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JP6064695B2 - Gallium nitride crystal and method for producing gallium nitride crystal - Google Patents

Gallium nitride crystal and method for producing gallium nitride crystal Download PDF

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JP6064695B2 JP2013049344A JP2013049344A JP6064695B2 JP 6064695 B2 JP6064695 B2 JP 6064695B2 JP 2013049344 A JP2013049344 A JP 2013049344A JP 2013049344 A JP2013049344 A JP 2013049344A JP 6064695 B2 JP6064695 B2 JP 6064695B2
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純貴 伊藤
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Description

本発明は、窒化ガリウム結晶、及び窒化ガリウム結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a gallium nitride crystal and a method for producing a gallium nitride crystal.

窒化ガリウムに代表される周期表第13族金属窒化物結晶は、大きなバンドギャップを有し、さらにバンド間遷移が直接遷移型であることから、紫外、青色等の発光ダイオード、半導体レーザ等の比較的短波長側の発光素子として実用化されている。また、近年の結晶成長技術の発達により、これらの素子に用いられる窒化ガリウム基板の製造も実現している。   Periodic table Group 13 metal nitride crystals typified by gallium nitride have a large band gap, and the transition between bands is a direct transition type. It has been put to practical use as a light emitting element on the short wavelength side. In addition, with the recent development of crystal growth technology, the manufacture of gallium nitride substrates used in these devices has also been realized.

発光素子として用いる際の周期表第13族金属窒化物結晶には、デバイスに用いた際に効率良く発光し得るものが求められており、発光効率向上のためには、結晶中の欠陥が少ない結晶を製造することが必要となる。   Periodic table Group 13 metal nitride crystals for use as light-emitting elements are required to emit light efficiently when used in devices, and there are few defects in the crystals in order to improve luminous efficiency. It is necessary to produce crystals.

六方晶系の周期表第13族金属窒化物結晶は、自発分極の問題や圧電分極が生じることで、内部量子効率が低下するという問題がある。周期表第13族金属窒化物結晶の非極性面上に結晶を形成することができれば、内部量子効率低下する等の問題を解決できるのだが、非極性面上に転位密度や積層欠陥密度の低いGaN結晶をエピタキシャル成長させることは現在のところ非常に難しい。例えば、この問題に対しては、炭素とアルミニウムとを含む中間層を基板上に形成することが提案されている(特許文献1参照)。   The hexagonal periodic table group 13 metal nitride crystal has a problem of a decrease in internal quantum efficiency due to a problem of spontaneous polarization and piezoelectric polarization. If a crystal can be formed on the nonpolar surface of the Group 13 metal nitride crystal of the periodic table, problems such as a decrease in internal quantum efficiency can be solved, but the dislocation density and stacking fault density are low on the nonpolar surface. At present, it is very difficult to epitaxially grow GaN crystals. For example, for this problem, it has been proposed to form an intermediate layer containing carbon and aluminum on a substrate (see Patent Document 1).

一方、半極性面をシードの主面とし、溶融塩中に窒素元素と第13族金属元素とを含む溶液において、シード上に第13族金属窒化物結晶を成長させることで、表面の凹凸が少ない第13族金属窒化物結晶を製造する方法が提案されている(特許文献2参照)。   On the other hand, by using a semipolar plane as a main surface of the seed and growing a Group 13 metal nitride crystal on the seed in a solution containing a nitrogen element and a Group 13 metal element in the molten salt, surface irregularities can be obtained. A method for producing a small number of Group 13 metal nitride crystals has been proposed (see Patent Document 2).

特開2010−30877号公報JP 2010-30877 A 特開2011−178594号公報JP 2011-178594 A

上記特許文献1に記載のように、周期表第13族金属窒化物基板の非極性面上にホモエピタキシャル成長を行う場合には積層欠陥が発生し易いため、非極性面上に転位密度や積層欠陥密度の低いGaN結晶をエピタキシャル成長させることは難しい。また、本発明者らが検討した結果、積層欠陥が存在するシード基板上に結晶を成長させると、積層欠陥が結晶成長層にも伝播しシード基板よりも積層欠陥が増加した。
本発明は、結晶の品質に大きな影響を与えると考えられる積層欠陥の発生を、極力低減させた窒化ガリウム結晶を提供することを課題とする。
As described in Patent Document 1, when homoepitaxial growth is performed on a nonpolar surface of a periodic table group 13 metal nitride substrate, stacking faults are likely to occur. It is difficult to epitaxially grow a low density GaN crystal. Further, as a result of investigations by the present inventors, when a crystal was grown on a seed substrate in which a stacking fault exists, the stacking fault propagated to the crystal growth layer, and the stacking fault increased as compared with the seed substrate.
An object of the present invention is to provide a gallium nitride crystal in which the generation of stacking faults, which are considered to have a great influence on the quality of the crystal, is reduced as much as possible.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、成長させた結晶を低温PL観察した際に得られるスペクトルのうち、特定の光量子エネルギーの値に存在するピークに着目した。そして、結晶成長層に対して低温PL測定を行い、窒化ガリウムのバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下である結晶が、積層欠陥の発生が抑えられた結晶であることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have focused on a peak existing in a specific photon energy value in a spectrum obtained when a grown crystal is observed at low temperature PL. . Then, a low-temperature PL measurement is performed on the crystal growth layer, and the ratio of the emission intensity (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) of gallium nitride (BSF peak / NBE peak) is 0.1. The present inventors have found that the following crystal is a crystal in which the occurrence of stacking faults is suppressed, thereby completing the present invention.

本発明は以下のとおりである。
(1)非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウムからなるシード基板上に、窒化ガリウム結晶成長層を有する窒化ガリウム結晶であって、低温PL測定により測定された、前記窒化ガリウム結晶成長層のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下である窒化ガリウム結晶。
(2)低温PL測定により測定された、前記窒化ガリウムからなるシード基板のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以上である(1)に記載の窒化ガリウム結晶。
(3)前記窒化ガリウム結晶成長層の成長厚みが10μm以上である、(1)または(2)に記載の窒化ガリウム結晶。
(4)前記窒化ガリウムからなるシード基板の主面が非極性面である、(1)から(3)のいずれかに記載の窒化ガリウム結晶。
(5)前記窒化ガリウム結晶成長層内のSi濃度がO濃度よりも高く、かつ非極性面または半極性面の垂直方向に伸びる転位を有する、(1)から(4)のいずれかに記載の窒化ガリウム結晶。
(6)前記転位の転位密度が1.0×108cm-2以下である、()に記載の窒化ガリ
ウム結晶。
)前記Si濃度が1×1013cm-3以上である、(5)または6)に記載の窒化ガリウム結晶。
)前記O濃度が3×1018cm-3以下である、(5)から()のいずれかに記載の窒化ガリウム結晶。
)前記窒化ガリウム結晶成長層内のNa濃度が1×1017cm-3以下である、(1)から()のいずれかに記載の窒化ガリウム結晶。
The present invention is as follows.
(1) A gallium nitride crystal having a gallium nitride crystal growth layer on a seed substrate made of gallium nitride having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface, the gallium nitride crystal measured by low-temperature PL measurement A gallium nitride crystal having a ratio (BSF peak / NBE peak) of emission intensity (BSF peak) of emission at 3.41 eV to band edge emission (NBE peak) of the growth layer of 0.1 or less.
(2) The ratio (BSF peak / NBE peak) of the emission intensity (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) of the seed substrate made of gallium nitride measured by low-temperature PL measurement is 0 The gallium nitride crystal according to (1), which is 1 or more.
(3) The gallium nitride crystal according to (1) or (2), wherein the growth thickness of the gallium nitride crystal growth layer is 10 μm or more.
(4) The gallium nitride crystal according to any one of (1) to (3), wherein a main surface of the seed substrate made of gallium nitride is a nonpolar surface.
(5) the Si concentration of the gallium nitride crystal growth layer is rather higher than O concentration, and has a dislocation extending in the vertical direction of the non-polar surface or a semipolar plane, according to any one of (1) (4) Gallium nitride crystal.
(6) the dislocation density before Symbol dislocation is 1.0 × 10 8 cm -2 or less, the gallium nitride crystal according to (5).
( 7 ) The gallium nitride crystal according to (5) or ( 6), wherein the Si concentration is 1 × 10 13 cm −3 or more.
( 8 ) The gallium nitride crystal according to any one of (5) to ( 7 ), wherein the O concentration is 3 × 10 18 cm −3 or less.
( 9 ) The gallium nitride crystal according to any one of (1) to ( 8 ), wherein the Na concentration in the gallium nitride crystal growth layer is 1 × 10 17 cm −3 or less.

また、本発明の別の態様は、以下のとおりである。
10)非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウムからなるシード基板上に、窒化ガリウム結晶成長層を成長させる結晶成長工程、を有する窒化ガリウム結晶の製造方法であって、低温PL測定により測定された、前記結晶成長工程により得られた窒化ガリウム結晶成長層のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下である、窒化ガリウム結晶の製造方法。
11)低温PL測定により測定された、前記窒化ガリウムからなるシード基板のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以上である、(10)に記載の窒化ガリウム結晶の製造方法。
12)前記窒化ガリウムからなるシード基板の主面が非極性面である、(10)または(11)に記載の窒化ガリウム結晶の製造方法。
13)前記結晶成長工程は、その成長面が平坦面となるように成長させる、(10)から(12)のいずれかに記載の窒化ガリウム結晶の製造方法。
14)前記結晶成長工程は、液相法によるものである、(10)から(13)のいずれかに記載の窒化ガリウム結晶の製造方法。
Moreover, another aspect of the present invention is as follows.
( 10 ) A method for producing a gallium nitride crystal, comprising: a crystal growth step of growing a gallium nitride crystal growth layer on a seed substrate made of gallium nitride having a nonpolar plane or a semipolar plane as a principal plane, the low temperature PL The ratio of the emission intensity (BSF peak / NBE peak) of the emission (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) of the gallium nitride crystal growth layer obtained by the crystal growth step measured by the measurement is The manufacturing method of the gallium nitride crystal | crystallization which is 0.1 or less.
( 11 ) The ratio (BSF peak / NBE peak) of the emission intensity (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) of the seed substrate made of gallium nitride measured by low-temperature PL measurement is 0. The manufacturing method of the gallium nitride crystal as described in ( 10 ) which is .1 or more.
( 12 ) The method for producing a gallium nitride crystal according to ( 10 ) or ( 11 ), wherein a main surface of the seed substrate made of gallium nitride is a nonpolar surface.
( 13 ) The method for producing a gallium nitride crystal according to any one of ( 10 ) to ( 12 ), wherein the crystal growth step is performed so that the growth surface is a flat surface.
( 14 ) The method for producing a gallium nitride crystal according to any one of ( 10 ) to ( 13 ), wherein the crystal growth step is performed by a liquid phase method.

本発明によれば、積層欠陥の発生が抑制された、窒化ガリウム(GaN)結晶を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a gallium nitride (GaN) crystal in which the occurrence of stacking faults is suppressed.

本発明の実施例を行った結晶成長に用いた装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the apparatus used for the crystal growth which performed the Example of this invention. 本発明の実施例に用いたシード基板である(図面代用写真)。It is the seed substrate used for the Example of this invention (drawing substitute photograph). 本発明の実施例に用いたシード基板に対する低温PL測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the low-temperature PL measurement with respect to the seed substrate used for the Example of this invention. 実施例1で成長させたGaN結晶成長層の表面を光学顕微鏡で観察した図である(図面代用写真)。It is the figure which observed the surface of the GaN crystal growth layer grown in Example 1 with the optical microscope (drawing substitute photograph). 実施例1で成長させたGaN結晶成長層に対する低温PL測定の結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of low-temperature PL measurement for a GaN crystal growth layer grown in Example 1. FIG. 実施例2で成長させたGaN結晶成長層に対する低温PL測定の結果を示すグラフである。6 is a graph showing the results of low-temperature PL measurement for a GaN crystal growth layer grown in Example 2. 実施例3で成長させたGaN結晶成長層に対する低温PL測定の結果を示すグラフである。6 is a graph showing the results of low-temperature PL measurement for a GaN crystal growth layer grown in Example 3. 転位の伸びる方向を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the direction where a dislocation extends. スライスされた結晶の転位の方向を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the direction of the dislocation of the sliced crystal.

本発明の窒化ガリウム結晶、及び窒化ガリウム結晶の製造方法について以下詳細に説明するが、本発明の趣旨に反しない限り、これらの内容に限定されるものではない。
なお、本明細書において「〜」を用いてあらわされる数値範囲は、「〜」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。
The gallium nitride crystal and the method for producing the gallium nitride crystal of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to these contents unless it is contrary to the spirit of the present invention.
In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

本発明は、窒化ガリウム結晶に関する発明であるが、六方晶構造(ウルツ型結晶構造)を有する窒化ガリウム結晶の極性面としては、例えば(0001)面及び(000−1)面等が、非極性面としては、(10−10)面、(11−20)面及びこれらの面と結晶幾何学的に等価な面等が、半極性面としては(20−21)面、(20−2−1)面、(10−11)面、(10−1−1)面、(10−12)面、(10−1−2)面、(11−21)面、(11−2−1)面、(11−2−2)面、(11−2−2)面、(22−41)面、(22−4−1面)及びこれらの面と結晶幾何学的に等価な面等が挙げられる。 The present invention is invention relates to a gallium nitride crystal, the polar surface of the gallium nitride crystal having a hexagonal crystal structure (wurtzite crystal structure), for example (0001) plane and (000-1) plane and the like, non Examples of the polar plane include the (10-10) plane, the (11-20) plane, and planes equivalent to these planes in terms of crystal geometry, and the semipolar plane includes the (20-21) plane and (20-2). -1) plane, (10-11) plane, (10-1-1) plane, (10-12) plane, (10-1-2) plane, (11-21) plane, (11-2-1) ) Plane, (11-2-2) plane, (11-2-2) plane, (22-41) plane, (22-4-1 plane), plane equivalent to these planes, etc. Is mentioned.

