JP2004189590A - Group III nitride crystal, group III nitride crystal growth method, semiconductor device and system - Google Patents
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Abstract
【課題】 多数の結晶で構成される結晶集合体が形成されて、混合融液の表面を覆う事をなくし、安定してIII族窒化物を結晶成長させる。
【解決手段】 反応容器11内で、アルカリ金属とIII族金属を含む物質とが混合融液25を形成し、該混合融液25と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物30を結晶成長させるときに、混合融液25の昇温に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧する。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To stably grow a group III nitride crystal without forming a crystal aggregate composed of a large number of crystals and covering the surface of a mixed melt.
SOLUTION: An alkali metal and a substance containing a group III metal form a mixed melt 25 in a reaction vessel 11, and the mixed melt 25 and a substance containing at least nitrogen, and a group III metal and nitrogen are used. When growing the group III nitride 30 thus formed, the pressure of the substance containing nitrogen is increased in accordance with the temperature rise of the mixed melt 25.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、III族窒化物結晶およびIII族窒化物の結晶成長方法および半導体デバイスおよびシステムに関する。 The present invention relates to a group III nitride crystal, a method for growing a group III nitride crystal, and a semiconductor device and system.
現在、紫〜青〜緑色光源として用いられているInGaAlN系(III族窒化物)デバイスは、その殆どがサファイアあるいはSiC基板上に、MO−CVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法(分子線結晶成長法)等を用いた結晶成長により作製されている。サファイアやSiCを基板として用いた場合の問題点としては、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなることが挙げられる。サファイア基板上に結晶成長したIII族窒化物結晶では、転位密度は108〜1010cm−2程度と非常に大きい。これはデバイス特性に悪影響を及ぼす。例えば発光デバイスでは、寿命を長くすることが困難であったり、発光効率の低下や、動作電力が大きくなったりするという欠点につながっている。従って、高出力な発光素子は実用化が阻まれている。また、受光デバイスでは、暗電流が大きくなり、ノイズが増加するためS/N比が下がる。また、電子デバイスでは、結晶中の貫通転位は電極材料の異常拡散や高電界下において短絡を引き起こす原因となる。 Currently, most of InGaAlN-based (III-nitride) devices used as violet-blue-green light sources are formed on sapphire or SiC substrates by MO-CVD (metal-organic chemical vapor deposition) or MBE. (Molecular beam crystal growth method). A problem when sapphire or SiC is used as a substrate is that crystal defects caused by a large difference in thermal expansion coefficient and lattice constant from group III nitrides are increased. In a group III nitride crystal grown on a sapphire substrate, the dislocation density is as large as about 10 8 to 10 10 cm −2 . This has an adverse effect on device characteristics. For example, a light emitting device has drawbacks in that it is difficult to prolong its life, decrease in luminous efficiency, and increase operating power. Therefore, practical use of a high-output light-emitting element has been hindered. Further, in the light receiving device, the dark current increases and noise increases, so that the S / N ratio decreases. In an electronic device, threading dislocations in a crystal cause abnormal diffusion of an electrode material or cause a short circuit under a high electric field.
更に、サファイア基板の場合には絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題点がある。また、サファイア基板上に作製したIII族窒化物半導体デバイスは、劈開によるチップ分離が困難であり、レーザダイオード(LD)で必要とされる共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現在は、ドライエッチングによる共振器端面形成や、あるいは、サファイア基板を100μm以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも、従来のLDのような共振器端面とチップ分離を単一工程で、容易に行うことが不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。 Furthermore, in the case of a sapphire substrate, since it is insulative, it is impossible to take out an electrode from the substrate side as in a conventional light emitting device, and it is necessary to take out an electrode from the nitride semiconductor surface side on which crystals have grown. . As a result, there is a problem that the device area becomes large, which leads to high cost. Further, in a group III nitride semiconductor device fabricated on a sapphire substrate, it is difficult to separate chips by cleavage, and it is not easy to obtain a cavity facet required for a laser diode (LD) by cleavage. For this reason, at present, a resonator end face is formed by dry etching, or a sapphire substrate is polished to a thickness of 100 μm or less, and then a resonator end face is formed in a form close to cleavage. Also in this case, it is impossible to easily separate the end face of the resonator and the chip as in a conventional LD in a single process, which leads to complication of the process and an increase in cost.
これらの問題を解決するために、サファイア基板上でのIII族窒化物半導体膜の選択横方向成長やその他の工夫を行うことで、結晶欠陥を低減させることが提案されている。この手法では、サファイア基板上にGaN膜を選択横方向成長しない場合に比較して、結晶欠陥を低減させることが可能となっているが、サファイア基板を用いることに依る、絶縁性と劈開に関する前述の問題は依然として残っている。更には、工程が複雑化すること、及びサファイア基板とGaN薄膜という異種材料の組み合わせに伴う基板の反りという問題が生じる。これらは高コスト化につながっている。 In order to solve these problems, it has been proposed to reduce the crystal defects by performing selective lateral growth of a group III nitride semiconductor film on a sapphire substrate and other measures. In this method, crystal defects can be reduced as compared with a case where a GaN film is not selectively grown in a lateral direction on a sapphire substrate. The problem remains. Furthermore, there are problems that the process becomes complicated and that the substrate is warped due to a combination of different materials such as a sapphire substrate and a GaN thin film. These have led to higher costs.
こうした問題を解決するためには、基板上に結晶成長する材料と同一であるGaN基板が最も適切である。そのため、気相成長,融液成長等によりバルクGaNの結晶成長の研究がなされている。しかし、未だ高品質で且つ実用的な大きさを有するGaN基板は実現されていない。 In order to solve such a problem, a GaN substrate that is the same as a material that grows crystals on the substrate is most appropriate. Therefore, crystal growth of bulk GaN has been studied by vapor phase growth, melt growth, and the like. However, a GaN substrate having high quality and a practical size has not yet been realized.
例えば非特許文献1(第1の従来技術)では、GaNのバルク結晶を成長させ、それをホモエピタキシャル基板として用いることを提案している。これは、1400〜1700℃の高温、及び数10kbarもの超高圧の窒素圧力中で、液体GaからGaNを結晶成長する手法である。 For example, Non-Patent Document 1 (first prior art) proposes growing a GaN bulk crystal and using it as a homoepitaxial substrate. This is a method of growing GaN from liquid Ga at a high temperature of 1400 to 1700 ° C. and a nitrogen pressure of an extremely high pressure of several tens of kbar.
この場合には、このバルク成長したGaN基板を用いて、デバイスに必要なIII族窒化物半導体膜を成長することが可能となる。従って、工程が複雑化することなく、GaN基板を実現できる。しかし、この場合の欠点としては、高温,高圧中での結晶成長が必要となり、それに耐えうる反応容器が極めて高価になるという問題がある。また、この方法で成長した結晶は、C面を主面とする板状結晶で、主面の差し渡しの大きさは1cm程度となるが、厚さは高々20〜30μmと薄く、デバイス作製プロセス中に割れてしまうなどの問題がある。 In this case, a group III nitride semiconductor film required for a device can be grown using the bulk-grown GaN substrate. Therefore, a GaN substrate can be realized without complicating the process. However, as a disadvantage in this case, there is a problem that crystal growth at a high temperature and a high pressure is required, and a reaction vessel that can withstand this becomes extremely expensive. The crystal grown by this method is a plate-like crystal having a C-plane as a main surface, and the width of the main surface is about 1 cm, but the thickness is as thin as 20 to 30 μm at the maximum, and the thickness during the device manufacturing process is small. There is a problem such as cracking.
GaN基板を実現する別の手法として、非特許文献2(第2の従来技術)では、Naをフラックスとして用いたGaN結晶成長方法が提案されている。この方法は、アジ化ナトリウム(NaN3)と金属Gaを原料として、ステンレス製の反応容器(容器内寸法;内径=7.5mm、長さ=100mm)に窒素雰囲気で封入し、その反応容器を600〜800℃の温度で24〜100時間保持することにより、GaN結晶を成長させるものである。 As another technique for realizing a GaN substrate, Non-Patent Document 2 (second conventional technique) proposes a GaN crystal growth method using Na as a flux. In this method, sodium azide (NaN 3 ) and metal Ga are used as raw materials, and the reaction vessel is sealed in a nitrogen-containing atmosphere in a stainless steel reaction vessel (inner diameter: inner diameter = 7.5 mm, length = 100 mm). The GaN crystal is grown by maintaining the temperature at 600 to 800 ° C. for 24 to 100 hours.
