intended heating and pressurizing conditions. Examples of such materials include refractory metals such as tantalum, tungsten, and molybdenum, oxides such as alumina, sapphire, and yttria, nitride ceramics such as aluminum nitride, titanium nitride, zirconium nitride, and boron nitride, tungsten carbide, tantalum carbide, and the like. And pyrolytic products such as p-BN (pyrolytic BN) and p-Gr (pyrolytic graphite).

以下、更に具体的な単結晶およびその育成手順について例示する。
(窒化ガリウム単結晶の育成例)
本発明を利用し、少なくともナトリウム金属を含むフラックスを使用して窒化ガリウム単結晶を育成できる。このフラックスには、ガリウム原料物質を混合する。ガリウム原料物質としては、ガリウム単体金属、ガリウム合金、ガリウム化合物を適用できるが、ガリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。
Hereinafter, more specific single crystals and their growth procedures will be exemplified.
(Gallium nitride single crystal growth example)
Using the present invention, a gallium nitride single crystal can be grown using a flux containing at least sodium metal. This flux is mixed with a gallium source material. As the gallium source material, a gallium simple metal, a gallium alloy, and a gallium compound can be applied, but a gallium simple metal is also preferable in terms of handling.

このフラックスには、ナトリウム以外の金属、例えばリチウムを含有させることができる。ガリウム原料物質とナトリウムなどのフラックス原料物質との使用割合は、適宜であってよいが、一般的には、Na過剰量を用いることが考慮される。もちろん、このことは限定的ではない。   This flux can contain metals other than sodium, such as lithium. The usage ratio of the gallium source material and the flux source material such as sodium may be appropriate, but in general, the use of an excess amount of Na is considered. Of course, this is not limiting.

この実施形態においては、窒素ガスを含む混合ガスからなる雰囲気下で、全圧300気圧以上、2000気圧以下の圧力下で窒化ガリウム単結晶を育成する。全圧を300気圧以上とすることによって、例えば900℃以上の高温領域において、更に好ましくは950℃以上の高温領域において、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。この理由は、定かではないが、温度上昇に伴って窒素溶解度が上昇し、育成溶液に窒素が効率的に溶け込むためと推測される。また、雰囲気の全圧を2000気圧以上とすると、高圧ガスの密度と育成溶液の密度がかなり近くなるために、育成溶液を反応を行うための容器内に保持することが困難になるために好ましくない。   In this embodiment, a gallium nitride single crystal is grown under an atmosphere composed of a mixed gas containing nitrogen gas under a total pressure of 300 atm or more and 2000 atm or less. By setting the total pressure to 300 atm or higher, a high-quality gallium nitride single crystal could be grown, for example, in a high temperature region of 900 ° C. or higher, more preferably in a high temperature region of 950 ° C. or higher. The reason for this is not clear, but it is presumed that the nitrogen solubility increases as the temperature rises, and nitrogen is efficiently dissolved in the growing solution. Further, if the total pressure of the atmosphere is 2000 atm or more, the density of the high-pressure gas and the density of the growth solution are considerably close, and therefore it is difficult to hold the growth solution in the container for performing the reaction. Absent.

Figure 0004968708
Figure 0004968708

好適な実施形態においては、育成時雰囲気中の窒素分圧を100気圧以上、2000気圧以下とする。この窒素分圧を100気圧以上とすることによって、例えば1000℃以上の高温領域において、フラックス中への窒素の溶解を促進し、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。この観点からは、雰囲気の窒素分圧を200気圧以上とすることが更に好ましい。また、窒素分圧は実用的には1000気圧以下とすることが好ましい。   In a preferred embodiment, the nitrogen partial pressure in the growth atmosphere is set to 100 atm or more and 2000 atm or less. By setting this nitrogen partial pressure to 100 atm or higher, for example, in a high temperature region of 1000 ° C. or higher, dissolution of nitrogen into the flux was promoted, and a high-quality gallium nitride single crystal could be grown. From this viewpoint, it is more preferable that the nitrogen partial pressure of the atmosphere is 200 atm or more. Further, it is preferable that the nitrogen partial pressure is practically 1000 atm or less.

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。窒素以外のガスの分圧は、全圧から窒素ガス分圧を除いた値である。
好適な実施形態においては、窒化ガリウム単結晶の育成温度は、950℃以上であり、1000℃以上とすることが更に好ましく、このような高温領域においても良質な窒化ガリウム単結晶が育成可能である。また、高温・高圧での育成により、生産性を向上させ得る可能性がある。
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. The partial pressure of a gas other than nitrogen is a value obtained by subtracting the nitrogen gas partial pressure from the total pressure.
In a preferred embodiment, the growth temperature of the gallium nitride single crystal is 950 ° C. or higher, more preferably 1000 ° C. or higher, and a high-quality gallium nitride single crystal can be grown even in such a high temperature region. . Moreover, there is a possibility that productivity can be improved by growing at high temperature and high pressure.