本願明細書において、(10−10)面及びこの面と結晶幾何学的に等価な面を「M面」と略す場合がある。
なお、本明細書において、特定の指数面を称する場合には、±0.01°以内の精度で計測される各結晶軸から10°以内のオフ角を有する範囲内の面を含む。好ましくはオフ角が5°以内であり、より好ましくは3°以内である。
また、本発明において「主面」とは、デバイスを形成すべき面、または結晶中で最も面積が大きい面を意味する。
In this specification, the (10-10) plane and a plane geometrically equivalent to this plane may be abbreviated as “M plane”.
In addition, in this specification, when referring to a specific index plane, it includes a plane within a range having an off angle within 10 ° from each crystal axis measured with an accuracy within ± 0.01 °. The off angle is preferably within 5 °, more preferably within 3 °.
In the present invention, the “main surface” means a surface on which a device is to be formed or a surface having the largest area in the crystal.

<本発明の窒化ガリウム結晶>
本発明の窒化ガリウム結晶は、非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウムからなるシード基板上に、窒化ガリウム結晶成長層を有する窒化ガリウム結晶である。
非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウム基板上に、ホモエピタキシャル成長させることで窒化ガリウム結晶を成長させる場合には、結晶成長層に積層欠陥が多く発生する。本発明は、このような結晶成長層における積層欠陥の発生を抑えた窒化ガリウム結晶である。
なお、窒化ガリウムからなる「シード基板上」に成長した窒化ガリウム結晶成長層とは、シードとなる基板上に成長させた結晶成長層を意味するものであるが、特に、シードとなる基板直上に成長した成長層であることが好ましい。シードとなる基板直上に成長した成長層とは、シード基板主面に対する法線方向に成長した結晶成長層であり、シード基板主面に対して平行方向に成長した結晶成長層(いわゆる横方向成長部)を、「シード基板上」に成長した窒化ガリウム結晶成長層の範囲から除くものである。
<Gallium nitride crystal of the present invention>
The gallium nitride crystal of the present invention is a gallium nitride crystal having a gallium nitride crystal growth layer on a seed substrate made of gallium nitride whose main surface is a nonpolar plane or a semipolar plane.
When a gallium nitride crystal is grown by homoepitaxial growth on a gallium nitride substrate having a nonpolar or semipolar surface as a main surface, many stacking faults are generated in the crystal growth layer. The present invention is a gallium nitride crystal in which the occurrence of stacking faults in such a crystal growth layer is suppressed.
The gallium nitride crystal growth layer grown on the “seed substrate” made of gallium nitride means a crystal growth layer grown on the seed substrate. In particular, the gallium nitride crystal growth layer is formed directly on the seed substrate. A grown layer is preferable. The growth layer grown directly on the seed substrate is a crystal growth layer grown in a direction normal to the seed substrate main surface, and is a crystal growth layer grown in a direction parallel to the seed substrate main surface (so-called lateral growth). Are removed from the range of the gallium nitride crystal growth layer grown on the “seed substrate”.

本発明の窒化ガリウム(GaN)結晶は、立方晶構造のGaNを含まず、六方晶構造である。また、本発明の窒化ガリウム結晶としては、ドーパントなどとして不純物を含むGaN結晶を含むものとし、不純物としてはH、O、C、Si,Cl、Li、Na、Ti、Mgなどの元素を含んでいても良い。   The gallium nitride (GaN) crystal of the present invention does not contain GaN having a cubic structure and has a hexagonal structure. The gallium nitride crystal of the present invention includes a GaN crystal containing an impurity as a dopant, and the impurity contains an element such as H, O, C, Si, Cl, Li, Na, Ti, Mg. Also good.

本発明の窒化ガリウム結晶は、シード基板上に成長した成長層の、低温PL測定により測定された窒化ガリウムのバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下であることを特徴とする。
低温PL測定により結晶を測定することで、結晶中に存在する不純物や欠陥の程度を測定することが可能となる。本発明者らは、結晶に対して低温PL測定した結果を検討し、窒化ガリウムのバンド端発光(NBEピーク)の発光強度比に対して、積層欠陥に由来すると考えられる3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下である場合に、積層欠陥の発生が抑えられた結晶であることに想到した。以下、図を用いて説明する。
In the gallium nitride crystal of the present invention, the ratio of the emission intensity of light emission (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) of gallium nitride measured by low-temperature PL measurement in the growth layer grown on the seed substrate. (BSF peak / NBE peak) is 0.1 or less.
By measuring the crystal by low-temperature PL measurement, the degree of impurities and defects present in the crystal can be measured. The present inventors examined the result of low-temperature PL measurement on the crystal, and emitted light at 3.41 eV, which is considered to originate from stacking faults, with respect to the emission intensity ratio of band edge emission (NBE peak) of gallium nitride ( It was conceived that when the ratio of emission intensity (BSF peak) (BSF peak / NBE peak) was 0.1 or less, it was a crystal in which the occurrence of stacking faults was suppressed. This will be described below with reference to the drawings.

図2は、本発明の実施例に用いたGaNシード基板である。該GaNシード基板について、図2に示す4箇所(Point1乃至Point4)の低温PL測定を行った。そして、図3にPoint1乃至Point4の低温PL測定で得られたスペクトルをプロットしたグラフを示す。
図3から、各Pointにおけるスペクトルは、3.47eV付近にシャープなピークを有し、このピークが窒化ガリウムのバンド端発光(NBEピーク)である。そして、3.41eV付近にはなだらかなピークを有し、このピークが結晶中に存在する積層欠陥に由来すると考えられるBSFピークである。本発明の窒化ガリウム結晶は、バンド端発光(NBEピーク)に対する、3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下である結晶であり、このような要件を充足する結晶は、積層欠陥の発生が抑制された結晶である。
FIG. 2 shows a GaN seed substrate used in the example of the present invention. The GaN seed substrate was subjected to low-temperature PL measurement at four locations (Point 1 to Point 4) shown in FIG. And the graph which plotted the spectrum obtained by the low-temperature PL measurement of Point1 thru | or Point4 in FIG. 3 is shown.
From FIG. 3, the spectrum at each point has a sharp peak near 3.47 eV, and this peak is the band edge emission (NBE peak) of gallium nitride. And it has a gentle peak in the vicinity of 3.41 eV, and this peak is a BSF peak considered to be derived from stacking faults present in the crystal. The gallium nitride crystal of the present invention is a crystal in which the ratio of the emission intensity (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) (BSF peak / NBE peak) is 0.1 or less. A crystal that satisfies such requirements is a crystal in which the occurrence of stacking faults is suppressed.

本発明において低温PL測定は、励起光源に中心波長325nmのHe−Cdレーザを用いて行う。測定温度は厳密には限定されないが、20K以下で測定を行うことが好ましい。このような条件でPL測定が可能な装置としては、例えばOmnichrome社 series 74 He-Cdレーザ、Acton社 SpectraPro 2300 i 分光器、Princeton Instruments社 PI-MAX1024HQ-Blu CCD検出器の組み合わせが挙げられる。
なお、低温PL測定に際し、結晶中のキャリア濃度が高い結晶では、PLスペクトルの強度が十分に得られず評価できない場合も存在する。このような場合には、測定対象の結晶表面にMOCVD法などを用いてアンドープGaN(i−GaN)を積層することで低温PL測定の際にキャリアの影響を低減させた上で、測定する。積層するi−GaN層の厚さは、通常0.01μm以上であり、より好ましくは0.1μm以上であり、さらに好ましくは0.5μm以上であり、また、通常100μm以下であり、より好ましくは10μm以下であり、さらに好ましくは5μm以下である。積層するi−GaN層の厚みが薄すぎると十分にキャリアの影響を低減することができず、厚すぎると積層したi−GaN層中に発生した欠陥の影響を検出してしまう。
In the present invention, the low temperature PL measurement is performed using a He—Cd laser having a central wavelength of 325 nm as an excitation light source. The measurement temperature is not strictly limited, but it is preferable to perform the measurement at 20K or less. As an apparatus capable of performing PL measurement under such conditions, for example, a combination of an Omnichrome series 74 He-Cd laser, an Acton SpectraPro 2300 i spectrometer, and a Princeton Instruments PI-MAX1024HQ-Blu CCD detector can be cited.
In the case of low-temperature PL measurement, there is a case where a crystal having a high carrier concentration in the crystal cannot obtain a sufficient PL spectrum intensity and cannot be evaluated. In such a case, measurement is performed after reducing the influence of carriers during low-temperature PL measurement by stacking undoped GaN (i-GaN) using the MOCVD method or the like on the crystal surface to be measured. The thickness of the i-GaN layer to be laminated is usually 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, further preferably 0.5 μm or more, and usually 100 μm or less, more preferably It is 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. If the thickness of the i-GaN layer to be stacked is too thin, the influence of carriers cannot be sufficiently reduced, and if it is too thick, the effect of defects generated in the stacked i-GaN layer is detected.

上記結晶成長層の、低温PL測定により測定された窒化ガリウムのバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)は、0.1以下であることが好ましく、0.05以下であることがより好ましく、0.01以下がさらに好ましい。
なお、窒化ガリウム結晶においては、結晶中の位置により積層欠陥の程度が異なる場合がある。本発明では、結晶中の少なくとも一部において、上記低温PL測定により測定されたバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)を充足すればよいが、上記発光強度の比を充足する箇所が連続して10mm以上の範囲で存在することが好ましく、100mm以上の範囲で存在することがより好ましい。
The ratio (BSF peak / NBE peak) of the emission intensity (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) of gallium nitride measured by low-temperature PL measurement of the crystal growth layer is 0.1. Or less, more preferably 0.05 or less, and still more preferably 0.01 or less.
Note that in a gallium nitride crystal, the degree of stacking fault may vary depending on the position in the crystal. In the present invention, the ratio of the emission intensity (BSF peak / NBE peak) of the emission (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) measured by the low-temperature PL measurement in at least a part of the crystal. However, it is preferable that the portions satisfying the ratio of the emission intensity are continuously present in a range of 10 mm 2 or more, and more preferably in a range of 100 mm 2 or more.

本発明の好ましい態様では、低温PL測定により測定された、窒化ガリウムからなるシード基板のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以上である。
シード基板が積層欠陥を有している場合には、従来ではその上に結晶成長させると、成長した結晶層に積層欠陥が伝播することから、通常、結晶成長層での積層欠陥はシード基板における積層欠陥よりも増加する。本発明の窒化ガリウム結晶は、シード基板において存在する積層欠陥を伝播せず、積層欠陥の量が現状維持またはその量を低減して、そもそも積層欠陥の少ない結晶成長層が得られるものであり、すなわちシード基板に対する低温PL測定により測定された上記発光強度の比が0.1以上であっても、結晶成長層における上記発光強度の比が0.1以下である態様が好ましい。
上記シード基板における低温PL測定による発光強度の比は0.1よりも大きくてもよく、0.5以上であってもよい。
In a preferred embodiment of the present invention, the ratio (BSF peak / NBE peak) of the emission intensity (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) of the seed substrate made of gallium nitride, measured by low temperature PL measurement. ) Is 0.1 or more.
When the seed substrate has a stacking fault, conventionally, when a crystal is grown on the seed substrate, the stacking fault propagates to the grown crystal layer. More than stacking faults. The gallium nitride crystal of the present invention does not propagate the stacking faults present in the seed substrate, the amount of stacking faults is maintained or reduced, and a crystal growth layer with few stacking faults can be obtained in the first place. That is, it is preferable that the ratio of the emission intensity in the crystal growth layer is 0.1 or less even when the ratio of the emission intensity measured by low-temperature PL measurement with respect to the seed substrate is 0.1 or more.
The ratio of the emission intensity by the low temperature PL measurement on the seed substrate may be larger than 0.1, or may be 0.5 or more.

本発明では、窒化ガリウム結晶の結晶成長層の厚みが10μm以上であることが好ましい。結晶成長層の厚みが10μm以上であることで、発光素子を製造するための基板や半導体デバイスを製造するための基板として使用することが可能となる。成長層の厚みは50μm以上であることがより好ましく、100μm以上であることが更に好ましい。
また、本発明のシード基板の主面は非極性面または半極性面であるが、非極性面であることが好ましく、特にM面であること好ましい。
In the present invention, the thickness of the crystal growth layer of gallium nitride crystal is preferably 10 μm or more. When the thickness of the crystal growth layer is 10 μm or more, the crystal growth layer can be used as a substrate for manufacturing a light emitting element or a substrate for manufacturing a semiconductor device. The thickness of the growth layer is more preferably 50 μm or more, and further preferably 100 μm or more.
The main surface of the seed substrate of the present invention is a nonpolar surface or a semipolar surface, but is preferably a nonpolar surface, and particularly preferably an M surface.