この第2の従来技術の場合には、600〜800℃と比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々100kg/cm2程度と比較的圧力が低く、実用的な成長条件であることが特徴である。しかし、この方法の問題点としては、得られる結晶の大きさが1mmに満たない程度に小さい点である。 In the case of the second conventional technique, crystal growth can be performed at a relatively low temperature of 600 to 800 ° C., and the pressure in the container is relatively low, at most about 100 kg / cm 2. Is a characteristic. However, a problem of this method is that the size of the obtained crystal is small to less than 1 mm.
これまで、本願の発明者らは、例えば、特許文献1(従来技術3)、特許文献2(従来技術4)、特許文献3(従来技術5)、特許文献4(従来技術6)に示されている発明を案出している。 Until now, the inventors of the present application have been disclosed in, for example, Patent Literature 1 (Prior Art 3), Patent Literature 2 (Prior Art 4), Patent Literature 3 (Prior Art 5), and Patent Literature 4 (Prior Art 6). Have devised an invention.
ここで、特許文献1(従来技術3)には、V族原料を安定に供給する発明が示されている。また、特許文献2(従来技術4)には、種結晶を用いて成長する方法が示されている。また、特許文献3(従来技術5)には、III族金属とアルカリ金属の化合物からIII族原料を供給してIII族窒化物結晶の成長を行うことが示されている。また、特許文献4(従来技術6)には、立方晶のIII族窒化物結晶の成長方法が示されている。 Here, Patent Literature 1 (Prior Art 3) discloses an invention for stably supplying a group V raw material. Patent Document 2 (Prior Art 4) discloses a method of growing using a seed crystal. Patent Document 3 (Prior Art 5) discloses that a group III material is supplied from a compound of a group III metal and an alkali metal to grow a group III nitride crystal. Patent Document 4 (Prior Art 6) discloses a method for growing a cubic group III nitride crystal.
これらの結晶成長方法では、III族金属とアルカリ金属を含む混合融液に、窒素を含む物質を反応容器外部から供給し、III族窒化物結晶を成長させている。 In these crystal growth methods, a nitrogen-containing substance is supplied from outside the reaction vessel to a mixed melt containing a group III metal and an alkali metal to grow a group III nitride crystal.
以下、特許文献1(従来技術3)の発明を図面に基づいて説明する。図17は特許文献1(従来技術3)の結晶成長装置の構成例を示す図である。図17を参照すると、反応容器101内には、III族金属(例えば、Ga(ガリウム))とフラックス(例えば、金属NaあるいはNaを含む化合物(アジ化ナトリウムなど))との混合融液102が収容されている。また、反応容器101には、結晶成長可能な温度に制御可能な加熱装置105が具備されている。
Hereinafter, the invention of Patent Document 1 (Prior Art 3) will be described with reference to the drawings. FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of a crystal growth apparatus of Patent Document 1 (Prior Art 3). Referring to FIG. 17, a mixed
また、反応容器101内の気体と融液102の境界領域である気液界面113に接するように、種結晶(例えば、GaN結晶)103が設けられている。
A seed crystal (for example, GaN crystal) 103 is provided so as to be in contact with a gas-
また、窒素原料としては窒素ガスが用いられ、窒素ガスを反応容器101内に供給するため、反応容器101の外部には、第1のガス供給装置120が設けられている。ここで、第1のガス供給装置120は、気体の窒素原料を貯めておくための第1のシリンダー110と、第1のバルブ111とにより構成されている。これにより、窒素ガスは、窒素ガスが充填された第1のガス供給装置120の第1のシリンダー110から窒素供給管106を介して、反応容器101外から反応容器101内に供給可能となっている。
Further, a nitrogen gas is used as a nitrogen source, and a first
また、窒素圧力を調整するために、圧力調整機構が窒素供給管106の途中に設けられている。この窒素ガスの圧力調整機構は、圧力センサー107及び圧力調整弁108から構成されており、圧力センサー107で測定された圧力情報がケーブル109を介して圧力調整弁108に伝わり、圧力調整弁108で圧力調整がなされ、反応容器101内の窒素圧力が所望の値に設定されるようになっている。
Further, a pressure adjusting mechanism is provided in the middle of the
窒素ガスが充填された第1のシリンダー110内の窒素ガス圧力は、III族窒化物(例えばGaN)結晶が、結晶成長する際に生じる反応容器101内の圧力以上になるように、窒素ガスが充填されている。
The nitrogen gas pressure in the
従って、窒素原料としての窒素ガスは、第1のシリンダー110から供給され、圧力調整機構で窒素原料のガス圧力が調整されて、反応容器101内に供給される。
Therefore, the nitrogen gas as the nitrogen source is supplied from the
このような構成の結晶成長装置を使用して、結晶成長可能な成長温度、窒素圧力、Na量の条件下において、種結晶103を核としてIII族窒化物結晶(例えばGaN結晶)が成長し、アルカリ金属(例えばNa)とIII族金属(例えば、Ga(ガリウム))を含む融液102と外部から供給される窒素ガスとを原料として、時間経過と共にIII族窒化物結晶の大きさが大きくなっていく。
Using a crystal growth apparatus having such a configuration, a group III nitride crystal (for example, a GaN crystal) is grown with the
このように、特許文献1(従来技術3)の発明では、III族金属とアルカリ金属(例えばNa)が十分ある状態で、窒素原料である窒素ガスを外部から供給することで、継続的なIII族窒化物結晶(GaN結晶)の成長が可能となり、III族窒化物結晶(GaN結晶)を所望の大きさに成長させることが可能となっている。 As described above, in the invention of Patent Literature 1 (Prior Art 3), when the group III metal and the alkali metal (for example, Na) are sufficiently provided, the nitrogen gas as the nitrogen raw material is supplied from the outside, whereby the continuous III gas is supplied. It is possible to grow a group III nitride crystal (GaN crystal), and to grow a group III nitride crystal (GaN crystal) to a desired size.
同様に、特許文献2(従来技術4)、特許文献3(従来技術5)、特許文献4(従来技術6)の発明においても、窒素原料は反応容器の外部から供給され、継続的なIII族窒化物結晶(GaN結晶)の成長が行われる。 Similarly, in the inventions of Patent Literature 2 (Prior Art 4), Patent Literature 3 (Prior Art 5), and Patent Literature 4 (Prior Art 6), the nitrogen raw material is supplied from the outside of the reaction vessel, and a continuous group III gas is supplied. A nitride crystal (GaN crystal) is grown.
しかしながら、これらの発明(従来技術3、4、5、6)では、いずれも、多数の結晶で構成される結晶集合体が混合融液表面を覆う場合があった。このため、混合融液中のIII族金属が結晶集合体の形成のために消費されて原料が枯渇し所望の結晶が大きくならないといった事や、融液表面近傍の成長領域が結晶集合体に占められて融液表面で所望の結晶を成長することができなくなるという問題があった。また、従来技術3,従来技術4では、種結晶に新たに結晶核が多数形成されて多結晶体化してしまう事や、種結晶が結晶集合体に覆われてしまう事があった。
本発明は、従来問題であった、多数の結晶で構成される結晶集合体が形成されて、混合融液の表面を覆う事をなくし、それによって混合融液中のIII族金属が結晶集合体の形成に消費されて原料が枯渇し所望の結晶が大きくならないといった事や、結晶集合体に混合融液表面近傍の成長領域を奪われて融液表面近傍で所望の結晶を成長することができなくなるという問題を解決し、安定してIII族窒化物を結晶成長させることの可能なIII族窒化物の結晶成長方法を提供することを目的としている。 The present invention eliminates the conventional problem that a crystal aggregate composed of a large number of crystals is formed and covers the surface of the mixed melt, whereby the group III metal in the mixed melt becomes a crystal aggregate. It is possible to grow the desired crystal in the vicinity of the melt surface by depriving the raw material of the raw material to the depletion of the raw material and the growth of the crystal aggregate near the surface of the mixed melt. It is an object of the present invention to solve the problem of disappearance and provide a method for growing a group III nitride crystal in which a group III nitride crystal can be stably grown.