窒化ガリウム単結晶の育成温度の上限は特にないが、育成温度が高すぎると結晶が成長しにくくなるので、1500℃以下とすることが好ましく、この観点からは、1200℃以下とすることが更に好ましい。   The upper limit of the growth temperature of the gallium nitride single crystal is not particularly limited. However, if the growth temperature is too high, the crystal is difficult to grow. Therefore, the temperature is preferably set to 1500 ° C. or lower. From this viewpoint, the temperature is further set to 1200 ° C. or lower. preferable.

窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させるための育成用基板の材質は限定されないが、サファイア、AlNテンプレート、GaNテンプレート、シリコン単結晶、SiC単結晶、MgO単結晶、スピネル(MgAl)、LiAlO、LiGaO、LaAlO,LaGaO,NdGaO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−xBa〕〔(Al1−zGa1−u・D〕O(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(ScAlMgO)も使用できる。 The material of the growth substrate for epitaxially growing the gallium nitride crystal is not limited, but sapphire, AlN template, GaN template, silicon single crystal, SiC single crystal, MgO single crystal, spinel (MgAl 2 O 4 ), LiAlO 2 , LiGaO 2 , perovskite complex oxides such as LaAlO 3 , LaGaO 3 , and NdGaO 3 . The composition formula [A 1-y (Sr 1- x Ba x) y ] [(Al 1-z Ga z) 1-u · D u ] O 3 (A is a rare earth element; D is niobium and One or more elements selected from the group consisting of tantalum; y = 0.3-0.98; x = 0-1; z = 0-1; u = 0.15-0.49; x + z = 0 .1 to 2) cubic perovskite structure composite oxides can also be used. SCAM (ScAlMgO 4 ) can also be used.

(AlN単結晶の育成例)
本発明は、少なくともアルミニウムとアルカリ土類を含むフラックスを含む融液を特定の条件下で窒素含有雰囲気中で加圧することによって、AlN単結晶を育成する場合にも有効であることが確認できた。
(Example of growing AlN single crystal)
The present invention has been confirmed to be effective even when growing an AlN single crystal by pressurizing a melt containing a flux containing at least aluminum and an alkaline earth in a nitrogen-containing atmosphere under specific conditions. .

(実施例1)
図1〜図3を参照しつつ説明した方法に従って、窒化ガリウム単結晶膜を種結晶基板6上に育成した。
Example 1
A gallium nitride single crystal film was grown on the seed crystal substrate 6 according to the method described with reference to FIGS.

具体的には、金属ナトリウム30g、金属ガリウム20g、金属リチウム30mgをグローブボックス内で秤量した。ここで、まず金属ナトリウム3によって金属ガリウム4と金属リチウム5とを包んだ。この作業中に酸化した金属ナトリウムの薄膜を削りとった後、Sn箔2(厚さ50ミクロン、縦5cm、横10cm)を用いて金属ナトリウム3の全体を隙間なくぴったりと包んだ。これらの原料20を、内径φ80mmのアルミナ製容器1に充填した。   Specifically, 30 g of metallic sodium, 20 g of metallic gallium, and 30 mg of metallic lithium were weighed in a glove box. Here, metal gallium 4 and metal lithium 5 were first wrapped with metal sodium 3. After the metal sodium thin film oxidized during this work was scraped off, the entire metal sodium 3 was tightly wrapped without any gaps using Sn foil 2 (thickness 50 microns, length 5 cm, width 10 cm). These raw materials 20 were filled in an alumina container 1 having an inner diameter of φ80 mm.

また、種結晶6として、φ2インチのAlNテンプレート基板、GaNテンプレート基板やGaN単結晶自立基板を用いた。容器1の底に、テンプレートの単結晶薄膜が上向きとなるように、またはGaN単結晶自立基板のGa面が上向きとなるように、基板6を水平に配置した。AlNテンプレートとはAlN単結晶エピタキシャル薄膜をサファイア単結晶基板上に作成したものを言う。GaNテンプレート基板は、サファイア基板上にGaN単結晶エピタキシャル薄膜を成長させたものを言う。テンプレートの膜厚は適宜であってよいが、育成開始時にメルトバックする膜厚以上が必要である。AlNテンプレートの方が、GaNテンプレートよりもメルトバックしにくく、例えば、AlNテンプレートの場合は1ミクロン以上、GaNテンプレートの場合は3ミクロン以上の膜厚があればよい。   As the seed crystal 6, a φ2 inch AlN template substrate, a GaN template substrate, or a GaN single crystal free-standing substrate was used. The substrate 6 was placed horizontally at the bottom of the container 1 such that the single crystal thin film of the template was facing upward or the Ga surface of the GaN single crystal free-standing substrate was facing upward. An AlN template refers to an AlN single crystal epitaxial thin film formed on a sapphire single crystal substrate. A GaN template substrate refers to a GaN single crystal epitaxial thin film grown on a sapphire substrate. The film thickness of the template may be appropriate, but it needs to be greater than the film thickness that melts back at the start of growth. The AlN template is less likely to melt back than the GaN template. For example, the AlN template may have a film thickness of 1 micron or more, and the GaN template may have a film thickness of 3 microns or more.