本発明では、結晶成長層内のSi濃度がO濃度よりも高いことが好ましい。気相成長法によって形成される窒化ガリウム結晶成長層は、結晶成長中に成長雰囲気又は原料に含まれる不純物酸素に起因した酸素ドーピングが生じ易く、結果酸素ドープ量が比較的多い結晶層となる傾向にある。酸素ドーピングによって結晶の吸光係数は大きくなるため、酸素ドープ量の多い結晶を基板として用いてデバイス形成を行った場合、デバイスから発せられた光の一部が基板に吸収されて、発光量が減少してしまうという問題がある。また、不純物酸素に起因した酸素ドーピングでは、結晶中のドーパント濃度を精密に制御することは困難である。
C面を成長面とするエピタキシャル成長では、酸素が取り込まれにくい傾向にあり、上記問題点は必然的に解消され得るが、本発明のように非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウムからなるシード基板上にエピタキシャル成長させて得られる窒化ガリウム結晶成長層の場合、上記問題が品質上重要になる。従って、不純物酸素に起因した酸素ドーピングを抑制し、O濃度よりもSi濃度を高めた窒化ガリウム結晶成長層を有する窒化ガリウム結晶であることが好ましい。なお、不純物酸素に起因した酸素ドーピングを抑制することによって、ケイ素によるドーパント濃度の精密な制御が可能となり、より高品質な窒化ガリウム結晶が得られることになる。
In the present invention, the Si concentration in the crystal growth layer is preferably higher than the O concentration. The gallium nitride crystal growth layer formed by the vapor phase growth method is prone to oxygen doping due to impurity oxygen contained in the growth atmosphere or raw material during crystal growth, and tends to be a crystal layer with a relatively large amount of oxygen doping as a result. It is in. Oxygen doping increases the extinction coefficient of the crystal, so when a device is formed using a crystal with a large amount of oxygen doping as the substrate, part of the light emitted from the device is absorbed by the substrate and the amount of light emission decreases. There is a problem of end up. In addition, in oxygen doping caused by impurity oxygen, it is difficult to precisely control the dopant concentration in the crystal.
In epitaxial growth with the C plane as the growth plane, oxygen tends to be difficult to be taken in, and the above problem can be inevitably solved. However, as in the present invention, gallium nitride having a nonpolar plane or a semipolar plane as the main plane is used. In the case of a gallium nitride crystal growth layer obtained by epitaxial growth on a seed substrate made of the above, the above problem becomes important in terms of quality. Therefore, a gallium nitride crystal having a gallium nitride crystal growth layer that suppresses oxygen doping caused by impurity oxygen and has a Si concentration higher than the O concentration is preferable. Note that by suppressing oxygen doping caused by impurity oxygen, it is possible to precisely control the dopant concentration by silicon, and a higher quality gallium nitride crystal can be obtained.

本発明では、結晶成長層内のドーパント濃度は特に限定されないが、通常1×1013cm-3以上、好ましくは1×1014cm-3以上、より好ましくは1×1017cm-3以上であり、通常1×1021cm-3以下、好ましくは1×1020cm-3以下、より好ましくは5×1019cm-3以下である。ドーパント濃度が大きすぎる場合には半導体としての性質が損なわれる可能性があり、小さすぎる場合には導電性が低くなり導電性が高いことが好ましい発光素子用基板に適さなくなる。 In the present invention, the dopant concentration in the crystal growth layer is not particularly limited, but is usually 1 × 10 13 cm −3 or more, preferably 1 × 10 14 cm −3 or more, more preferably 1 × 10 17 cm −3 or more. In general, it is 1 × 10 21 cm −3 or less, preferably 1 × 10 20 cm −3 or less, more preferably 5 × 10 19 cm −3 or less. If the dopant concentration is too high, the properties as a semiconductor may be impaired. If the dopant concentration is too low, the conductivity is low and the substrate having a high conductivity is preferably not suitable.

本発明では、結晶成長層内のキャリア濃度は特に限定されないが、1×1013cm-3以上、好ましくは1×1014cm-3以上、より好ましくは1×1017cm-3以上であり、通常1×1021cm-3以下、好ましくは1×1020cm-3以下、より好ましくは5×1019cm-3以下である。キャリア濃度が大きすぎる場合には半導体としての性質が損なわれる可能性があり、小さすぎる場合には導電性が低くなり導電性が高いことが好ましい発光素子用基板に適さなくなる。 In the present invention, the carrier concentration in the crystal growth layer is not particularly limited, but is 1 × 10 13 cm −3 or more, preferably 1 × 10 14 cm −3 or more, more preferably 1 × 10 17 cm −3 or more. Usually, it is 1 × 10 21 cm −3 or less, preferably 1 × 10 20 cm −3 or less, more preferably 5 × 10 19 cm −3 or less. When the carrier concentration is too high, the properties as a semiconductor may be impaired. When the carrier concentration is too low, the conductivity becomes low and the substrate having a high conductivity is preferably not suitable.

本発明では、結晶成長層内のO濃度及びSi濃度の具体的な値は特に限定されないが、O濃度は、通常1×1013cm-3以上、好ましくは1×1014cm-3以上であり、通常3×1018cm-3以下、好ましくは5×1017cm-3以下、より好ましくは5×1016cm-3以下である。O濃度が大きすぎる場合には、光の吸収係数が大きくなると共に半導体としての性質が損なわれる可能性があり、小さすぎる場合には導電性が低くなり導電性が高いことが好ましい発光素子用基板に適さなくなる。
Si濃度は、通常1×1013cm-3以上、好ましくは1×1017cm-3以上であり、通常1×1021cm-3以下、好ましくは1×1020cm-3以下、より好ましくは1×1019cm-3以下である。Si濃度が大きすぎる場合には半導体としての性質が損なわれる可能性があり、小さすぎる場合には導電性が低くなり導電性が高いことが好ましい発光素子用基板に適さなくなる。
In the present invention, specific values of the O concentration and the Si concentration in the crystal growth layer are not particularly limited, but the O concentration is usually 1 × 10 13 cm −3 or more, preferably 1 × 10 14 cm −3 or more. Yes, usually 3 × 10 18 cm −3 or less, preferably 5 × 10 17 cm −3 or less, more preferably 5 × 10 16 cm −3 or less. If the O concentration is too large, the light absorption coefficient increases and the properties as a semiconductor may be impaired. If it is too small, the conductivity is preferably low and the conductivity is preferably high. It is not suitable for.
The Si concentration is usually 1 × 10 13 cm −3 or more, preferably 1 × 10 17 cm −3 or more, usually 1 × 10 21 cm −3 or less, preferably 1 × 10 20 cm −3 or less, more preferably Is 1 × 10 19 cm −3 or less. When the Si concentration is too high, the properties as a semiconductor may be impaired. When the Si concentration is too low, the conductivity becomes low and the substrate having a high conductivity is preferably not suitable.

本発明では、結晶成長層内のその他の元素濃度は特に限定されないが、例えばNa濃度は、通常1×1017cm-3以下、好ましくは1×1016cm-3以下、より好ましくは1×1015cm-3以下である。Na濃度が大きすぎる場合には半導体としての性質が損なわれる可能性がある。 In the present invention, the concentration of other elements in the crystal growth layer is not particularly limited. For example, the Na concentration is usually 1 × 10 17 cm −3 or less, preferably 1 × 10 16 cm −3 or less, more preferably 1 ×. 10 15 cm −3 or less. If the Na concentration is too high, the properties as a semiconductor may be impaired.

エピタキシャル成長によって得られる窒化ガリウム結晶は、その成長方向と平行に伸びる転位が存在することが知られている(特開2007−84435参照)。厳密には成長方向と完全な平行ではなく、主たる方向が成長方向と平行である転位が多い傾向にある。「主たる方向」とは、転位の伸びる方向を、成長方向の成分と、成長方向と垂直方向の成分に分割した場合に、一番大きい成分の方向を意味する。図8を参照して説明すると、転位5の伸びる方向を、成長方向の成分6と、成長方向と垂直方向の成分7に分割した場合、成長方向の成分6の方が大きいため、主たる方向は成長方向となり、転位5は主たる方向が成長方向と平行である転位となる。本願の明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約書における転位の伸びる方向についての記載は、便宜上、転位の「主たる方向」を意図することとし、成長方向と平行な転位とは、図8において転位4のみならず、転位5も含まれることとする。   It is known that gallium nitride crystals obtained by epitaxial growth have dislocations extending parallel to the growth direction (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-84435). Strictly speaking, there are many dislocations whose main direction is not parallel to the growth direction but whose main direction is parallel to the growth direction. “Main direction” means the direction of the largest component when the direction in which dislocations extend is divided into a growth direction component and a component perpendicular to the growth direction. Referring to FIG. 8, when the direction in which the dislocation 5 extends is divided into a growth direction component 6 and a growth direction component 7 perpendicular to the growth direction, the growth direction component 6 is larger, so the main direction is The dislocation 5 is a dislocation whose main direction is parallel to the growth direction. For the sake of convenience, the description of the dislocation extending direction in the specification, claims, drawings, and abstract of the present application intends the “main direction” of dislocation, and the dislocation parallel to the growth direction is shown in FIG. In FIG. 2, not only dislocation 4 but also dislocation 5 is included.

エピタキシャル成長によって得られた結晶内の転位の方向は、下地基板のどの結晶面を主面としてエピタキシャル成長させたかについて判断する指標となる。かかる点について、図9を参照して説明する。例えば、非極性面であるM面を主面とする下地基板の主面上にm軸方向にエピタキシャル成長させた結晶は、m軸に平行な貫通転位が存在することになるため、図9の上側に示されるようにM面と平行にスライスして得られるM面を主面とする基板内には、M面と垂直な転位が存在することになる。一方、C面を主面とする下地基板上にc軸方向にエピタキシャル成長させた結晶を、図9の下側に示されるようにM面と平行にスライスして得られるM面を主面とする基板内では、転位はc軸方向に延び、かかる結晶内にはm軸と垂直な転位が存在することになるため、上記した結晶とは異なることになる。
M面を主面とする下地基板の主面上にm軸方向にエピタキシャル成長させた結晶から、M面とを主面とするM面基板を得る場合には、下地基板の大きさと得られる基板の大きさが近くなるため、大型のM面基板を得られやすい。
一方でC面を主面とした下地基板上にc軸方向にエピタキシャル成長させた結晶からM面基板を得る際には、例えば2インチ、4インチのM面基板を得るためにはc軸方向にそれぞれ2インチ、4インチ以上の厚さの成長を行う必要があり、大型基板が得られにくい課題がある。
同様の理由で半極性面を主面とする基板を得る際にも、C面を主面とする下地基板の主面上にエピタキシャル成長させるよりも、半極性面又は非極性面を主面とする下地基板の主面上にエピタキシャル成長させる方が大型の半極性面基板が得られやすい。
The direction of dislocations in the crystal obtained by epitaxial growth is an index for determining which crystal plane of the base substrate is epitaxially grown as the main surface. This point will be described with reference to FIG. For example, a crystal epitaxially grown in the m-axis direction on the main surface of the base substrate whose main surface is a non-polar M-plane has threading dislocations parallel to the m-axis, so that the upper side of FIG. As shown in FIG. 2, dislocations perpendicular to the M plane exist in the substrate having the M plane obtained by slicing parallel to the M plane. On the other hand, the M plane obtained by slicing a crystal epitaxially grown in the c-axis direction on the base substrate having the C plane as the main plane in parallel with the M plane as shown in the lower side of FIG. In the substrate, dislocations extend in the c-axis direction, and dislocations perpendicular to the m-axis exist in the crystal, which is different from the crystal described above.
When obtaining an M-plane substrate having the M plane as the principal plane from a crystal epitaxially grown in the m-axis direction on the principal plane of the base substrate having the M plane as the principal plane, the size of the underlying substrate and the size of the obtained substrate Since the size is close, it is easy to obtain a large M-plane substrate.
On the other hand, when an M-plane substrate is obtained from a crystal epitaxially grown in the c-axis direction on a base substrate having a C-plane as a main surface, for example, in order to obtain a 2-inch or 4-inch M-plane substrate, the c-axis direction is used. Each of them needs to be grown to a thickness of 2 inches or 4 inches or more, and there is a problem that it is difficult to obtain a large substrate.
For the same reason, when a substrate having a semipolar surface as a main surface is obtained, a semipolar surface or a nonpolar surface is used as a main surface, rather than epitaxial growth on a main surface of an underlying substrate having a C surface as a main surface. It is easier to obtain a large semipolar surface substrate by epitaxial growth on the main surface of the base substrate.

本発明では、結晶成長層内の転位の方向及び転位密度は、特に限定されないが、非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウムからなるシード基板上にエピタキシャル成長させて得られる窒化ガリウム結晶であるため、シード基板の主面と垂直方向に伸びる転位が存在する(主たる方向が成長方向と平行である転位も含む)傾向がある。非極性面または半極性面と垂直方向に伸びる貫通転位の転位密度(非極性面側または半極性面側から測定した場合の転位密度)は、通常1×108cm-2以下であり、好ましくは1×107cm-2以下、より好ましくは1×106cm-2以下である。 In the present invention, the direction of dislocation and the dislocation density in the crystal growth layer are not particularly limited, but a gallium nitride crystal obtained by epitaxial growth on a seed substrate made of gallium nitride whose main surface is a nonpolar or semipolar surface. Therefore, there is a tendency for dislocations extending in a direction perpendicular to the main surface of the seed substrate (including dislocations whose main direction is parallel to the growth direction). The dislocation density of threading dislocations extending in the direction perpendicular to the nonpolar plane or semipolar plane (dislocation density when measured from the nonpolar plane side or the semipolar plane side) is usually 1 × 10 8 cm −2 or less, preferably Is 1 × 10 7 cm −2 or less, more preferably 1 × 10 6 cm −2 or less.