また、本発明は、種結晶を用いたIII族窒化物の結晶成長において、種結晶に新たに結晶核が付着して多結晶化したり、種結晶が結晶集合体に覆われてしまうといった事態が生じることを防止し、種結晶から高品質の所望のIII族窒化物結晶を成長させることの可能なIII族窒化物の結晶成長方法を提供することを目的としている。 Further, in the present invention, in the growth of a group III nitride crystal using a seed crystal, a crystal nucleus is newly attached to the seed crystal and polycrystal is formed, or the seed crystal is covered with a crystal aggregate. It is an object of the present invention to provide a method for growing a group III nitride crystal which can prevent the generation of the group III crystal and grow a desired high quality group III nitride crystal from a seed crystal.
また、本発明は、大型の高品質な単結晶のIII族窒化物結晶を提供することを目的としている。 Another object of the present invention is to provide a large, high-quality single-crystal group III nitride crystal.
また、本発明は、高品質なIII族窒化物を用いた高性能,高信頼性の半導体デバイスを提供することを目的としている。 Another object of the present invention is to provide a high-performance, high-reliability semiconductor device using a high-quality group III nitride.
また、本発明は、高品質なIII族窒化物を用いた高性能,高信頼性の半導体デバイスを利用した高性能のシステムを提供することを目的としている。 Another object of the present invention is to provide a high-performance system using a high-performance, high-reliability semiconductor device using a high-quality group III nitride.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金属とIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention according to
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, a substance containing nitrogen is introduced into the reaction vessel from outside the reaction vessel in accordance with an increase in the temperature of the mixed melt. Then, the pressure of the substance containing nitrogen is increased.
また、請求項3記載の発明は、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質とを反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, an inert gas and a substance containing nitrogen are supplied from outside the reaction vessel in accordance with the temperature rise of the mixed melt. It is characterized in that the pressure of a substance containing nitrogen is increased by being introduced into a reaction vessel.
また、請求項4記載の発明は、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、反応容器内に窒素を含む物質を導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長することを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, after introducing a nitrogen-containing substance into the reaction vessel, the reaction vessel is closed, and the mixed melt is grown. It is characterized in that a group III nitride crystal is grown by raising the temperature to a temperature.
また、請求項5記載の発明は、請求項4記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、反応容器内の窒素を含む物質の分圧が所定の結晶成長温度で所定の圧力となる量の窒素を含む物質を反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the method for growing a group III nitride crystal according to the fourth aspect, wherein the partial pressure of the nitrogen-containing substance in the reaction vessel becomes a predetermined pressure at a predetermined crystal growth temperature. The method is characterized in that after introducing a substance containing nitrogen into the reaction vessel, the reaction vessel is sealed, and the temperature is raised to a predetermined crystal growth temperature to grow a group III nitride crystal.
また、請求項6記載の発明は、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長することを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, after introducing a substance containing nitrogen and an inert gas into the reaction vessel, the reaction vessel is sealed and mixed. It is characterized in that the melt is heated to a crystal growth temperature to grow a group III nitride crystal.
また、請求項7記載の発明は、請求項6記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度で、それぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。 According to a seventh aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the sixth aspect, the partial pressures of the nitrogen-containing substance and the inert gas in the reaction vessel are respectively adjusted at a predetermined crystal growth temperature. After introducing a substance containing nitrogen and an inert gas in a predetermined pressure amount into the reaction vessel, the reaction vessel is sealed, and the temperature is increased to a predetermined crystal growth temperature to perform group III nitride crystal growth. It is characterized by.
また、請求項8記載の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、板状のIII族窒化物結晶を結晶成長することを特徴としている。 According to an eighth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to any one of the first to seventh aspects, a plate-shaped group III nitride crystal is grown. And
また、請求項9記載の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、柱状のIII族窒化物結晶を成長することを特徴としている。 According to a ninth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to any one of the first to seventh aspects, a columnar group III nitride crystal is grown. .
また、請求項1記載の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、種結晶にIII族窒化物を結晶成長することを特徴としている。 According to a first aspect of the present invention, in the method of growing a group III nitride according to any one of the first to seventh aspects, the group III nitride is grown as a seed crystal. I have.
また、請求項11記載の発明は、請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の表面近傍でIII族窒化物を結晶成長することを特徴としている。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride according to any one of the eighth to tenth aspects, the group III nitride is grown near the surface of the mixed melt. It is characterized by:
また、請求項12記載の発明は、請求項8または請求項10または請求項11に記載のIII族窒化物の結晶成長方法で結晶成長されたIII族窒化物結晶であって、該III族窒化物は、板状GaN単結晶であることを特徴としている。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a group III nitride crystal grown by the method for growing a group III nitride crystal according to the eighth, tenth or eleventh aspect, wherein the group III nitride crystal is The object is a plate-like GaN single crystal.
また、請求項13記載の発明は、請求項9または請求項10または請求項11に記載のIII族窒化物の結晶成長方法で結晶成長されたIII族窒化物結晶であって、該III族窒化物は、柱状GaN単結晶であることを特徴としている。 According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a group III nitride crystal grown by the method for growing a group III nitride according to the ninth, tenth, or eleventh aspect, wherein the group III nitride crystal is The object is characterized by being a columnar GaN single crystal.
また、請求項14記載の発明は、請求項12または請求項13記載のIII族窒化物結晶を用いたことを特徴とする半導体デバイスである。 According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device using the group III nitride crystal according to the twelfth or thirteenth aspect.
また、請求項15記載の発明は、請求項14記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項12または請求項13記載のIII族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造を有する発光素子であることを特徴としている。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the fourteenth aspect, the semiconductor device is a light emitting device having a semiconductor laminated structure laminated on the group III nitride crystal according to the twelfth or thirteenth aspect. It is characterized by having.
また、請求項16記載の発明は、請求項14記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項12または請求項13記載のIII族窒化物結晶を用いて形成された受光素子であることを特徴としている。 According to a sixteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the fourteenth aspect, the semiconductor device is a light receiving element formed using the group III nitride crystal according to the twelfth or thirteenth aspect. Features.
また、請求項17記載の発明は、請求項14記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項12または請求項13記載のIII族窒化物結晶を用いて形成された電子デバイスであることを特徴としている。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the semiconductor device of the fourteenth aspect, the semiconductor device is an electronic device formed using the group III nitride crystal of the twelfth or thirteenth aspect. Features.
また、請求項18記載の発明は、請求項14乃至請求項17のいずれか一項に記載の半導体デバイスを具備したことを特徴とするシステムである。
An invention according to
請求項1乃至請求項11記載の発明によれば、反応容器内で、アルカリ金属とIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧するので、混合融液の温度上昇に追随して反応容器内の窒素の圧力が増加し、混合融液中の窒素濃度が増加する。このような混合融液中への窒素の導入方法を行うと、従来問題であった、混合融液表面近傍で多数の核発生が起こり多数の結晶で構成される結晶集合体が形成されて混合融液表面を覆うという事が抑制される。このため、混合融液中のIII族金属が結晶集合体の形成に消費されて原料が枯渇し所望の結晶が大きくならないといった事や、結晶集合体に混合融液表面近傍の成長領域を奪われて融液表面近傍で所望の結晶を成長することができなくなるという問題が解決され、安定してIII族窒化物の結晶成長を行うことができる。
According to the invention as set forth in
特に、請求項2記載の発明によれば、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧するので、圧力調整器等の精度の良い圧力の調整方法を選択することができ、これによって、温度に追随した昇圧を精度良く行うことができる。その結果、多数の核発生を無くし、混合融液表面を覆う結晶集合体の形成を抑制することができる。 In particular, according to the second aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, a substance containing nitrogen is supplied from the outside of the reaction vessel into the reaction vessel in accordance with the temperature rise of the mixed melt. And the pressure of the substance containing nitrogen is increased, so that an accurate pressure adjustment method such as a pressure regulator can be selected, whereby the temperature can be accurately increased according to the temperature. As a result, generation of many nuclei can be eliminated, and formation of a crystal aggregate covering the surface of the mixed melt can be suppressed.