易酸化性、易吸湿性物質である金属ナトリウム3の全体がSn箔2で覆われているため、酸化の心配がない。このことを確認するために、金属箔2に包まれた原料20をグローブボックスから取り出し、10分間大気曝露させた後、育成装置11内に容器を配置した。窒素ガスを用いて900℃、50気圧に1時間かけて昇温、加圧し、900℃で100時間保持した。次いで、室温まで自然放冷した後、育成装置11から容器1を取り出し、エタノール中で処理することにより、Na、Liを溶解させた。その後、薄い塩酸につけ、残ったGa、Snを除去し、GaN単結晶8を取り出した。このGaN単結晶8の大きさはφ2インチであり、厚さは約3mmであり、形状は略円形であった。色はほぼ無色透明であった。   Since the entire metal sodium 3 that is an easily oxidizable and easily hygroscopic substance is covered with the Sn foil 2, there is no fear of oxidation. In order to confirm this, the raw material 20 wrapped in the metal foil 2 was taken out of the glove box and exposed to the atmosphere for 10 minutes, and then a container was placed in the growing apparatus 11. Using nitrogen gas, the temperature was raised and pressurized to 900 ° C. and 50 atm for 1 hour, and held at 900 ° C. for 100 hours. Next, after naturally cooling to room temperature, the container 1 was taken out from the growing apparatus 11 and treated in ethanol to dissolve Na and Li. Thereafter, it was put on thin hydrochloric acid to remove the remaining Ga and Sn, and the GaN single crystal 8 was taken out. The size of the GaN single crystal 8 was φ2 inches, the thickness was about 3 mm, and the shape was substantially circular. The color was almost colorless and transparent.

(比較例1)
実施例1と同様にしてGaN単結晶8を育成した。ただし、Sn箔2は使用しなかった。大気への原料20の曝露時間は約5分間と短くした。この結果、GaN単結晶はまったく成長しなかった。これは金属ナトリウムが酸化、吸湿したことによると思われる。
(Comparative Example 1)
A GaN single crystal 8 was grown in the same manner as in Example 1. However, Sn foil 2 was not used. The exposure time of the raw material 20 to the atmosphere was shortened to about 5 minutes. As a result, the GaN single crystal did not grow at all. This seems to be due to the oxidation and moisture absorption of metallic sodium.

金属箔2に包まれた原料20を収容した容器1を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the container 1 which accommodated the raw material 20 wrapped in the metal foil 2. FIG. 図1の容器をHIP装置にセットした状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which set the container of FIG. 1 to the HIP apparatus. 容器1内で原料および金属箔を溶融させ、単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。2 is a cross-sectional view schematically showing a state where a raw material and a metal foil are melted in a container 1 to grow a single crystal. FIG. 酸化した原料を使用して単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state which has grown the single crystal using the oxidized raw material.

1 容器 2 金属箔 3、4、5 易酸化性または易吸湿性物質
6 種結晶 7 フラックス 8 単結晶薄膜 20
原料
A、B 窒素の流れ C 酸化したフラックス成分の流れ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2 Metal foil 3, 4, 5 Easily oxidizable or hygroscopic substance 6 Seed crystal 7 Flux 8 Single crystal thin film 20
Raw material A, B Flow of nitrogen C Flow of oxidized flux components

Claims (5)

アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属および窒化物単結晶の原料を金属スズ箔で被覆した状態で容器に収容し、この容器を窒素含有雰囲気で加圧しながら加熱処理することで、前記金属、前記原料および前記金属スズ箔を溶融させ、前記窒化物単結晶を成長させることを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。 One or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals and nitride single crystal raw materials are housed in a container covered with metal tin foil, and the container is heated while being pressurized in a nitrogen-containing atmosphere. A method for producing a nitride single crystal , wherein the metal, the raw material, and the metal tin foil are melted by the treatment to grow the nitride single crystal . 前記窒化物単結晶が窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項記載の方法。 It characterized in that the nitride single crystal is gallium nitride, the process of claim 1. 前記窒化物単結晶が窒化アルミニウムであることを特徴とする、請求項記載の方法。 It characterized in that the nitride single crystal is aluminum nitride, The method of claim 1, wherein. 前記金属が少なくともナトリウムを含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the metal contains at least sodium. 前記加熱処理を熱間等方圧プレス装置内で実施することを特徴とする、請求項1〜のいずれか一つの請求項に記載の方法。
The heat treatment which comprises carrying out in hot isostatic pressing device, a method according to any one of claims 1-4.
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