本発明では、結晶成長層内のその他の物性は特に限定されないが、X線回折の(100)回折ピークのロッキングカーブの半値幅は通常500arcsec以下、好ましくは200arcsec以下、より好ましくは100arcsec以下、さらに好ましくは50arcsec以下である。
さらに、X線回折の(300)回折ピークのロッキングカーブの半値幅は、通常500arcsec以下、好ましくは200arcsec以下、より好ましくは100arcsec以下、さらに好ましくは50arcsec以下である。
なお、X線回折の(102)回折ピークのロッキングカーブの半値幅は通常500arcsec以下、好ましくは200arcsec以下、より好ましくは100arcsec以下である。さらに好ましくは50arcsec以下である。
X線回折の回折ピークのロッキングカーブの半値幅が大きすぎる場合には、結晶性が悪いことに起因して、結晶欠陥に酸素等の不純物が入ってO濃度が高くなりすぎる傾向がある。
In the present invention, the other physical properties in the crystal growth layer are not particularly limited, but the half width of the rocking curve of the (100) diffraction peak of X-ray diffraction is usually 500 arcsec or less, preferably 200 arcsec or less, more preferably 100 arcsec or less, Preferably it is 50 arcsec or less.
Further, the full width at half maximum of the rocking curve of the (300) diffraction peak of X-ray diffraction is usually 500 arcsec or less, preferably 200 arcsec or less, more preferably 100 arcsec or less, and even more preferably 50 arcsec or less.
The full width at half maximum of the rocking curve of the (102) diffraction peak of X-ray diffraction is usually 500 arcsec or less, preferably 200 arcsec or less, more preferably 100 arcsec or less. More preferably, it is 50 arcsec or less.
When the full width at half maximum of the rocking curve of the diffraction peak of X-ray diffraction is too large, impurities such as oxygen enter crystal defects and the O concentration tends to be too high due to poor crystallinity.

本発明において、結晶成長層の低温PL測定による発光強度比が、上記範囲内である結晶を成長させる方法を以下説明する。すなわち、本発明の別の態様は、非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウムからなるシード基板上に、窒化ガリウム結晶成長層を成長させる結晶成長工程、を有する窒化ガリウム結晶の製造方法であって、低温PL測定により測定された、前記結晶成長工程により得られた窒化ガリウム結晶成長層のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下である、窒化ガリウム結晶の製造方法である。   In the present invention, a method for growing a crystal in which the emission intensity ratio measured by low-temperature PL measurement of the crystal growth layer is within the above range will be described below. That is, another aspect of the present invention provides a method for producing a gallium nitride crystal having a crystal growth step of growing a gallium nitride crystal growth layer on a seed substrate made of gallium nitride whose main surface is a nonpolar plane or a semipolar plane. A ratio of emission intensity of emission (BSF peak) at 3.41 eV to band edge emission (NBE peak) of the gallium nitride crystal growth layer obtained by the crystal growth step, measured by low temperature PL measurement ( This is a method for producing a gallium nitride crystal having a BSF peak / NBE peak) of 0.1 or less.

本発明において、結晶成長層の低温PL測定による発光強度比が上記範囲である結晶を成長させる方法は、上記結晶成長工程において結晶成長面を平坦面としながら結晶成長させる方法が挙げられる。
結晶成長面を平坦面に制御するための成長方法としては、液相中で結晶成長を行うことが好ましい。液相中での結晶成長を行う方法としては、溶液または融液としてアルカリ金属を主成分として含むものが挙げられる。なお、「主成分として含む」とは、重量%濃度で10%以上含むことを意味する。
アルカリ金属としては、Li、Na、K、Csなどが挙げられ、結晶成長工程で用いる溶液または融液は、これらのアルカリ金属成分を含むものであることが好ましいが、シードへのエピタキシャル成長を阻害しないものであれば特にその種類は制限されない。
In the present invention, examples of a method for growing a crystal whose emission intensity ratio measured by low-temperature PL measurement of the crystal growth layer is in the above range include a method in which crystal growth is performed while the crystal growth surface is flat in the crystal growth step.
As a growth method for controlling the crystal growth surface to a flat surface, it is preferable to perform crystal growth in a liquid phase. As a method for performing crystal growth in the liquid phase, a solution or melt containing an alkali metal as a main component can be mentioned. “Containing as a main component” means containing 10% or more by weight% concentration.
Examples of the alkali metal include Li, Na, K, and Cs. The solution or melt used in the crystal growth step preferably contains these alkali metal components, but does not inhibit the epitaxial growth on the seed. There are no particular restrictions on the type of the product.

このうち、水素分子及び/又は水素化物を用いて、液相中で結晶成長を行うことが好ましい。具体的には
(1)原料及び溶媒を含む溶液又は融液を作製する工程
(2)溶液又は融液である液相、並びに水素分子及び/又は水素化物を有する気相の存在下、液相中で窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させる成長工程
を含む方法であることが好ましい。
なお、「水素分子及び/又は水素化物を有する気相」とは、気相中に水素分子(H)、或いはアンモニア(NH)、メタン(CH)、エタン(C)等の水素化物が少なくとも含まれることを意味するものであり、例えば窒素分子(N)等の水素分子、水素化物以外の成分が含まれてもよいことを意味する。この中でも、アンモニア、又は水素(分子)及び窒素(分子)の組合せがより好ましく、即ち、
(1’)原料及び溶媒を含む溶液又は融液を作製する工程
(2’)溶液又は融液である液相、並びに水素及び窒素、又はアンモニアを有する気相の存在下、液相中で窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させる成長工程
を含む方法であることが特に好ましい。
なお、本発明において結晶表面が平坦であるとは、100倍の倍率の顕微鏡で結晶表面を観察した場合において、鋭角の突起(棘)が確認できる場合には、平坦ではないと判断し、確認できない場合には平坦と判断する。なだらかな斜面が存在する場合であっても鋭角の突起が存在しなければ平坦とする。
Among these, it is preferable to perform crystal growth in a liquid phase using hydrogen molecules and / or hydrides. Specifically, (1) a step of producing a solution or melt containing a raw material and a solvent (2) a liquid phase in the presence of a liquid phase that is a solution or a melt and a gas phase having hydrogen molecules and / or hydrides. Among them, a method including a growth step of epitaxially growing a gallium nitride crystal is preferable.
The “gas phase having hydrogen molecules and / or hydrides” means hydrogen molecules (H 2 ), ammonia (NH 3 ), methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), etc. in the gas phase. This means that at least a hydrogen molecule such as a nitrogen molecule (N 2 ) or a component other than a hydride may be contained. Among these, ammonia or a combination of hydrogen (molecule) and nitrogen (molecule) is more preferable,
(1 ′) Step of producing a solution or melt containing a raw material and a solvent (2 ′) Nitriding in the liquid phase in the presence of a liquid phase that is a solution or a melt and a gas phase containing hydrogen and nitrogen or ammonia A method including a growth step of epitaxially growing a gallium crystal is particularly preferable.
In the present invention, the crystal surface is flat. When the crystal surface is observed with a microscope with a magnification of 100 times, if an acute angle protrusion (spin) can be confirmed, it is determined that the crystal surface is not flat. If not, it is judged flat. Even if there is a gentle slope, it will be flat if there are no sharp projections.

上記(1)及び(1’)は、結晶を成長させる工程の前段階として、エピタキシャル成長に使用する液相用の溶液又は融液を調製する工程を意味する。例えば、原料を溶媒に溶かす操作、又は溶媒となる化合物が常温で固体である場合、加熱等を行って融液を調整する操作も、溶液又は融液を調製する工程に含まれる。ただし、原料及び溶媒を含む溶液又は融液とは、原料が溶媒に完全に溶解されている必要はなく、固体原料が分散又は固形物として溶液中に存在する不均一系であってもよい。   The above (1) and (1 ') mean a step of preparing a liquid phase solution or melt used for epitaxial growth as a pre-stage of the crystal growth step. For example, an operation of dissolving the raw material in a solvent or an operation of adjusting the melt by heating or the like when the compound serving as the solvent is solid at room temperature is also included in the step of preparing the solution or the melt. However, the solution or melt containing the raw material and the solvent does not need to be completely dissolved in the solvent, and may be a heterogeneous system in which the solid raw material is dispersed or present in the solution as a solid.

上記(2)及び(2’)は、液相に取り囲まれた領域で窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させる液相成長法を利用した成長工程であり、さらに反応系中に水素分子及び/又は水素化物を有する気相を有し、水素分子及び/又は水素化物をエピタキシャル成長における反応に利用した成長工程である。ここで、成長工程における「溶液又は融液である液相」とは、前述した溶液又は融液を作製する工程における「溶液又は融液」と必ずしも同一のものを意図するものではない。溶液又は融液を作製する工程における「溶液又は融液」は、成長工程に使用するために作製されるが、成長工程における「溶液又は融液」には、エピタキシャル成長の反応によって生じた副生成物や気相から供給されるHやN等が含まれる場合があり、初期(エピタキシャル成長開始前)の組成と同一とは限らないためである。   The above (2) and (2 ′) are growth steps using a liquid phase growth method in which a gallium nitride crystal is epitaxially grown in a region surrounded by the liquid phase. Further, hydrogen molecules and / or hydrides are introduced into the reaction system. It is a growth process that has a gas phase and uses hydrogen molecules and / or hydrides for reactions in epitaxial growth. Here, the “liquid phase that is a solution or a melt” in the growth step is not necessarily intended to be the same as the “solution or melt” in the step of preparing the solution or the melt described above. The “solution or melt” in the process of preparing the solution or melt is prepared for use in the growth process, but the “solution or melt” in the growth process includes a by-product generated by the reaction of epitaxial growth. This is because H, N, or the like supplied from the gas phase may be included and is not always the same as the initial composition (before the start of epitaxial growth).

水素分子及び/又は水素化物を用いた、液相中での結晶成長に使用する装置の概念図(図1)を参照し、窒化ガリウムの製造例を挙げて以下詳細に説明する。図1中の104は反応容器、108は溶媒となる溶融塩であるLiCl、106は原料となる複合窒化物であるLiGaN(固体)、105はシード基板である窒化ガリウム結晶を表している。本発明に係る成長工程では、水素分子及び/又は水素化物を含む109の気相と、溶液又は融液からなる108の液相が存在することを特徴とする。
「溶液又は融液である液相」中のLiGaN(LiGaNは、LiNと錯塩を作り溶解すると考えられる)が、同じく液相中に存在するシード基板表面に到達し、下記式(2)に示される平衡反応により結晶成長が進行する。
With reference to a conceptual diagram (FIG. 1) of an apparatus used for crystal growth in a liquid phase using hydrogen molecules and / or hydrides, a manufacturing example of gallium nitride will be described in detail below. 1, 104 represents a reaction vessel, 108 represents LiCl as a molten salt serving as a solvent, 106 represents Li 3 GaN 2 (solid) as a composite nitride serving as a raw material, and 105 represents a gallium nitride crystal serving as a seed substrate. Yes. The growth process according to the present invention is characterized in that 109 gas phases containing hydrogen molecules and / or hydrides and 108 liquid phases comprising a solution or a melt exist.
Li 3 GaN 2 (Li 3 GaN 2 is considered to form a complex salt with Li 3 N and dissolve) in the “liquid phase that is a solution or melt” reaches the seed substrate surface that is also present in the liquid phase. Crystal growth proceeds by an equilibrium reaction represented by the following formula (2).

また、「水素分子及び/又は水素化物を有する気相」中の水素分子及び/又は水素化物が、直接又は液相中に溶解して、上記式(2)で生成したLiNを水素化及び/又は窒化し、水素化リチウム、リチウムイミド、又はリチウムアミドを生成させる。
例えばリチウムアミド(LiNH)は、下記式(3)、及び/又は(4)に示される反応によって生成する。窒化ガリウム結晶近傍のLiN濃度の上昇は、成長速度の低下を招き、また急激なLiN濃度の低下も急激なGaN生成に繋がり、雑晶の発生や結晶性の低下を招く。水素分子及び/又は水素化物は成長速度を適度に調節する役割を果たす。なお、水素化リチウム、リチウムイミド、リチウムアミドが生成する反応は何れも平衡反応であり、水素分子及び/又は水素化物の濃度によってLiN濃度を調節することができる。
Further, hydrogen molecules and / or hydrides in the “gas phase having hydrogen molecules and / or hydrides” are dissolved directly or in the liquid phase to hydrogenate Li 3 N produced by the above formula (2). And / or nitriding to produce lithium hydride, lithium imide, or lithium amide.
For example, lithium amide (LiNH 2 ) is produced by the reaction represented by the following formula (3) and / or (4). An increase in the Li 3 N concentration in the vicinity of the gallium nitride crystal causes a decrease in the growth rate, and an abrupt decrease in the Li 3 N concentration also leads to rapid GaN formation, leading to the generation of miscellaneous crystals and a decrease in crystallinity. Hydrogen molecules and / or hydrides serve to moderately regulate the growth rate. Incidentally, lithium hydride, lithium imide, the reaction of lithium amide is produced is both equilibrium reaction, it is possible to adjust the Li 3 N concentration by the concentration of hydrogen molecules and / or hydride.

水素分子及び/又は水素化物を用いて、液相中で結晶成長を行う方法は、Si濃度がO濃度よりも高い窒化ガリウム結晶成長層を得るために非常に有効である。「水素分子及び/又は水素化物を有する気相」中の水素又は水素化物は、エピタキシャル成長させる雰囲気中に不純物として存在する酸素(O2)及び/又は含酸素化合物(例えばH2O、SiO2)を除去及び/又は捕集する働きをする。また、前述のように水素分子及び/又は水素
化物は、成長速度を適度に調節する働きをしており、転位やボイドや積層欠陥等の結晶欠陥の少ない窒化ガリウム結晶を形成することができる。結晶欠陥は酸素等のドーパントを取り込みやすい特徴があり、欠陥の多い結晶は必然的にO濃度も高くなる傾向にある。従って、かかる成長方法を採用することによって、O濃度よりもSi濃度が高い結晶を形成し易くすることができるのである。加えて、Li3Nが溶解した溶融塩は含Si成分が溶解しやすい溶液又は融液であり、窒化ガリウム結晶成長層のSi濃度を高める役割も果たしているのである。
The method of crystal growth in the liquid phase using hydrogen molecules and / or hydrides is very effective for obtaining a gallium nitride crystal growth layer having a Si concentration higher than the O concentration. The hydrogen or hydride in the “gas phase having hydrogen molecules and / or hydride” is oxygen (O 2 ) and / or oxygen-containing compounds (for example, H 2 O, SiO 2 ) present as impurities in the atmosphere in which epitaxial growth is performed. Removes and / or collects. Further, as described above, the hydrogen molecules and / or hydrides function to moderately adjust the growth rate, and can form gallium nitride crystals with few crystal defects such as dislocations, voids, and stacking faults. A crystal defect has a characteristic that it easily takes in a dopant such as oxygen, and a crystal with many defects inevitably tends to have a high O concentration. Therefore, by adopting such a growth method, it is possible to easily form a crystal having a Si concentration higher than the O concentration. In addition, the molten salt in which Li 3 N is dissolved is a solution or melt in which the Si-containing component is easily dissolved, and also plays a role of increasing the Si concentration of the gallium nitride crystal growth layer.