また、請求項3記載の発明によれば、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質とを反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧するので、蒸気圧の高いアルカリ金属の蒸発を抑制するために不活性ガスを反応容器内に導入して結晶成長を行う場合においても、結晶集合体の形成を抑制することができる。すなわち、アルカリ金属の蒸発を抑制しつつ、安定してIII族窒化物の結晶成長を行うことができる。 According to a third aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, a substance containing an inert gas and nitrogen from outside the reaction vessel in accordance with an increase in the temperature of the mixed melt. Is introduced into the reaction vessel to increase the pressure of the substance containing nitrogen, so that an inert gas is introduced into the reaction vessel in order to suppress evaporation of the alkali metal having a high vapor pressure. Also, the formation of a crystal aggregate can be suppressed. That is, it is possible to stably grow the crystal of the group III nitride while suppressing the evaporation of the alkali metal.
また、請求項4記載の発明によれば、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、反応容器内に窒素を含む物質を導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長するようにしており、昇温時に温度の上昇とともに窒素を含む物質の圧力も上昇するので、請求項2の結晶成長方法のように窒素原料となる窒素を含む物質の圧力を圧力調整器等で精密に制御せずとも、温度の制御のみで圧力の昇圧制御を容易に行うことができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, after introducing a nitrogen-containing substance into the reaction vessel, the reaction vessel is closed, and the mixed melt is poured. The temperature is raised to the crystal growth temperature to grow the group III nitride crystal, and the pressure of the substance containing nitrogen increases with the temperature at the time of raising the temperature. Even if the pressure of the substance containing nitrogen as a raw material is not precisely controlled by a pressure regulator or the like, the pressure increase control can be easily performed only by controlling the temperature.
また、請求項5記載の発明によれば、請求項4記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、反応容器内の窒素を含む物質の分圧が所定の結晶成長温度で所定の圧力となる量の窒素を含む物質を反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うので、請求項4の結晶成長方法のように、結晶成長温度において、窒素を含む物質の圧力が所定の圧力を超えてしまうということがない。そのため、結晶成長装置に圧力を逃がす機構を設ける必要が無くなり、装置コストを削減することができる。また、昇温開始以降は、圧力調整等を行う必要が無いので、圧力変化に伴う混合融液中の窒素濃度の低下等の外乱を起こす確率が減り、一定の成長条件下で結晶成長を行うことができる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the fourth aspect, the partial pressure of the nitrogen-containing substance in the reaction vessel becomes a predetermined pressure at a predetermined crystal growth temperature. After introducing the substance containing nitrogen in the reaction vessel into the reaction vessel, the reaction vessel is sealed, and the temperature is raised to a predetermined crystal growth temperature to grow the group III nitride crystal. As described above, the pressure of the substance containing nitrogen does not exceed the predetermined pressure at the crystal growth temperature. Therefore, it is not necessary to provide a mechanism for releasing pressure in the crystal growth apparatus, and the apparatus cost can be reduced. Further, since it is not necessary to perform pressure adjustment or the like after the start of temperature rise, the probability of occurrence of disturbance such as a decrease in the nitrogen concentration in the mixed melt due to a change in pressure is reduced, and crystal growth is performed under certain growth conditions. be able to.
また、請求項6記載の発明によれば、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長するので、蒸気圧の高いアルカリ金属の蒸発を抑制するために不活性ガスを反応容器内に導入して結晶成長を行う場合においても、結晶集合体の形成を抑制することができる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the first aspect, the reaction vessel is closed after introducing a nitrogen-containing substance and an inert gas into the reaction vessel. Since the mixed melt is heated to the crystal growth temperature to grow the group III nitride crystal, an inert gas is introduced into the reaction vessel to suppress evaporation of the alkali metal having a high vapor pressure, and the crystal growth is started. Also in the case of performing, formation of a crystal aggregate can be suppressed.
また、請求項6の結晶成長方法では、昇温時に温度の上昇とともに、窒素を含む物質と不活性ガスの圧力も上昇するので、請求項3の結晶成長方法のように窒素原料となる窒素を含む物質と不活性ガスの圧力を圧力調整器等で精密に制御せずとも、温度の制御のみで圧力の昇圧制御を容易に行うことができる。 According to the crystal growth method of the present invention, since the pressure of the substance containing nitrogen and the inert gas also increases with the temperature rise when the temperature is raised, the nitrogen which is the nitrogen source is removed as in the crystal growth method of the present invention. Pressure control of the pressure can be easily performed only by controlling the temperature without precisely controlling the pressure of the substance and the inert gas using a pressure regulator or the like.
また、請求項7記載の発明によれば、請求項6記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度で、それぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うので、請求項6の結晶成長方法のように、結晶成長温度において、窒素を含む物質の圧力が所定の圧力を超えてしまうということがない。そのため、結晶成長装置に圧力を逃がす機構を設ける必要が無くなり、コストを削減することができる。また、昇温開始以降は、圧力調整等を行う必要が無いので、圧力変化に伴う混合融液中の窒素濃度の低下等の外乱を起こす確率が減り、一定の条件下で結晶成長を行うことができる。 According to a seventh aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the sixth aspect, the partial pressure of the nitrogen-containing substance and the inert gas in the reaction vessel is controlled at a predetermined crystal growth temperature. After introducing a nitrogen-containing substance and an inert gas in an amount each having a predetermined pressure into the reaction vessel, the reaction vessel is sealed, and the temperature is raised to a predetermined crystal growth temperature to grow the group III nitride crystal. Therefore, the pressure of the substance containing nitrogen does not exceed a predetermined pressure at the crystal growth temperature as in the crystal growth method of the sixth aspect. Therefore, there is no need to provide a mechanism for releasing pressure in the crystal growth apparatus, and the cost can be reduced. In addition, since there is no need to perform pressure adjustment or the like after the start of the temperature increase, the probability of occurrence of disturbance such as a decrease in the nitrogen concentration in the mixed melt due to the pressure change is reduced, and crystal growth is performed under certain conditions. Can be.
また、請求項8記載の発明によれば、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、板状のIII族窒化物結晶を結晶成長するので、混合融液表面が結晶集合体で覆われることなく、安定して大面積のIII族窒化物の板状結晶を成長することができる。そして、この方法で結晶成長させた板状のIII族窒化物結晶を利用して、大面積の結晶成長用基板を作製することが可能となり、高性能,高信頼性のデバイスを作製することができる。 According to the eighth aspect of the present invention, in the method of growing a group III nitride crystal according to any one of the first to seventh aspects, a plate-shaped group III nitride crystal is grown. In addition, a large area group III nitride plate crystal can be stably grown without the mixed melt surface being covered with the crystal aggregate. Then, a large area substrate for crystal growth can be manufactured by using the plate-shaped group III nitride crystal grown by this method, and a device having high performance and high reliability can be manufactured. it can.
また、請求項9記載の発明によれば、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、柱状のIII族窒化物結晶を成長するので、混合融液表面が結晶集合体で覆われることなく、安定して大型のIII族窒化物の柱状結晶を成長することができる。そして、この方法で結晶成長した柱状のIII族窒化物結晶をスライスして、結晶成長用基板を多数枚作製することが可能となり、高性能,高信頼性のデバイスを作製することができる。 According to the ninth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to any one of the first to seventh aspects, a columnar group III nitride crystal is grown. A large group III nitride columnar crystal can be grown stably without the melt surface being covered with the crystal aggregate. Then, a columnar group III nitride crystal grown by this method can be sliced, and a large number of crystal growth substrates can be manufactured, and a high-performance and highly reliable device can be manufactured.
また、請求項10記載の発明によれば、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、種結晶にIII族窒化物を結晶成長するようにしており、この場合、種結晶が多結晶化したり結晶集合体に覆われてしまうことなく、種結晶から高品質の所望の結晶を安定して成長することができる。 According to a tenth aspect of the present invention, in the method of growing a group III nitride according to any one of the first to seventh aspects, the group III nitride is grown as a seed crystal. In this case, a high quality desired crystal can be stably grown from the seed crystal without polycrystallizing the seed crystal or being covered with the crystal aggregate.