上記水素及び窒素、又はアンモニアを用いた液相中での結晶成長を行う場合の原料は、適宜設定することができるが、例えば、前述したLiGaNのように、ガリウム(Ga)と周期表第1族金属及び/又は周期表第2族金属とを含有する複合窒化物が好適なものとして例示することができる。第1族金属及び/又は第2族金属としては、Liの他にNa、Ca、Sr、Ba、Mg等が挙げられる。Gaと第1族金属及び/又は第2族金属とを含有する複合窒化物としては、LiGaNの他に、CaGa、BaGa、MgGaN、BaGa等が挙げられる。Gaと第1族金属及び/又は第2族金属とを含有する複合窒化物は、例えば窒化ガリウム粉体と第1族金属及び/又は第2族金属窒化物粉体(例えばLiN、Ca)とを混合した後、温度を上げて固相反応させる方法;Gaと第1族金属及び/又は第2族金属とを含む合金を作製し、窒素雰囲気中で加熱する方法;等により調製することができる。例えばLiGaNは、Ga−Li合金を窒素雰囲気中で600〜800℃で加熱処理することによって作製することができる。 The raw material for crystal growth in the liquid phase using hydrogen and nitrogen or ammonia can be set as appropriate. For example, like Li 3 GaN 2 described above, gallium (Ga) and the period can be set. A composite nitride containing a Group 1 metal and / or a Group 2 metal of the periodic table can be exemplified as a preferable example. Examples of the Group 1 metal and / or Group 2 metal include Na, Ca, Sr, Ba, Mg and the like in addition to Li. As a composite nitride containing Ga and a Group 1 metal and / or Group 2 metal, in addition to Li 3 GaN 2 , Ca 3 Ga 2 N 4 , Ba 3 Ga 2 N 4 , Mg 3 GaN 3 , Ba 3 Ga 2 N 4 and the like. The composite nitride containing Ga and Group 1 metal and / or Group 2 metal is, for example, gallium nitride powder and Group 1 metal and / or Group 2 metal nitride powder (for example, Li 3 N, Ca 3 N 2 ) and then a solid phase reaction by raising the temperature; a method of producing an alloy containing Ga and a Group 1 metal and / or a Group 2 metal and heating in a nitrogen atmosphere; etc. Can be prepared. For example, Li 3 GaN 2 can be manufactured by heat-treating a Ga—Li alloy at 600 to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere.

Gaと第1族金属及び/又は第2族金属とを含有する複合窒化物以外の原料としては、例えばGaと第1族金属及び/又は第2族金属との合金からなるターゲットを用い、反応性スパッター法によって窒素プラズマと反応させて合成した混合窒化物膜を挙げることができる。混合窒化物膜は、化学的に合成が難しいような窒化物を用いる場合に好適である。   As a raw material other than the composite nitride containing Ga and Group 1 metal and / or Group 2 metal, for example, a target made of an alloy of Ga and Group 1 metal and / or Group 2 metal is used and reacted. Examples thereof include mixed nitride films synthesized by reacting with nitrogen plasma by a reactive sputtering method. The mixed nitride film is suitable when a nitride that is difficult to synthesize chemically is used.

原料が上記(2)において固体である場合には、固体原料は溶媒に完全に溶解している必要はない。一部が溶解せずに反応容器内に存在する場合であっても、結晶成長により消費された分が、随時、溶媒中に供給されることとなる。また、溶媒に対する原料の量は、特に限定されず目的に応じて適宜設定することができるが、液相に対して、通常2質量%以上、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上であり、通常50質量%以下、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。上記範囲であると連続生産のための効率性を高めることができ、さらに反応容器内のスペースを確保できる。   When the raw material is a solid in the above (2), the solid raw material does not need to be completely dissolved in the solvent. Even when a part is not dissolved but is present in the reaction vessel, the amount consumed by crystal growth is supplied to the solvent as needed. Further, the amount of the raw material with respect to the solvent is not particularly limited and can be appropriately set according to the purpose. These are usually 50% by mass or less, preferably 30% by mass or less, and more preferably 20% by mass or less. Within the above range, the efficiency for continuous production can be increased, and a space in the reaction vessel can be secured.

「水素分子及び/又は水素化物を有する気相」における水素化物の具体的種類、気相中の水素分子及び/又は水素化物の濃度等は特に限定されない。水素化物としては、アンモニア(NH)、メタン(CH)、エタン(C)等が挙げられるが、アンモニア(NH)が特に好ましい。また、前述のように気相中には水素分子、水素化物以外の成分が含まれてもよく、例えば窒素分子(N)等が含まれてもよい。以下、水素分子(H)を含む場合、アンモニア(NH)を含む場合、窒素(N)を含む場合のそれぞれの濃度等の条件について詳細に説明する。
水素分子(H)を含む場合、気相中のH濃度は、通常0.001mol%以上、好ましくは0.1mol%以上、より好ましくは1mol%以上であり、通常99.9mol%以下、好ましくは99mol%以下、より好ましくは90mol%以下である。
アンモニア(NH)を含む場合、気相中のNH濃度は、通常0.001mol%以上、好ましくは0.01mol%以上、より好ましくは0.1mol%以上であり、通常99.9mol%以下、好ましくは99mol%以下、より好ましくは90mol%以下である。
窒素分子(N)を含む場合、気相中のN濃度は通常0.1mol%以上、好ましくは1mol%以上、より好ましくは10mol%以上であり、通常100mol%以下、好ましくは99.9mol%以下、より好ましくは99mol%以下である。
さらにこれらの成分については、予め気相に含ませておくほか、結晶成長中に逐次供給してもよい。
水素ガス(H)を逐次供給する場合、供給流量は常温常圧に換算した量で、通常0.0001L/min以上、好ましくは0.001L/min以上、より好ましくは0.01L/min以上であり、通常10L/min以下、好ましくは5L/min以下、より好ましくは1L/min以下である。
アンモニアガス(NH)を逐次供給する場合、通常0.0001L/min以上、好ましくは0.001L/min以上、より好ましくは0.01L/min以上であり、通常10L/min以下、好ましくは5L/min以下、より好ましくは1L/min以下である。
窒素分子(N)を逐次供給する場合、供給流量は常温常圧に換算した量で、通常0.001L/min以上、好ましくは0.01L/min以上、より好ましくは0.1L/min以上であり、通常100L/min以下、好ましくは50L/min以下、より好ましくは10L/min以下である。
水素ガス(H)と窒素ガス(N)の混合ガスを逐次供給する場合(H:10vol%の場合)、通常0.001L/min以上、好ましくは0.01L/min以上、より好ましくは0.1L/min以上であり、通常100L/min以下、好ましくは50L/min以下、より好ましくは10L/min以下である。
アンモニアガス(NH)と窒素ガス(N)の混合ガスを逐次供給する場合(NH:2.7vol%の場合)、通常0.001L/min以上、好ましくは0.01L/min以上、より好ましくは0.1L/min以上であり、通常100L/min以下、好ましくは50L/min以下、より好ましくは10L/min以下である。
上記範囲であると、本発明の窒化ガリウム結晶を効率良く製造することができる。
The specific kind of hydride in the “gas phase having hydrogen molecules and / or hydrides”, the concentration of hydrogen molecules and / or hydrides in the gas phase, and the like are not particularly limited. Examples of the hydride include ammonia (NH 3 ), methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ) and the like, and ammonia (NH 3 ) is particularly preferable. Further, as described above, the gas phase may contain components other than hydrogen molecules and hydrides, for example, nitrogen molecules (N 2 ) and the like. Hereinafter, conditions such as concentration when hydrogen molecules (H 2 ) are included, when ammonia (NH 3 ) is included, and when nitrogen (N 2 ) is included will be described in detail.
When hydrogen molecules (H 2 ) are included, the H 2 concentration in the gas phase is usually 0.001 mol% or more, preferably 0.1 mol% or more, more preferably 1 mol% or more, usually 99.9 mol% or less, Preferably it is 99 mol% or less, More preferably, it is 90 mol% or less.
When ammonia (NH 3 ) is contained, the NH 3 concentration in the gas phase is usually 0.001 mol% or more, preferably 0.01 mol% or more, more preferably 0.1 mol% or more, and usually 99.9 mol% or less. , Preferably 99 mol% or less, more preferably 90 mol% or less.
When nitrogen molecules (N 2 ) are contained, the N 2 concentration in the gas phase is usually 0.1 mol% or more, preferably 1 mol% or more, more preferably 10 mol% or more, and usually 100 mol% or less, preferably 99.9 mol. % Or less, more preferably 99 mol% or less.
Furthermore, these components may be supplied in advance during the crystal growth, in addition to being previously contained in the gas phase.
When hydrogen gas (H 2 ) is sequentially supplied, the supply flow rate is an amount converted to normal temperature and normal pressure, and is usually 0.0001 L / min or more, preferably 0.001 L / min or more, more preferably 0.01 L / min or more. It is usually 10 L / min or less, preferably 5 L / min or less, more preferably 1 L / min or less.
When ammonia gas (NH 3 ) is sequentially supplied, it is usually 0.0001 L / min or more, preferably 0.001 L / min or more, more preferably 0.01 L / min or more, and usually 10 L / min or less, preferably 5 L. / Min or less, more preferably 1 L / min or less.
When nitrogen molecules (N 2 ) are sequentially supplied, the supply flow rate is an amount converted to normal temperature and normal pressure, and is usually 0.001 L / min or more, preferably 0.01 L / min or more, more preferably 0.1 L / min or more. Usually, it is 100 L / min or less, preferably 50 L / min or less, more preferably 10 L / min or less.
In the case of sequentially supplying a mixed gas of hydrogen gas (H 2 ) and nitrogen gas (N 2 ) (when H 2 is 10 vol%), usually 0.001 L / min or more, preferably 0.01 L / min or more, more preferably Is 0.1 L / min or more, usually 100 L / min or less, preferably 50 L / min or less, more preferably 10 L / min or less.
When sequentially supplying a mixed gas of ammonia gas (NH 3 ) and nitrogen gas (N 2 ) (in the case of NH 3 : 2.7 vol%), usually 0.001 L / min or more, preferably 0.01 L / min or more, More preferably, it is 0.1 L / min or more, usually 100 L / min or less, preferably 50 L / min or less, more preferably 10 L / min or less.
Within the above range, the gallium nitride crystal of the present invention can be produced efficiently.

使用する溶媒は特に限定されないが、金属塩を主成分とする溶媒が好ましい。金属塩の含有量は50重量%以上が好ましく、70重量%以上がより好ましく、90重量%以上がさらに好ましい。特に金属塩を融解した溶融塩を溶媒として用いることが好ましい。   Although the solvent to be used is not specifically limited, the solvent which has a metal salt as a main component is preferable. The content of the metal salt is preferably 50% by weight or more, more preferably 70% by weight or more, and still more preferably 90% by weight or more. In particular, a molten salt obtained by melting a metal salt is preferably used as a solvent.

金属塩の種類は、結晶成長を阻害しないものであれば特に限定されず、Li、Na、K等のアルカリ金属塩および/またはMg、Ca、Sr等のアルカリ土類金属塩のハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、イオウ化物等を挙げることができる。具体的には、LiCl、KCl、NaCl、CaCl、BaCl、CsCl、LiBr、KBr、CsBr、LiF、KF、NaF、LiI、NaI、CaI、BaI等の金属ハロゲン化物が好ましく、LiCl、KCl、NaCl、CsCl、CaCl、BaClがより好ましい。金属塩の種類は1種類に限定されず、複数種類の金属塩を適宜組み合わせて用いてもよい。なかでも、ハロゲン化リチウムとこれ以外の金属塩を併用することがより好ましい。ハロゲン化リチウムの含有率は金属塩の全体量に対して30%以上が好ましく、80%以上がさらに好ましい。 The type of the metal salt is not particularly limited as long as it does not inhibit the crystal growth. Alkali metal salts such as Li, Na and K and / or halides and carbonates of alkaline earth metal salts such as Mg, Ca and Sr Examples thereof include salts, nitrates, and sulfides. Specifically, LiCl, KCl, NaCl, CaCl 2, BaCl 2, CsCl, LiBr, KBr, CsBr, LiF, KF, NaF, LiI, NaI, metal halides such as CaI 2, BaI 2 preferably, LiCl, KCl, NaCl, CsCl, CaCl 2 and BaCl 2 are more preferable. The type of metal salt is not limited to one type, and a plurality of types of metal salts may be used in appropriate combination. Among these, it is more preferable to use lithium halide and a metal salt other than this together. The content of lithium halide is preferably 30% or more, more preferably 80% or more, based on the total amount of the metal salt.

また、Gaと第1族金属及び/又は第2族金属とを含有する複合窒化物の溶解度を増加させるために、例えばLiN、Ca、Mg、Sr、Baなどの第1族金属又は第2族金属の窒化物等が溶媒に含まれていることが好ましい。 In order to increase the solubility of the composite nitride containing Ga and the Group 1 metal and / or the Group 2 metal, for example, Li 3 N, Ca 3 N 2 , Mg 3 N 2 , Sr 3 N 2 , It is preferable that a group 1 metal such as Ba 3 N 2 or a nitride of a group 2 metal is included in the solvent.

金属塩は、一般的に吸湿性が強いため、多くの水分を含んでいる。窒化ガリウム結晶を製造するためには、水分等の酸素源となり得る不純物をできるだけ取り除いておくことが必要であり、即ち溶媒を予め精製しておくことが好ましい。精製方法は特に限定されないが、例えば特開2007−084422号に記載されている装置を用い、溶媒に反応性気体を吹き込む方法が挙げられる。例えば、常温で固体の金属塩を溶媒とする場合には、加熱して融解し、塩化水素、ヨウ化水素、臭化水素、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、塩素、臭素、又はヨウ素等の反応性気体を吹き込みバブリングすることによって水分等の不純物を取り除くことができる。塩化物の溶融塩に対しては、特に塩化水素を用いることが好ましい。   Metal salts generally have a high hygroscopic property and therefore contain a large amount of moisture. In order to produce a gallium nitride crystal, it is necessary to remove impurities that can be an oxygen source such as moisture as much as possible, that is, it is preferable to purify the solvent in advance. Although the purification method is not particularly limited, for example, a method in which a reactive gas is blown into a solvent using an apparatus described in JP-A-2007-084422 can be mentioned. For example, when a metal salt that is solid at room temperature is used as a solvent, it is melted by heating to hydrogen chloride, hydrogen iodide, hydrogen bromide, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium iodide, chlorine, bromine, or iodine. Impurities such as moisture can be removed by bubbling with a reactive gas such as. It is particularly preferable to use hydrogen chloride for the molten salt of chloride.

結晶成長面を平坦面として成長させるためには、液相中の不純物が少ないことが好ましい。液相中の不純物とは液相中に溶存している元素種、液相中に分散している化学種、基板表面に付着する化学種等をいう。これらの不純物が結晶表面に付着すると、結晶成長面を平坦面として成長させることが困難となり、また結晶成長層に積層欠陥が発生しやすくなる傾向にある。
これらの不純物は、液相中に100ppm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、1ppm以下であることが更に好ましい。
In order to grow the crystal growth surface as a flat surface, it is preferable that the impurities in the liquid phase are small. Impurities in the liquid phase refer to elemental species dissolved in the liquid phase, chemical species dispersed in the liquid phase, chemical species attached to the substrate surface, and the like. When these impurities adhere to the crystal surface, it becomes difficult to grow the crystal growth surface as a flat surface, and stacking faults tend to occur in the crystal growth layer.
These impurities are preferably 100 ppm or less in the liquid phase, more preferably 10 ppm or less, and still more preferably 1 ppm or less.

液相を保持するために用いる反応容器の形態は、特に限定されず、目的に応じて適宜設定することができる。また、反応容器の材質は、本発明の製造方法における反応を阻害しないものであれば特に制限されないが、熱的および化学的に安定な金属、酸化物、窒化物、炭化物を主成分とすることが好ましい。周期表第4族元素(Ti、Zr、Hf)を含む金属であることが好適であり、好ましくはTiを用いる場合である。   The form of the reaction vessel used for maintaining the liquid phase is not particularly limited, and can be appropriately set depending on the purpose. In addition, the material of the reaction vessel is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction in the production method of the present invention, but the main component is a thermally and chemically stable metal, oxide, nitride, or carbide. Is preferred. A metal containing a Group 4 element (Ti, Zr, Hf) of the periodic table is suitable, and Ti is preferably used.

また、反応容器の材質は、加工性や機械的耐久性に富む材質であることが好ましく90
重量%以上が前記第4族元素である金属を用いることがより好ましい。さらに好ましくは、99重量%以上が前記第4族元素である金属を用いることである。さらに、これらの反応容器の表面は、周期表第4族元素の窒化物からなることが好ましく、後述するような窒化処理方法によってあらかじめ窒化物を形成することが好適である。
The material of the reaction vessel is preferably a material rich in processability and mechanical durability.
It is more preferable to use a metal whose weight% is the Group 4 element. More preferably, 99% by weight or more of a metal that is the Group 4 element is used. Further, the surfaces of these reaction vessels are preferably made of nitrides of Group 4 elements of the periodic table, and it is preferable to form nitrides beforehand by a nitriding method as described later.

また、使用する部材、例えば撹拌翼、種結晶保持棒、種結晶保持台、バッフル、ガス導入管、バルブ等については、以下に説明する窒化処理を行って、溶液又は融液に接触する表面に強固かつ安定な窒化物を形成しておくことが好ましい。加工性や機械的耐久性を保つために、窒化物を窒化膜の形態で形成してもよい。
窒化処理方法は表面に形成される窒化物が安定であれば特に限定はないが、例えば前記反応容器の部材を700℃以上の窒素雰囲気下において加熱保持することで、前記部材表面に安定な窒化膜を形成することができる。
更には、高温下でアルカリ金属窒化物やアルカリ土類金属窒化物を窒化剤として使用して前記部材表面を窒化することも可能であり、好ましくはアルカリ金属ハロゲン化物やアルカリ土類金属ハロゲン化物と前記アルカリ金属窒化物やアルカリ土類金属窒化物との混合融液中に保持することで、安定な窒化膜を形成することができる。また、実際に結晶成長を行なう条件と同様の条件下に部材を保持することで、簡便に窒化処理を行なうこともできる。
In addition, members to be used, such as a stirring blade, a seed crystal holding rod, a seed crystal holding table, a baffle, a gas introduction pipe, a valve, etc., are subjected to nitriding treatment as described below, on the surface in contact with the solution or melt. It is preferable to form a strong and stable nitride. In order to maintain workability and mechanical durability, the nitride may be formed in the form of a nitride film.
The nitriding treatment method is not particularly limited as long as the nitride formed on the surface is stable. For example, the member of the reaction vessel is heated and held in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. or higher, so that stable nitriding is performed on the surface of the member. A film can be formed.
Furthermore, the surface of the member can be nitrided using an alkali metal nitride or alkaline earth metal nitride as a nitriding agent at a high temperature, preferably an alkali metal halide or an alkaline earth metal halide. A stable nitride film can be formed by holding it in a mixed melt with the alkali metal nitride or alkaline earth metal nitride. In addition, the nitriding treatment can be easily performed by holding the member under the same conditions as the actual crystal growth conditions.

反応容器内にて窒化ガリウム結晶を成長させる際の成長温度は、通常200℃以上、好ましくは400℃以上、より好ましくは600℃以上であり、また、通常1000℃以下、好ましくは850℃以下、より好ましくは800℃以下である。また、反応容器内の圧力は、通常10MPa以下であり、好ましくは3MPa以下、さらに好ましくは0.3MPa以下、より好ましくは0.11MPa以下であって、通常0.01MPa以上、好ましくは0.09MPa以上である。   The growth temperature when growing the gallium nitride crystal in the reaction vessel is usually 200 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, more preferably 600 ° C. or higher, and usually 1000 ° C. or lower, preferably 850 ° C. or lower. More preferably, it is 800 degrees C or less. The pressure in the reaction vessel is usually 10 MPa or less, preferably 3 MPa or less, more preferably 0.3 MPa or less, more preferably 0.11 MPa or less, and usually 0.01 MPa or more, preferably 0.09 MPa. That's it.

気相から液相に溶存する水素、又はアンモニアを溶液又は融液内に均一に分布させるためには、溶液又は融液内を攪拌することが望ましい。攪拌方法は特に限定されないが、基板を回転させて攪拌する方法、攪拌翼を入れ回転させて攪拌させる方法、送液ポンプで流動を作成し攪拌させる方法、反応容器を回転または揺動させることにより攪拌させる方法などが挙げられる。   In order to uniformly distribute hydrogen or ammonia dissolved from the gas phase to the liquid phase in the solution or melt, it is desirable to stir the solution or melt. The stirring method is not particularly limited, but a method of stirring by rotating a substrate, a method of stirring by inserting a stirring blade, a method of creating and stirring a flow with a liquid feed pump, or rotating or swinging a reaction vessel Examples include a stirring method.

結晶成長の成長速度は、上記温度、圧力等によって調節することが可能であり、特に、結晶成長面を平坦面として成長させるためには、成長速度を50μm/day〜1cm/dayとすることが好ましく、より好ましくは100μm/day〜0.5cm/dayである。   The growth rate of crystal growth can be adjusted by the temperature, pressure, and the like. In particular, in order to grow the crystal growth surface as a flat surface, the growth rate may be 50 μm / day to 1 cm / day. Preferably, it is 100 μm / day to 0.5 cm / day.

また、液相中での結晶成長では、通常シード基板は固定用の基板保持具により液相中に保持されている。そして、結晶成長を行う際には、液相内の均一性を保つために、例えば基板保持具に固定されたシード基板を回転させる。シード基板を回転させることで、シード基板表面には、回転により液に向かっていく面と、液から遠ざかる面の2面が生じることとなる。図1においてシード基板105表面は、回転軸よりも左側半分は図の手前側に向かって回転することとなり、回転により液に向かっていく面である。一方、回転軸よりも右側半分は図の奥側に向かって回転することとなり、回転により液から遠ざかる面となる。シード基板表面のうち液に向かっていく側、すなわち図1でいう左側部分に成長した成長層は、成長面を平坦面として成長させやすい。一方、シード基板表面のうち液から遠ざかる側、すなわち図1でいう右側部分に成長した成長層は、成長面が平坦面になり難い。これは、基板が回転することで液相中に流れが生じ、シード基板表面のうち液から遠ざかっていく面については表面での流れが乱れるため、成長面を平坦面として成長させにくい。このことは、シード基板を回転させる以外の攪拌方法の場合にも同様であり、攪拌翼や送液ポンプを用いたり、反応容器を回転または揺動させる場合であっても、シード基板表面での液の流れが乱れにくい場所においては、成長面を平坦面として成長させやすい。   In crystal growth in the liquid phase, the seed substrate is usually held in the liquid phase by a fixing substrate holder. When crystal growth is performed, for example, a seed substrate fixed to a substrate holder is rotated in order to maintain uniformity in the liquid phase. By rotating the seed substrate, two surfaces are generated on the surface of the seed substrate: a surface that faces the liquid by the rotation and a surface that moves away from the liquid. In FIG. 1, the surface of the seed substrate 105 is a surface on the left half of the rotation axis that rotates toward the near side of the drawing and toward the liquid by the rotation. On the other hand, the right half of the rotating shaft rotates toward the back side in the figure, and becomes a surface away from the liquid by the rotation. The growth layer grown on the seed substrate surface toward the liquid, that is, on the left side in FIG. 1, is easy to grow with the growth surface as a flat surface. On the other hand, the growth layer grown on the side away from the liquid on the surface of the seed substrate, that is, on the right side portion in FIG. This is because a flow occurs in the liquid phase due to the rotation of the substrate, and the flow away from the surface of the seed substrate surface is disturbed. Therefore, it is difficult to grow the growth surface as a flat surface. This is also the case with stirring methods other than rotating the seed substrate, and even when using a stirring blade or a liquid feed pump, or when rotating or swinging the reaction vessel, In a place where the flow of the liquid is not easily disturbed, the growth surface is easy to grow as a flat surface.

このように、結晶成長工程において結晶成長面を平坦面としながら結晶成長させる場合には、結晶中に不純物を取り込み難くなる。そのため、結晶成長層における該窒素化ガリウム以外の不純物濃度が通常1018atoms/cm以下、好ましくは1017atoms/cm以下、より好ましくは1016atoms/cm以下である。なお、不純物としては、例えばH、O、C、Si,Cl、Li、Na、Ti、Mgが挙げられる。ただし、結晶成長層として不純物半導体結晶を製造する際には、ドーパントとなり得る不純物元素(O、Si、Mg等)に関してはこの限りではなく、制御して必要量取り込ませることができる。 Thus, in the crystal growth step, when crystal growth is performed while the crystal growth surface is flat, it is difficult to incorporate impurities into the crystal. Therefore, the impurity concentration other than the gallium nitride in the crystal growth layer is usually 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 10 17 atoms / cm 3 or less, more preferably 10 16 atoms / cm 3 or less. Examples of impurities include H, O, C, Si, Cl, Li, Na, Ti, and Mg. However, when manufacturing an impurity semiconductor crystal as a crystal growth layer, the impurity element (O, Si, Mg, etc.) that can be a dopant is not limited to this, and a necessary amount can be controlled and incorporated.

本発明に係る窒化ガリウム結晶は、さまざまな用途に用いることができる。特に紫外〜青色の発光ダイオード又は半導体レーザ等の比較的短波長側の発光素子、及び緑色〜赤色の比較的長波長側の発光素子を製造するための基板として、さらに電子デバイス等の半導体デバイスの基板としても有用である。   The gallium nitride crystal according to the present invention can be used for various applications. In particular, as a substrate for manufacturing a light emitting element on a relatively short wavelength side such as an ultraviolet to blue light emitting diode or a semiconductor laser, and a light emitting element on a relatively long wavelength side of green to red, further a semiconductor device such as an electronic device is used. It is also useful as a substrate.

以下、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に詳細に説明するが、以下の実施例に示す具体的な形態にのみ限定的に解釈されることはない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further in detail, it is not limitedly interpreted only to the specific form shown in the following Examples.