また、請求項11記載の発明によれば、請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の表面近傍でIII族窒化物を結晶成長するので、従来問題であった、多数の結晶で構成される結晶集合体が形成されて混合融液表面を覆う事がない。このため、混合融液中のIII族金属が結晶集合体の形成に消費されて原料が枯渇し所望の結晶が大きくならないといった事や、結晶集合体に混合融液表面近傍の成長領域を奪われて融液表面近傍で所望の結晶を成長することができなくなるという問題が解決され、混合融液の表面近傍で、安定してIII族窒化物の結晶成長を行うことができる。また、混合融液表面(気液界面)近傍は、窒素濃度が高いので、窒素欠損の少ない高品質の結晶を成長することができる。また、混合融液表面(気液界面)近傍は、窒素濃度が高いので、成長速度が速く、短時間で所望の大きさのIII族窒化物結晶を成長することができる。
According to the invention of
また、請求項12記載の発明によれば、請求項8または請求項10または請求項11に記載のIII族窒化物の結晶成長方法で結晶成長されたIII族窒化物結晶であって、該III族窒化物は、板状GaN単結晶であるので、従来なかった、C面を主面とする幅3mm以上、厚さ80μm以上、転位密度106cm−2以下、無色透明の高品質の大型結晶を提供できる。これにより、例えばC面を主面とする大面積のウエハーを作製することができ、これを利用して高性能,高信頼性のデバイスを作製することができる。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a group III nitride crystal grown by the method for growing a group III nitride crystal according to the eighth, tenth or eleventh aspect. Since the group nitride is a plate-like GaN single crystal, a large, colorless, transparent, high-quality large-sized material having a width of 3 mm or more, a thickness of 80 μm or more, and a dislocation density of 10 6 cm −2 or less, having a C-plane as a main surface, which has not existed conventionally. Crystals can be provided. As a result, a large-area wafer having, for example, a C-plane as a main surface can be manufactured, and a high-performance, high-reliability device can be manufactured using the wafer.
また、請求項13記載の発明によれば、請求項9または請求項10または請求項11に記載のIII族窒化物の結晶成長方法で結晶成長されたIII族窒化物結晶であって、該III族窒化物は、柱状GaN単結晶であるので、従来無かった、C軸の長さ5mm以上、幅1mm以上、転位密度106cm−2以下、無色透明の高品質の結晶を提供できる。これにより、結晶をスライスして任意の主面を有する基板を作製することができる。例えば、C面やm面を主面とするウエハーを作製することができ、この上に高性能,高信頼性のデバイスを作製することができる。 According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a group III nitride crystal grown by the method for growing a group III nitride crystal according to the ninth, tenth, or eleventh aspect, Since the group nitride is a columnar GaN single crystal, a colorless and transparent high-quality crystal having a C axis length of 5 mm or more, a width of 1 mm or more, and a dislocation density of 10 6 cm −2 or less, which has not existed conventionally, can be provided. Thereby, a substrate having an arbitrary main surface can be manufactured by slicing the crystal. For example, a wafer having a C-plane or an m-plane as a main surface can be manufactured, and a high-performance and highly-reliable device can be manufactured thereon.
また、請求項14の発明によれば、請求項12または請求項13記載のIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイスであるので、デバイスを構成するIII族窒化物結晶にはデバイス性能に悪影響を及ぼす欠陥が少ない。従って、従来よりも高性能,高信頼性のデバイスを提供することができる。
Further, according to the invention of
また、請求項15の発明によれば、請求項14記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項12または請求項13記載のIII族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造を有する発光素子であるので、該発光素子は、欠陥が少なく、高出力動作においても長寿命である。従って、従来よりも高出力で動作可能で高信頼性の発光素子を提供することができる。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the fourteenth aspect, the semiconductor device has a semiconductor laminated structure laminated on the group III nitride crystal according to the twelfth or thirteenth aspect. Therefore, the light-emitting element has few defects and has a long life even in a high-output operation. Therefore, a highly reliable light-emitting element which can operate at a higher output than before can be provided.
また、請求項16の発明によれば、請求項14記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項12または請求項13記載のIII族窒化物結晶を用いて形成された受光素子であるので、受光素子を構成するIII族窒化物結晶に欠陥が少なく、暗電流が小さい。従って、従来よりもノイズレベルが低くS/N比が高い高感度の受光素子を提供することができる。 According to the sixteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the fourteenth aspect, the semiconductor device is a light receiving element formed using the group III nitride crystal according to the twelfth or thirteenth aspect. In addition, the group III nitride crystal constituting the light receiving element has few defects and a small dark current. Therefore, it is possible to provide a high-sensitivity light receiving element having a lower noise level and a higher S / N ratio than in the related art.
また、請求項17の発明によれば、請求項14記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項12または請求項13記載のIII族窒化物結晶を用いて形成された電子デバイスであるので、電子デバイスを構成するIII族窒化物結晶に欠陥が少ない。従って、電極材料の異常拡散や高電界下における短絡が従来よりも改善され、より信頼性の高い高性能の電子デバイスを提供することができる。 According to the seventeenth aspect, in the semiconductor device according to the fourteenth aspect, the semiconductor device is an electronic device formed using the group III nitride crystal according to the twelfth or thirteenth aspect. In addition, the group III nitride crystal constituting the electronic device has few defects. Therefore, the abnormal diffusion of the electrode material and the short circuit under a high electric field are improved as compared with the related art, and a more reliable and high-performance electronic device can be provided.
また、請求項18の発明によれば、請求項14乃至請求項17のいずれか一項に記載の半導体デバイスを具備したことを特徴とするシステムであるので、従来よりも、高性能,高信頼性のシステムを提供することができる。
According to the eighteenth aspect of the present invention, since the system includes the semiconductor device according to any one of the fourteenth to seventeenth aspects, it has higher performance and higher reliability than the conventional one. Sex system can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
本願の発明者は、結晶成長初期段階、特に、窒素を含む物質の導入方法の検討を行い、本発明を完成するに至った。 The inventor of the present application has studied the method of introducing a substance containing nitrogen in the initial stage of crystal growth, and has completed the present invention.
(第1の形態)
本発明の第1の形態は、反応容器内で、アルカリ金属とIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴としている。
(First form)
According to a first aspect of the present invention, in a reaction vessel, an alkali metal and a substance containing a group III metal form a mixed melt, and the group III metal and nitrogen In the method for growing a group III nitride crystal, the method comprises growing the pressure of a substance containing nitrogen in accordance with the temperature rise of the mixed melt.
なお、本発明において、窒素を含む物質とは、結晶成長温度において、その一部あるいは全部が窒素を構成元素に含む物質の気体となる物質である。例えば、窒素ガスやアンモニアガスのような気体であっても良いし、アジ化ナトリウムのように室温では固体であり、III族窒化物の結晶成長温度では、分解して窒素ガスとナトリウムになる物質であっても良い(すなわち、窒素を含む物質とは、窒素ガスや、アジ化ナトリウムなどの窒素を構成元素に含む化合物である)。窒素を含む物質の気体は、混合融液と気液界面を形成し、気液界面から窒素は混合融液中に供給される。 Note that, in the present invention, the substance containing nitrogen is a substance that is partially or entirely gaseous as a substance containing nitrogen at a crystal growth temperature. For example, it may be a gas such as nitrogen gas or ammonia gas, or a substance such as sodium azide that is solid at room temperature and decomposes into nitrogen gas and sodium at the crystal growth temperature of group III nitride. (That is, the substance containing nitrogen is a compound containing nitrogen as a constituent element, such as nitrogen gas or sodium azide). The gas of the substance containing nitrogen forms a gas-liquid interface with the mixed melt, and nitrogen is supplied into the mixed melt from the gas-liquid interface.
また、本発明において、III族窒化物は、ガリウム,アルミニウム,インジウムから選ばれる一種類あるいは複数の種類のIII族金属と窒素との化合物を意味する。 In the present invention, the group III nitride means a compound of one or more kinds of group III metals selected from gallium, aluminum and indium with nitrogen.
また、アルカリ金属としては、通常Na(ナトリウム)やK(カリウム)が使用されるが、その他のアルカリ金属を使用する事もできる。 As the alkali metal, Na (sodium) and K (potassium) are usually used, but other alkali metals can also be used.
また、アルカリ金属を含む融液中には、別の元素を溶融させておく事もできる。例えばn型不純物やp型不純物を溶融させドーピングしてもよい。 Further, another element can be melted in the melt containing the alkali metal. For example, an n-type impurity or a p-type impurity may be melted and doped.
また、本発明において、昇温とは、混合融液の温度を上げることを意味する。また、昇圧とは、気体の圧力を増加させることを意味する。 In the present invention, raising the temperature means raising the temperature of the mixed melt. In addition, increasing the pressure means increasing the pressure of the gas.
前述した従来技術3、4、5、6では、III族窒化物の結晶成長を行う所定の温度において、外部から窒素を含む物質を供給しているが、この場合、混合融液表面に多数の結晶核が同時に発生し、混合融液表面を覆う結晶集合体が形成される場合があった。 In the above-described prior arts 3, 4, 5, and 6, a substance containing nitrogen is supplied from the outside at a predetermined temperature at which the group III nitride crystal grows. In some cases, crystal nuclei were simultaneously generated to form a crystal aggregate covering the surface of the mixed melt.
本願の発明者は、結晶成長初期段階、特に、窒素を含む物質の導入方法の検討を行い、温度の上昇に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、結晶集合体が形成されなくなることを見出した。 The inventor of the present application studied the initial stage of crystal growth, particularly the method of introducing a substance containing nitrogen, and by increasing the pressure of the substance containing nitrogen in accordance with an increase in temperature, no crystal aggregate was formed. I found that.
すなわち、本発明においては、結晶成長温度に混合融液の温度を昇温する時に、温度の上昇に追随して窒素を含む物質の圧力を徐々に昇圧することによって、混合融液表面に結晶核が多数発生することを抑制することができ、そして、所定の結晶成長温度において、所定の圧力下で混合融液に溶解し拡散した窒素がアルカリ金属の存在下でIII族金属と結合し、III族窒化物を結晶成長させることができる。 That is, in the present invention, when the temperature of the mixed melt is raised to the crystal growth temperature, the pressure of the substance containing nitrogen is gradually increased in accordance with the temperature rise, so that the crystal nuclei are formed on the surface of the mixed melt. Can be suppressed from occurring, and at a predetermined crystal growth temperature, nitrogen dissolved and diffused in the mixed melt under a predetermined pressure is combined with a group III metal in the presence of an alkali metal, and III A group nitride can be crystal-grown.
なお、窒素を含む物質の圧力の昇圧を温度の上昇に追随させる方法は、特に限定されるものではない。 The method for causing the pressure increase of the substance containing nitrogen to follow the temperature increase is not particularly limited.
また、昇温速度(換言すれば、窒素を含む物質の昇圧速度)は、結晶集合体が形成されない速度に適宜決めることができる。 The rate of temperature rise (in other words, the rate of pressure increase of the substance containing nitrogen) can be appropriately determined to a rate at which a crystal aggregate is not formed.
(第2の形態)
本発明の第2の形態は、第1の形態の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, there is provided the crystal growth method according to the first aspect, wherein a nitrogen-containing substance is introduced into the reaction vessel from outside the reaction vessel in accordance with the temperature rise of the mixed melt. By growing the pressure, the group III nitride crystal is grown.
すなわち、本発明の第2の形態の結晶成長方法では、混合融液の温度を結晶成長温度に昇温する時に、温度の上昇に追随して、窒素を含む物質を気体として反応容器の外部から導入して窒素を含む物質の圧力を徐々に昇圧し、所定の温度,圧力下でIII族窒化物の結晶成長を行うようにしている。 That is, in the crystal growth method according to the second embodiment of the present invention, when the temperature of the mixed melt is raised to the crystal growth temperature, the nitrogen-containing substance is converted from the outside of the reaction vessel into a gas following the temperature rise. The pressure of the nitrogen-containing substance introduced is gradually increased, and the group III nitride crystal is grown at a predetermined temperature and pressure.
なお、窒素を含む物質の昇圧方法は、特に限定されるものではなく、例えば、圧力調整器等で徐々に加圧する方法等が使用可能である。 The method of increasing the pressure of the substance containing nitrogen is not particularly limited. For example, a method of gradually increasing the pressure using a pressure regulator or the like can be used.
(第3の形態)
また、本発明の第3の形態は、第1の形態の結晶成長方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質とを反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
(Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the crystal growth method of the first aspect, an inert gas and a substance containing nitrogen are introduced into the reaction vessel from outside the reaction vessel in accordance with the temperature rise of the mixed melt. It is characterized in that a group III nitride crystal is grown by increasing the pressure of a substance containing nitrogen by being introduced.
すなわち、本発明の第3の形態の結晶成長方法では、混合融液の温度を結晶成長温度に昇温する時に、温度の上昇に追随して、不活性ガスと窒素を含む物質を気体として反応容器の外部から導入して窒素を含む物質と不活性ガスの圧力を徐々に昇圧し、所定の温度,圧力下でIII族窒化物の結晶成長を行うようにしている。 That is, in the crystal growth method according to the third embodiment of the present invention, when the temperature of the mixed melt is raised to the crystal growth temperature, the inert gas and the substance containing nitrogen react as a gas following the rise in temperature. The pressure of the nitrogen-containing substance and the inert gas introduced from the outside of the vessel is gradually increased to grow the group III nitride crystal at a predetermined temperature and pressure.
ここで、不活性ガスは、反応容器内の圧力を大きくすることによりアルカリ金属の蒸発を抑制するために使用されるものである。 Here, the inert gas is used to suppress the evaporation of the alkali metal by increasing the pressure in the reaction vessel.
なお、不活性ガスとは、III族金属やアルカリ金属,窒素と反応しないガスを意味し、不活性ガスには、例えば、アルゴンガス等が使用可能である。 The inert gas means a gas that does not react with a group III metal, an alkali metal, or nitrogen. As the inert gas, for example, an argon gas can be used.
また、不活性ガスは、窒素を含む物質のガスラインとは別のガスラインから導入しても良いし、あるいは、窒素を含む物質と不活性ガスの混合ガスとして導入することもできる。 Further, the inert gas may be introduced from a gas line different from the gas line of the substance containing nitrogen, or may be introduced as a mixed gas of the substance containing nitrogen and the inert gas.
(第4の形態)
また、本発明の第4の形態は、第1の形態の結晶成長方法において、反応容器内に窒素を含む物質を導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
(Fourth form)
According to a fourth aspect of the present invention, in the crystal growth method of the first aspect, after introducing a substance containing nitrogen into the reaction vessel, the reaction vessel is closed, and the mixed melt is heated to the crystal growth temperature. Then, a group III nitride is crystal-grown.
本発明の第4の形態の結晶成長方法では、結晶が成長する温度よりも低い温度において、反応容器内に窒素原料である窒素を含む物質を導入し、反応容器を密閉して所定の結晶成長温度まで昇温する。密閉された反応容器内の窒素を含む物質の気体の圧力は、温度の上昇とともに徐々に増加する。これに伴って、混合融液中に溶解する窒素濃度も徐々に増加し、所定の結晶成長温度において、混合融液に溶解し拡散した窒素がアルカリ金属の存在下でIII族金属と結合し、III族窒化物が結晶成長する。 In the crystal growth method according to the fourth aspect of the present invention, a substance containing nitrogen, which is a nitrogen source, is introduced into the reaction vessel at a temperature lower than the temperature at which the crystal grows, and the reaction vessel is sealed to perform predetermined crystal growth. Heat up to temperature. The gas pressure of a substance containing nitrogen in a closed reaction vessel gradually increases as the temperature increases. Along with this, the concentration of nitrogen dissolved in the mixed melt also gradually increases, and at a predetermined crystal growth temperature, nitrogen dissolved and diffused in the mixed melt is combined with a group III metal in the presence of an alkali metal, Group III nitride crystal grows.
なお、結晶成長温度に達した時点での窒素を含む物質の圧力は、結晶成長を行う所定の圧力になっていることが望ましいが、それ以上であっても良い。その場合は、反応容器と外部を仕切るバルブ等を開閉することで所定の圧力まで減圧することができる。 It is desirable that the pressure of the substance containing nitrogen at the time when the temperature reaches the crystal growth temperature is a predetermined pressure at which the crystal is grown, but may be higher. In this case, the pressure can be reduced to a predetermined pressure by opening and closing a valve or the like that separates the reaction vessel from the outside.