<シード基板の評価>
HVPE法により成長させたGaN結晶を準備し、これを(10−10)面を主面とするGaN基板(厚み300μm、大きさ5×20mmの板状)とし、シード基板として用いた。
このシード基板について図2に示す4箇所(Point1乃至Point4)に対し、低温PL測定を行った。その結果を図3に示す。なお、低温PL測定は、測定温度4Kにて、励起光源に中心波長325nmのHe−Cdレーザを用い、PL測定を実施した。用いたシード基板は、GaNのバンド端PL強度に対する3.41eV付近の積層欠陥起因のPL強度比(BSFピーク/NBEピーク)が0.17〜0.87であり、積層欠陥を多量に含むものであった。
<Evaluation of seed substrate>
A GaN crystal grown by the HVPE method was prepared, and this was used as a seed substrate as a GaN substrate (thickness 300 μm, size 5 × 20 mm) having a (10-10) plane as a main surface.
With respect to this seed substrate, low-temperature PL measurement was performed at four points (Point 1 to Point 4) shown in FIG. The result is shown in FIG. The low temperature PL measurement was performed at a measurement temperature of 4K using a He—Cd laser having a central wavelength of 325 nm as an excitation light source. The seed substrate used has a PL intensity ratio (BSF peak / NBE peak) near 0.14 to 0.87 due to stacking faults in the vicinity of 3.41 eV with respect to the band edge PL intensity of GaN, and contains a large amount of stacking faults. Met.

<実施例1>
(1)固体のLiGaN 4.5gを外径34mm、内径30mm、高さ200mmのチタン(Ti)製の反応容器に入れ、次いで溶媒としてLiCl 45gを、炭化タングステン製乳鉢で粉砕してから反応容器に入れた。固体のLiGaNは、篩を使用して710μm以上2mm以下の粒径のものを選んで使用した。次に反応容器とGaNのシード基板を取り付けたタングステン製シード保持棒を石英製の反応管内にセットし、反応管のガス導入口およびガス排気口を閉状態にした。これらの操作は全てArボックス中で行った。
(2)反応管をArボックスから取り出し、電気炉にセットした。反応管にガス導入管をつなぎ、導入管中を減圧にした後、さらに反応管のガス導入口を開いて反応管内を減圧にしてから水素−窒素混合ガス(水素10vol%)で大気圧まで復圧し、反応管内を水素窒素混合雰囲気とした。その後、反応管のガス排気口を開き、水素窒素混合ガス(水素10vol%)を流量計設定値100cm/min(20℃、1atmに対する換算値)で流通させた。
(3)電気炉の加熱を開始し、反応容器の内部が室温から750℃になるまで1時間で昇温し、塩であるLiClを溶融させた溶融塩を溶媒とした。
(4)750℃で2時間保持した後、シード保持棒の先端に取り付けたシード基板を反応容器中の溶液(融液)中に投入し、結晶成長を開始した。シード基板には(10−10
)面を主面とするGaN基板(厚み300μm、大きさ5×10mmの板状、上記シード基板の評価で用いた基板の図2における左半分と同一)を用いた。
(5)750℃で89.5時間成長させた後、シード基板を溶液から引き上げてから炉の加熱を止め、石英製反応管を冷却した。冷却後、反応管からシード基板を取り出し、シード基板に付着した塩を水で溶かした。シード基板の主面にGaN結晶からなるGaN結晶成長層が形成されており、厚みは23μmであった。目視観察の結果、得られたGaN成長層は無色透明であり、GaN成長層中のO濃度は十分に少なく、Si濃度がO濃度よりも高いと考えられる。
<Example 1>
(1) Put 4.5 g of solid Li 3 GaN 2 into a reaction vessel made of titanium (Ti) having an outer diameter of 34 mm, an inner diameter of 30 mm, and a height of 200 mm, and then pulverize 45 g of LiCl as a solvent in a tungsten carbide mortar. Into the reaction vessel. Solid Li 3 GaN 2 having a particle size of 710 μm or more and 2 mm or less was selected and used using a sieve. Next, a tungsten seed holding rod to which a reaction vessel and a GaN seed substrate were attached was set in a quartz reaction tube, and the gas inlet and the gas exhaust port of the reaction tube were closed. All these operations were performed in an Ar box.
(2) The reaction tube was taken out from the Ar box and set in an electric furnace. After connecting the gas introduction pipe to the reaction pipe and reducing the pressure inside the introduction pipe, the gas introduction port of the reaction pipe is further opened to reduce the pressure inside the reaction pipe, and then the pressure is restored to atmospheric pressure with a hydrogen-nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%). The reaction tube was filled with hydrogen / nitrogen atmosphere. Thereafter, the gas exhaust port of the reaction tube was opened, and a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 10 vol%) was allowed to flow at a flow meter set value of 100 cm 3 / min (converted value with respect to 20 ° C. and 1 atm).
(3) Heating of the electric furnace was started, the temperature was raised in one hour until the inside of the reaction vessel reached room temperature to 750 ° C., and a molten salt obtained by melting LiCl as a salt was used as a solvent.
(4) After holding at 750 ° C. for 2 hours, the seed substrate attached to the tip of the seed holding rod was put into the solution (melt) in the reaction vessel to start crystal growth. (10-10 for seed substrate)
) Substrate was used as the main surface (thickness 300 μm, size 5 × 10 mm plate, same as the left half of FIG. 2 of the substrate used in the evaluation of the seed substrate).
(5) After growing at 750 ° C. for 89.5 hours, the seed substrate was lifted from the solution, and then the heating of the furnace was stopped and the quartz reaction tube was cooled. After cooling, the seed substrate was taken out from the reaction tube, and the salt adhering to the seed substrate was dissolved with water. A GaN crystal growth layer made of GaN crystals was formed on the main surface of the seed substrate, and the thickness was 23 μm. As a result of visual observation, the obtained GaN growth layer is colorless and transparent, and the O concentration in the GaN growth layer is sufficiently low, and the Si concentration is considered to be higher than the O concentration.

(6)測定温度4Kにて、励起光源に中心波長325nmのHe−Cdレーザを用い、PL測定を実施した。低温PL測定は、図4に示すPoint5、及びPoint6に対し行い、その結果を図5に示す。生成したGaN結晶成長層のうち、Point5については、バンド端PL強度に対する3.41eV付近の積層欠陥起因のPL強度比(BSFピーク/NBEピーク)が0.005と積層欠陥が大幅に減少した領域が存在することが確認された。光学顕微鏡で観察した結果、積層欠陥が減少した領域は成長表面が平滑であり、結晶成長層における平坦部の面積は全体で13mmであり、連続して10mmであった。
一方、Point6については、バンド端PL強度に対する3.41eV付近の積層欠陥起因のPL強度比(BSFピーク/NBEピーク)が0.18であった。
(6) PL measurement was performed using a He—Cd laser having a central wavelength of 325 nm as an excitation light source at a measurement temperature of 4K. Low-temperature PL measurement is performed on Point 5 and Point 6 shown in FIG. 4, and the results are shown in FIG. Among the generated GaN crystal growth layers, for Point 5, the PL intensity ratio (BSF peak / NBE peak) due to stacking faults near 3.41 eV with respect to the band edge PL intensity is 0.005, and the stacking faults are greatly reduced. Was confirmed to exist. As a result of observation with an optical microscope, the growth surface of the region where stacking faults were reduced was smooth, and the area of the flat portion in the crystal growth layer was 13 mm 2 as a whole, and was continuously 10 mm 2 .
On the other hand, for Point 6, the PL intensity ratio (BSF peak / NBE peak) due to stacking faults near 3.41 eV with respect to the band edge PL intensity was 0.18.

<実施例2>
(1)固体のLiGaN 2.16gを外径34mm、内径30mm、高さ200mmのチタン(Ti)製の反応容器に入れ、次いで溶媒としてLiCl 28.8gを、炭化タングステン製乳鉢で粉砕してから反応容器に入れた。固体のLiGaNは、篩を使用して710μm以上2mm以下の粒径のものを選んで使用した。次に反応容器とGaNのシード基板を取り付けたタングステン製シード保持棒を石英製の反応管内にセットし、反応管のガス導入口およびガス排気口を閉状態にした。これらの操作は全てArボックス中で行った。
(2)反応管をArボックスから取り出し、電気炉にセットした。反応管にガス導入管をつなぎ、導入管中を減圧にした後、さらに反応管のガス導入口を開いて反応管内を減圧にしてから水素−窒素混合ガス(水素5vol%)で大気圧まで復圧し、反応管内を水素窒素混合雰囲気とした。その後、反応管のガス排気口を開き、水素窒素混合ガス(水素5vol%)を流量計設定値300cm/min(20℃、1atmに対する換算値)で流通させた。
(3)電気炉の加熱を開始し、反応容器の内部が室温から745℃になるまで1時間で昇温し、塩であるLiClを溶融させた溶融塩を溶媒とした。
(4)745℃で7時間保持した後、シード保持棒の先端に取り付けたシード基板を反応容器中の溶液(融液)中に投入し、結晶成長を開始した。シード基板には(10−10)面を主面とするGaN基板(厚み800μm、大きさ5×10mmの板状)を用いた。該GaN基板は上記シード基板の評価で用いた基板と同様の製造方法で得られており、上記シード基板の評価で用いた基板と同等のバンド端PL強度に対する3.41eV付近の積層欠陥起因のPL強度比(BSFピーク/NBEピーク)を示す。
(5)745℃で40時間成長させた後、シード基板を溶液から引き上げてから炉の加熱を止め、石英製反応管を冷却した。冷却後、反応管からシードを取り出し、シード基板に付着した塩を水で溶かした。シード基板の主面にGaN結晶からなるGaN成長層が形成されており、厚みは19μmであった。目視観察の結果、得られたGaN成長層は無色透明であった。
<Example 2>
(1) 2.16 g of solid Li 3 GaN 2 is placed in a titanium (Ti) reaction vessel having an outer diameter of 34 mm, an inner diameter of 30 mm, and a height of 200 mm, and then 28.8 g of LiCl as a solvent is pulverized in a tungsten carbide mortar. Then, it was put in a reaction container. Solid Li 3 GaN 2 having a particle size of 710 μm or more and 2 mm or less was selected and used using a sieve. Next, a tungsten seed holding rod to which a reaction vessel and a GaN seed substrate were attached was set in a quartz reaction tube, and the gas inlet and the gas exhaust port of the reaction tube were closed. All these operations were performed in an Ar box.
(2) The reaction tube was taken out from the Ar box and set in an electric furnace. After connecting the gas introduction pipe to the reaction pipe and reducing the pressure inside the introduction pipe, the gas introduction port of the reaction pipe is further opened to reduce the pressure inside the reaction pipe, and then the pressure is restored to atmospheric pressure with a hydrogen-nitrogen mixed gas (hydrogen 5 vol%). The reaction tube was filled with hydrogen / nitrogen atmosphere. Thereafter, the gas exhaust port of the reaction tube was opened, and a hydrogen nitrogen mixed gas (hydrogen 5 vol%) was allowed to flow at a flow meter set value of 300 cm 3 / min (converted value for 20 ° C., 1 atm).
(3) Heating of the electric furnace was started, the temperature inside the reaction vessel was raised from room temperature to 745 ° C. over 1 hour, and a molten salt obtained by melting LiCl as a salt was used as a solvent.
(4) After holding at 745 ° C. for 7 hours, the seed substrate attached to the tip of the seed holding rod was put into the solution (melt) in the reaction vessel to start crystal growth. As the seed substrate, a GaN substrate (plate shape having a thickness of 800 μm and a size of 5 × 10 mm) having a (10-10) plane as a main surface was used. The GaN substrate is obtained by the same manufacturing method as the substrate used in the evaluation of the seed substrate, and is caused by a stacking fault near 3.41 eV with respect to the band edge PL intensity equivalent to the substrate used in the evaluation of the seed substrate. The PL intensity ratio (BSF peak / NBE peak) is shown.
(5) After growing at 745 ° C. for 40 hours, the seed substrate was lifted from the solution, and then the heating of the furnace was stopped, and the quartz reaction tube was cooled. After cooling, the seed was taken out from the reaction tube, and the salt adhering to the seed substrate was dissolved with water. A GaN growth layer made of GaN crystal was formed on the main surface of the seed substrate, and the thickness was 19 μm. As a result of visual observation, the obtained GaN growth layer was colorless and transparent.

(6)得られた成長層のSIMS測定を行ったところ、Si濃度が1.8×1018cm-3、O濃度が検出下限以下(実測値:2.5×1016cm-3、下限値:3×1016cm-3
)、Na濃度が3.2×1015cm-3であった。
(7)得られた成長層のX線回折の(100)回折ピークのロッキングカーブの半値幅はc軸と平行方向にX線を入射した場合22arcsecであり、c軸と垂直方向にX線を入射した場合29arcsecであった。またc軸と垂直方向にX線を入射して測定した(300)回折ピークのロッキングカーブの半値幅は70arcsec、c軸と垂直方向にX線を入射して測定した(102)回折ピークのロッキングカーブの半値幅は32arcsecであり、いずれの結果も得られた成長層の結晶性が極めて良好であることを示していた。また得られた成長面の97%が非極性面又は半極性面であった。
(6) When SIMS measurement of the obtained growth layer was performed, the Si concentration was 1.8 × 10 18 cm −3 and the O concentration was below the detection lower limit (actual measurement value: 2.5 × 10 16 cm −3 , lower limit). Value: 3 × 10 16 cm -3
), And the Na concentration was 3.2 × 10 15 cm −3 .
(7) The full width at half maximum of the rocking curve of the (100) diffraction peak of the X-ray diffraction of the obtained growth layer is 22 arcsec when the X-ray is incident in the direction parallel to the c-axis, and the X-ray is perpendicular to the c-axis. The incident light was 29 arcsec. The half-width of the rocking curve of the (300) diffraction peak measured by incidence of X-rays perpendicular to the c-axis was 70 arcsec, and measured by incidence of X-rays perpendicular to the c-axis (102) rocking of diffraction peaks. The half width of the curve was 32 arcsec, and all the results showed that the crystallinity of the obtained growth layer was extremely good. Further, 97% of the obtained growth surface was a nonpolar surface or a semipolar surface.

(8)測定温度13Kにて、励起光源に中心波長325nmのHe−Cdレーザを用い、低温PL測定を実施した。その結果を図6に示す。生成したGaN結晶成長層はバンド端PL強度に対する3.41eV付近の積層欠陥起因のPL強度比(BSFピーク/NBEピーク)は0.008であった。また、光学顕微鏡で観察した結果、GaN結晶成長層表面は平滑であり、結晶成長層における平坦部の面積は全体で45mmであり、連続した平坦部の範囲も45mmであった。 (8) Low temperature PL measurement was performed using a He-Cd laser having a central wavelength of 325 nm as an excitation light source at a measurement temperature of 13K. The result is shown in FIG. The generated GaN crystal growth layer had a PL intensity ratio (BSF peak / NBE peak) due to stacking faults in the vicinity of 3.41 eV with respect to the band edge PL intensity of 0.008. As a result of observation with an optical microscope, the surface of the GaN crystal growth layer was smooth, the area of the flat portion in the crystal growth layer was 45 mm 2 as a whole, and the range of the continuous flat portion was 45 mm 2 .

<実施例3>
(1)固体のLiGaN 1.5gを外径34mm、内径30mm、高さ200mmのチタン(Ti)製の反応容器に入れ、次いで溶媒としてLiCl 15gを、炭化タングステン製乳鉢で粉砕してから反応容器に入れた。固体のLiGaNは、篩を使用して710μm以上2mm以下の粒径のものを選んで使用した。次に反応容器とGaNシードを取り付けたタングステン製シード保持棒を石英製の反応管内にセットし、反応管のガス導入口およびガス排気口を閉状態にした。これらの操作は全てArボックス中で行った。
(2)反応管をArボックスから取り出し、電気炉にセットした。反応管にガス導入管をつなぎ、導入管中を減圧にした後、さらに反応管のガス導入口を開いて反応管内を減圧にしてからアンモニア−窒素混合ガス(アンモニア2.7vol%)で大気圧まで復圧し、反応管内をアンモニア−窒素混合雰囲気とした。その後、反応管のガス排気口を開き、アンモニア窒素混合ガス(アンモニア2.7vol%)を流量計設定値100cm/min(20℃、1atmに対する換算値)で流通させた。
(3)電気炉の加熱を開始し、反応容器の内部が室温から750℃になるまで1時間で昇温し、塩であるLiClを溶融させた溶融塩を溶媒とした。
(4)745℃で2時間保持した後、シード保持棒の先端に取り付けたシード基板を反応容器中の溶液(融液)中に投入し、結晶成長を開始した。シード基板には(20−21)面を主面とするGaN基板(厚み330μm、大きさ5×10mmの板状)を用いた。該GaN基板は上記シード基板の評価で用いた基板と同様の製造方法で得られており、上記シード基板の評価で用いた基板と同等のバンド端PL強度に対する3.41eV付近の積層欠陥起因のPL強度比(BSFピーク/NBEピーク)を示す。
(5)750℃で20時間成長させた後、シードを溶液から引き上げてから炉の加熱を止め、石英製反応管を冷却した。冷却後、反応管からシード基板を取り出し、シード基板に付着した塩を水で溶かした。シード基板の主面にGaN結晶からなるGaN結晶成長層が形成されていた。目視観察の結果、得られたGaN成長層は無色透明であった。
<Example 3>
(1) Put 1.5 g of solid Li 3 GaN 2 into a reaction vessel made of titanium (Ti) having an outer diameter of 34 mm, an inner diameter of 30 mm, and a height of 200 mm, and then pulverize 15 g of LiCl as a solvent in a tungsten carbide mortar. Into the reaction vessel. Solid Li 3 GaN 2 having a particle size of 710 μm or more and 2 mm or less was selected and used using a sieve. Next, a tungsten seed holding rod fitted with a reaction vessel and a GaN seed was set in a quartz reaction tube, and the gas inlet and the gas exhaust port of the reaction tube were closed. All these operations were performed in an Ar box.
(2) The reaction tube was taken out from the Ar box and set in an electric furnace. After connecting the gas introduction tube to the reaction tube and reducing the pressure in the introduction tube, the gas introduction port of the reaction tube is further opened to reduce the pressure in the reaction tube, and then the atmospheric pressure is applied with an ammonia-nitrogen mixed gas (ammonia 2.7 vol%). The pressure in the reaction tube was changed to an ammonia-nitrogen mixed atmosphere. Then, the gas exhaust port of the reaction tube was opened, and ammonia nitrogen mixed gas (ammonia 2.7 vol%) was circulated at a flow meter set value of 100 cm 3 / min (converted value for 20 ° C. and 1 atm).
(3) Heating of the electric furnace was started, the temperature was raised in one hour until the inside of the reaction vessel reached room temperature to 750 ° C., and a molten salt obtained by melting LiCl as a salt was used as a solvent.
(4) After holding at 745 ° C. for 2 hours, the seed substrate attached to the tip of the seed holding rod was put into the solution (melt) in the reaction vessel to start crystal growth. As the seed substrate, a GaN substrate (a plate shape having a thickness of 330 μm and a size of 5 × 10 mm) having a (20-21) plane as a main surface was used. The GaN substrate is obtained by the same manufacturing method as the substrate used in the evaluation of the seed substrate, and is caused by a stacking fault near 3.41 eV with respect to the band edge PL intensity equivalent to the substrate used in the evaluation of the seed substrate. The PL intensity ratio (BSF peak / NBE peak) is shown.
(5) After growing at 750 ° C. for 20 hours, the seed was lifted from the solution and then the furnace was turned off and the quartz reaction tube was cooled. After cooling, the seed substrate was taken out from the reaction tube, and the salt adhering to the seed substrate was dissolved with water. A GaN crystal growth layer made of GaN crystals was formed on the main surface of the seed substrate. As a result of visual observation, the obtained GaN growth layer was colorless and transparent.

(6)得られたGaN成長層のSIMS分析を実施したところ、Si濃度は5.0×1017cm-3、O濃度は検出下限以下(実測値:2.0×1016cm-3、下限値:5×1016cm-3)、Na濃度は1.6×1014cm-3であった。
(7)得られたGaN成長層のX線回折の(201)回折ピークのロッキングカーブの半値幅は47arcsecであり、得られたGaN成長層の結晶性が良好であることを示している。また得られた成長面の97%が非極性面又は半極性面であった。
(6) When SIMS analysis of the obtained GaN growth layer was performed, the Si concentration was 5.0 × 10 17 cm −3 , and the O concentration was below the detection lower limit (actual value: 2.0 × 10 16 cm −3 , Lower limit: 5 × 10 16 cm −3 ) and Na concentration was 1.6 × 10 14 cm −3 .
(7) The full width at half maximum of the rocking curve of the (201) diffraction peak of X-ray diffraction of the obtained GaN growth layer is 47 arcsec, indicating that the obtained GaN growth layer has good crystallinity. Further, 97% of the obtained growth surface was a nonpolar surface or a semipolar surface.

(8)測定温度4Kにて、励起光源に中心波長325nmのHe−Cdレーザを用い、低温PL測定を実施した。その結果を図7に示す。生成したGaN成長層はバンド端PL強度に対する3.41eV付近の積層欠陥起因のPL強度比(BSFピーク/NBEピーク)は0.003であった。光学顕微鏡で観察した結果、GaN成長層表面は平滑であり、結晶成長層における平坦部の面積は全体で60mmであり、連続した平坦部の範囲も60mmであった。 (8) Low temperature PL measurement was performed using a He-Cd laser with a central wavelength of 325 nm as the excitation light source at a measurement temperature of 4K. The result is shown in FIG. The produced GaN growth layer had a PL intensity ratio (BSF peak / NBE peak) due to stacking faults in the vicinity of 3.41 eV with respect to the band edge PL intensity of 0.003. As a result of observation with an optical microscope, the surface of the GaN growth layer was smooth, the area of the flat portion in the crystal growth layer was 60 mm 2 as a whole, and the range of the continuous flat portion was also 60 mm 2 .

100 ガス導入口
101 ガス排気口
102 電気炉
103 石英製反応管
104 反応容器
105 シード(下地基板)
106 原料
107 シード保持棒
108 溶液又は融液(液相)
109 水素及び窒素、又はアンモニアを有する気相
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Gas introduction port 101 Gas exhaust port 102 Electric furnace 103 Reaction tube 104 made of quartz Reaction vessel 105 Seed (underlying substrate)
106 Raw material 107 Seed holding rod 108 Solution or melt (liquid phase)
109 Gas phase with hydrogen and nitrogen or ammonia

Claims (12)

非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウムからなるシード基板上に、窒化ガリウム結晶成長層を有する窒化ガリウム結晶であって、
低温PL測定により測定された、前記窒化ガリウム結晶成長層のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下であり、
前記窒化ガリウム結晶成長層内のSi濃度がO濃度よりも高い、窒化ガリウム結晶。
A gallium nitride crystal having a gallium nitride crystal growth layer on a seed substrate made of gallium nitride whose main surface is a nonpolar plane or a semipolar plane,
The ratio (BSF peak / NBE peak) of the emission intensity (BSF peak) at 3.41 eV to the band edge emission (NBE peak) of the gallium nitride crystal growth layer measured by low-temperature PL measurement is 0.1 or less. Oh it is,
A gallium nitride crystal in which the Si concentration in the gallium nitride crystal growth layer is higher than the O concentration .
低温PL測定により測定された、前記窒化ガリウムからなるシード基板のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以上である、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。   Ratio of emission intensity (BSF peak / NBE peak) of emission (BSF peak) at 3.41 eV to band edge emission (NBE peak) of the seed substrate made of gallium nitride measured by low temperature PL measurement is 0.1 or more The gallium nitride crystal according to claim 1, wherein 前記窒化ガリウム結晶成長層の成長厚みが10μm以上である、請求項1または2に記載の窒化ガリウム結晶。   The gallium nitride crystal according to claim 1 or 2, wherein a growth thickness of the gallium nitride crystal growth layer is 10 µm or more. 前記窒化ガリウムからなるシード基板の主面が非極性面である、請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化ガリウム結晶。   The gallium nitride crystal according to claim 1, wherein a main surface of the seed substrate made of gallium nitride is a nonpolar surface. 非極性面または半極性面の垂直方向に伸びる転位を有し、前記転位の転位密度が1.0×10cm−2以下である、請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化ガリウム結晶。 5. The nitriding according to claim 1 , having dislocations extending in a direction perpendicular to a nonpolar plane or a semipolar plane, and a dislocation density of the dislocations of 1.0 × 10 8 cm −2 or less. Gallium crystal. 前記Si濃度が1×1013cm−3以上である、請求項1から5のいずれか1項に記載の窒化ガリウム結晶。 The gallium nitride crystal according to claim 1, wherein the Si concentration is 1 × 10 13 cm −3 or more. 前記O濃度が3×1018cm−3以下である、請求項1から6のいずれか1項に記載の窒化ガリウム結晶。 The gallium nitride crystal according to claim 1, wherein the O concentration is 3 × 10 18 cm −3 or less. 前記窒化ガリウム結晶成長層内のNa濃度が1×1017cm−3以下である、請求項
1からのいずれか1項に記載の窒化ガリウム結晶。
The Na concentration of the gallium nitride crystal growth layer is 1 × 10 17 cm -3 or less, the gallium nitride crystal according to any one of claims 1 7.
非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウムからなるシード基板上に、窒化ガリウム結晶成長層を液相法により成長させる結晶成長工程、を有する窒化ガリウム結晶の製造方法であって、
低温PL測定により測定された、前記結晶成長工程により得られた窒化ガリウム結晶成長層のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以下である、窒化ガリウム結晶の製造方法。
A method for producing a gallium nitride crystal, comprising: a crystal growth step of growing a gallium nitride crystal growth layer on a seed substrate made of gallium nitride having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface by a liquid phase method ,
Ratio of emission intensity (BSF peak / NBE peak) of emission (BSF peak) at 3.41 eV to band edge emission (NBE peak) of the gallium nitride crystal growth layer obtained by the crystal growth step, measured by low temperature PL measurement ) Is 0.1 or less, the manufacturing method of the gallium nitride crystal.
低温PL測定により測定された、前記窒化ガリウムからなるシード基板のバンド端発光(NBEピーク)に対する3.41eVにおける発光(BSFピーク)の発光強度の比(BSFピーク/NBEピーク)が0.1以上である、請求項に記載の窒化ガリウム結晶の製造方法。 Ratio of emission intensity (BSF peak / NBE peak) of emission (BSF peak) at 3.41 eV to band edge emission (NBE peak) of the seed substrate made of gallium nitride measured by low temperature PL measurement is 0.1 or more The method for producing a gallium nitride crystal according to claim 9 . 前記窒化ガリウムからなるシード基板の主面が非極性面である、請求項9または10に記載の窒化ガリウム結晶の製造方法。 The method for producing a gallium nitride crystal according to claim 9 or 10 , wherein a main surface of the seed substrate made of gallium nitride is a nonpolar surface. 前記結晶成長工程は、その成長面が平坦面となるように成長させる、請求項9から11のいずれか1項に記載の窒化ガリウム結晶の製造方法。 The method for producing a gallium nitride crystal according to claim 9 , wherein the crystal growth step is performed such that the growth surface is a flat surface.
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