なお、窒素を含む物質の圧力の増加量は、温度の上昇量に比例するので、昇温速度を制御することで、窒素を含む物質の気体の昇圧速度を制御することができる。昇温速度は、結晶集合体が形成されない速度に適宜決めることができる。 Since the amount of increase in the pressure of the substance containing nitrogen is proportional to the amount of increase in the temperature, the rate of pressure increase of the gas of the substance containing nitrogen can be controlled by controlling the rate of temperature rise. The rate of temperature rise can be appropriately determined so that a crystal aggregate is not formed.
(第5の形態)
本発明の第5の形態は、第4の形態の結晶成長方法において、反応容器内の窒素を含む物質の分圧が所定の結晶成長温度で所定の圧力となる量の窒素を含む物質を反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。
(Fifth embodiment)
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the crystal growth method according to the fourth aspect, wherein the nitrogen-containing substance is reacted in an amount such that a partial pressure of the nitrogen-containing substance in the reaction vessel becomes a predetermined pressure at a predetermined crystal growth temperature. After the introduction into the vessel, the reaction vessel is sealed, and the temperature is raised to a predetermined crystal growth temperature to grow a group III nitride crystal.
すなわち、この第5の形態では、反応容器内の気相中の窒素を含む物質の圧力が、結晶成長温度において、結晶成長を行う所定の圧力になるように、窒素原料の仕込み量を調整して導入しておく。その後、反応容器を密閉して昇温し、所定の結晶成長温度,圧力で結晶成長を行うようにしている。 That is, in the fifth embodiment, the charged amount of the nitrogen raw material is adjusted so that the pressure of the substance containing nitrogen in the gas phase in the reaction vessel becomes a predetermined pressure at which the crystal grows at the crystal growth temperature. And introduce it. Thereafter, the temperature of the reaction vessel is closed and the temperature is raised, and the crystal is grown at a predetermined crystal growth temperature and pressure.
(第6の形態)
また、本発明の第6の形態は、第5の形態の結晶成長方法において、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the crystal growth method of the fifth aspect, after introducing a substance containing nitrogen and an inert gas into the reaction vessel, the reaction vessel is sealed, and the mixed melt is crystallized. It is characterized in that a group III nitride crystal is grown by raising the temperature to the growth temperature.
ここで、不活性ガスは、本発明の第3の形態で説明したのと同様に、反応容器内の圧力を大きくすることによりアルカリ金属の蒸発を抑制するために使用されるものである。 Here, as described in the third embodiment of the present invention, the inert gas is used to suppress the evaporation of the alkali metal by increasing the pressure in the reaction vessel.
なお、不活性ガスとは、III族金属やアルカリ金属,窒素と反応しないガスを意味し、不活性ガスには、例えば、アルゴンガス等が使用可能である。 The inert gas means a gas that does not react with a group III metal, an alkali metal, or nitrogen. As the inert gas, for example, an argon gas can be used.
本発明の第6の形態の結晶成長方法では、結晶が成長する温度よりも低い温度において、反応容器内に窒素原料である窒素を含む物質と不活性ガスを導入し、反応容器を密閉して所定の結晶成長温度まで昇温する。密閉された反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの圧力は、温度の上昇とともに徐々に増加する。これに伴って、混合融液中に溶解する窒素濃度も徐々に増加し、所定の結晶成長温度において、混合融液に溶解し拡散した窒素がアルカリ金属の存在下でIII族金属と結合し、III族窒化物が結晶成長する。 In the crystal growth method according to the sixth aspect of the present invention, at a temperature lower than the temperature at which crystals grow, a substance containing nitrogen as a nitrogen source and an inert gas are introduced into the reaction vessel, and the reaction vessel is sealed. The temperature is raised to a predetermined crystal growth temperature. The pressure of the nitrogen-containing substance and the inert gas in the sealed reaction vessel gradually increases as the temperature increases. Along with this, the concentration of nitrogen dissolved in the mixed melt also gradually increases, and at a predetermined crystal growth temperature, nitrogen dissolved and diffused in the mixed melt is combined with a group III metal in the presence of an alkali metal, Group III nitride crystal grows.
なお、結晶成長温度に達した時点での窒素を含む物質と不活性ガスの圧力は、結晶成長を行う所定の圧力になっていることが望ましいが、それ以上であっても良い。その場合は、反応容器と外部を仕切るバルブ等を開閉することで所定の圧力まで減圧することができる。 The pressure of the substance containing nitrogen and the inert gas at the time when the temperature reaches the crystal growth temperature is preferably a predetermined pressure for performing the crystal growth, but may be higher. In this case, the pressure can be reduced to a predetermined pressure by opening and closing a valve or the like that separates the reaction vessel from the outside.
なお、窒素を含む物質と不活性ガスの圧力の増加量は、温度の上昇量に比例するので、温度の上昇速度を制御することで、窒素を含む物質の気体の昇圧速度を制御することができる。昇温速度は、結晶集合体が形成されない速度に適宜決めることができる。 Since the amount of increase in the pressure of the nitrogen-containing substance and the inert gas is proportional to the amount of increase in the temperature, it is possible to control the pressure increase rate of the nitrogen-containing substance gas by controlling the temperature increase rate. it can. The rate of temperature rise can be appropriately determined so that a crystal aggregate is not formed.
(第7の形態)
本発明の第7の形態は、第6の形態の結晶成長方法において、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度でそれぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。
(Seventh form)
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the crystal growth method according to the sixth aspect, wherein the partial pressures of the nitrogen-containing substance and the inert gas in the reaction vessel each have a predetermined pressure at a predetermined crystal growth temperature. The method is characterized in that after introducing a substance containing nitrogen and an inert gas into the reaction vessel, the reaction vessel is sealed and heated to a predetermined crystal growth temperature to grow a group III nitride crystal.
すなわち、この第7の形態では、反応容器内の気相中の窒素を含む物質と不活性ガスの圧力が、結晶成長温度において、結晶成長を行う所定の圧力になるように、窒素原料の仕込み量と不活性ガスの圧力を調整して導入しておく。その後、反応容器を密閉して昇温し、所定の結晶成長温度,圧力で結晶成長を行うようにしている。 That is, in the seventh embodiment, the nitrogen source is charged so that the pressure of the substance containing nitrogen and the inert gas in the gas phase in the reaction vessel becomes a predetermined pressure at which the crystal grows at the crystal growth temperature. The amount and the pressure of the inert gas are adjusted and introduced. Thereafter, the temperature of the reaction vessel is closed and the temperature is raised, and the crystal is grown at a predetermined crystal growth temperature and pressure.
(第8の形態)
本発明の第8の形態は、上述した本発明の第1乃至第7のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、板状のIII族窒化物結晶を結晶成長させることを特徴としている。
(Eighth form)
According to an eighth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to any one of the first to seventh aspects of the present invention, a plate-shaped group III nitride crystal is grown. And
ここで、板状のIII族窒化物結晶は、六方晶であっても立方晶であっても良い。 Here, the plate-shaped group III nitride crystal may be hexagonal or cubic.
(第9の形態)
また、本発明の第9の形態は、上述した本発明の第1乃至第7のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、柱状のIII族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
(Ninth form)
According to a ninth aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to any one of the first to seventh aspects of the present invention, a columnar group III nitride crystal is grown. And
ここで、柱状のIII族窒化物結晶は、六方晶であっても立方晶であっても良い。 Here, the columnar group III nitride crystal may be hexagonal or cubic.
(第10の形態)
また、本発明の第10の形態は、上述した本発明の第1乃至第7のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、種結晶にIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
(Tenth form)
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method for growing a group III nitride crystal according to any one of the first to seventh aspects of the present invention, wherein the group III nitride is grown as a seed crystal. Features.
(第11の形態)
また、本発明の第11の形態は、第8または第9または第10の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、混合融液の表面近傍でIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
(Eleventh form)
According to an eleventh aspect of the present invention, in the method for growing a group III nitride crystal according to the eighth, ninth, or tenth aspect, the group III nitride is grown near the surface of the mixed melt. And
(第12の形態)
本発明の第12の形態は、第8または第10または第11の形態のIII族窒化物の結晶成長方法で結晶成長された板状GaN単結晶である。第12の形態の板状GaN結晶は、例えば、六方晶であり、主面が六角形で、主面の面方位,主面の対角線の長さ、厚さ、転位密度(TEMで測定)、色は次表(表1)のものを成長させることができる。
(Twelfth form)
A twelfth aspect of the present invention is a plate-like GaN single crystal grown by the method of growing an III-nitride crystal according to the eighth, tenth, or eleventh aspect. The plate-like GaN crystal of the twelfth form is, for example, hexagonal, has a hexagonal main surface, a plane orientation of the main surface, a diagonal length of the main surface, a thickness, a dislocation density (measured by TEM), The colors shown in the following table (Table 1) can be grown.
(第13の形態)
本発明の第13の形態は、第9または第10または第11のIII族窒化物の結晶成長方法で結晶成長された柱状GaN単結晶である。第13の形態の柱状GaN結晶は、例えば、六方晶であり、C軸方向の長さ、幅、転位密度(TEMで測定)、色は次表(表2)のものを成長させることができる。
(Thirteenth mode)
A thirteenth aspect of the present invention is a columnar GaN single crystal grown by a ninth, tenth, or eleventh group III nitride crystal growth method. The columnar GaN crystal of the thirteenth mode is, for example, hexagonal, and can grow in the following table (Table 2) with the length, width, dislocation density (measured by TEM) and color in the C-axis direction. .
(第14の形態)
本発明の第14の形態は、第12または第13の形態のIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイスである。
(14th form)
A fourteenth aspect of the present invention is a semiconductor device using the group III nitride crystal of the twelfth or thirteenth aspect.
(第15の形態)
本発明の第15の形態は、第14の形態の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスが第12または第13の形態のIII族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造を有する発光素子であることを特徴としている。
(15th form)
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device of the fourteenth aspect, the semiconductor device is a light emitting element having a semiconductor laminated structure in which the semiconductor device is laminated on a group III nitride crystal of the twelfth or thirteenth aspect. Features.
ここで、発光素子の形態は特に限定されるものではなく、発光ダイオード,半導体レーザ等、III族窒化物結晶上に積層された半導体積層構造を有する発光素子であれば良い。 Here, the form of the light emitting element is not particularly limited, and any light emitting element having a semiconductor laminated structure laminated on a group III nitride crystal, such as a light emitting diode and a semiconductor laser, may be used.
(第16の形態)
本発明の第16の形態は、第14の形態の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスが第12または第13の形態のIII族窒化物結晶を用いて形成された受光素子であることを特徴としている。
(Sixteenth form)
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device of the fourteenth aspect, the semiconductor device is a light receiving element formed using the group III nitride crystal of the twelfth or thirteenth aspect. .
ここで、受光素子は、光導電セル,p−n接合フォトダイオード,ヘテロ接合FET型受光素子,ヘテロ接合バイポーラ型フォトトランジスター等であり、特に限定されるものではない。 Here, the light receiving element is a photoconductive cell, a pn junction photodiode, a hetero junction FET type light receiving element, a hetero junction bipolar type photo transistor, etc., and is not particularly limited.
(第17の形態)
本発明の第17の形態は、第14の形態の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスが第12または第13の形態のIII族窒化物結晶を用いて形成された電子デバイスであることを特徴としている。
(Seventeenth form)
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the semiconductor device of the fourteenth aspect, the semiconductor device is an electronic device formed using the group III nitride crystal of the twelfth or thirteenth aspect. .
ここで、電子デバイスの形態は、特に限定されるものではなく、FETであってもHBTであっても良い。また、その目的用途も、高温動作デバイス,高周波デバイス,大電力電子デバイス等、特に限定されるものではない。 Here, the form of the electronic device is not particularly limited, and may be an FET or an HBT. The intended use is not particularly limited, such as a high-temperature operation device, a high-frequency device, a high-power electronic device, and the like.
(第18の形態)
本発明の第18の形態は、第14,第15,第16,第17の形態の半導体デバイスを具備したシステムである。
(Eighteenth form)
An eighteenth aspect of the present invention is a system including the semiconductor devices of the fourteenth, fifteenth, sixteenth, and seventeenth aspects.
システムとしては、例えば、第15の形態の半導体デバイス(発光素子)を光源として用いた照明装置,フルカラー大型表示装置,交通標識などであっても良いし、第15の形態の半導体デバイス(発光素子)を書き込みあるいは読み取り光源として用いた光記録装置であっても良いし、第15の形態の半導体デバイス(発光素子)を書き込み光源として用いた電子写真装置であっても良いし、第16の形態の半導体デバイス(受光素子)を光センサーとして具備した火炎センサー,波長選択型検出器等であっても良いし、第17の形態の半導体デバイス(電子デバイス)を具備した移動通信システム等であっても良い。その他、第14、第15、第16、第17の形態の半導体デバイスを具備したシステムであれば、特に限定されるものではない。 The system may be, for example, a lighting device using a semiconductor device (light emitting element) of the fifteenth mode as a light source, a full-color large display device, a traffic sign, or the like, or a semiconductor device (light emitting element) of the fifteenth mode. ) May be used as a writing or reading light source, an electrophotographic apparatus using a semiconductor device (light emitting element) of the fifteenth embodiment as a writing light source, or a sixteenth embodiment. A flame sensor, a wavelength-selective detector, or the like having the semiconductor device (light-receiving element) as an optical sensor, or a mobile communication system or the like having the semiconductor device (electronic device) of the seventeenth embodiment. Is also good. In addition, there is no particular limitation as long as the system includes the semiconductor device of the fourteenth, fifteenth, sixteenth, and seventeenth modes.
実施例1では、第1,第2,第9の形態の結晶成長方法で第13の形態のGaN単結晶を結晶成長させた(すなわち、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、混合融液の表面近傍に柱状GaN単結晶を結晶成長させた)。 In Example 1, the GaN single crystal of the thirteenth mode was grown by the crystal growth method of the first, second, and ninth modes (that is, the outside of the reaction vessel was adjusted in accordance with the temperature rise of the mixed melt). Then, a columnar GaN single crystal was grown near the surface of the mixed melt by increasing the pressure of the nitrogen-containing substance by introducing a nitrogen-containing substance into the reaction vessel.
この実施例1では、III族金属としてガリウム(Ga)を用い、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を用い、窒素を含む物質として窒素ガス(N2)を使用して、窒化ガリウム(GaN)を結晶成長させる。 In the first embodiment, gallium (Ga) is used as a group III metal, sodium (Na) is used as an alkali metal, and nitrogen gas (N 2 ) is used as a substance containing nitrogen. Let it grow.
図1は実施例1で用いた結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図1の結晶成長装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器11内に、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液25を保持し結晶成長を行なうための融液保持容器12が設けられている。この融液保持容器12は反応容器11から取り外すことができる。また、この融液保持容器12の材質はBNである。
FIG. 1 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of the crystal growth apparatus used in the first embodiment. In the crystal growth apparatus of FIG. 1, a
また、反応容器11の内部空間23に窒素原料となる窒素(N2)ガスを充満させ、かつ反応容器11内の窒素(N2)圧力を調整することを可能にするガス供給管14が反応容器11を貫通して装着されている。
In addition, a
反応容器11は、バルブ21部分で結晶成長装置から取り外すことが可能であり、反応容器11部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
The
また、反応容器11の外側には、ヒーター13が設けられている。ヒーター13の温度は、温度センサー29でモニターされ、温度センサー29からモニター信号が温度制御器34に送られ、温度制御器34によってヒーター13の温度が制御されるようになっている。この温度制御器34は、昇温時間や、一定温度での保持時間を制御することもできる。なお、ヒーター13の温度と混合融液25の温度は、あらかじめ較正され対応付けされているので、ヒーター13の温度を制御することで、混合融液25の温度を制御することができる。
A
また、温度の上昇に追随して窒素ガスの圧力を昇圧するために演算処理装置35が設けられている。演算処理装置35は、温度制御器34から送られる信号を受け、圧力制御装置16に温度に対応した制御信号を送る。そして、圧力制御装置16によって、反応容器11内の圧力が調整されるようになっている。
Further, an
反応容器11内の圧力は圧力センサー33でモニターされ、圧力センサー33からのモニター信号が圧力制御装置16に送られ、反応容器11内を所定の圧力に調整するようになっている。
The pressure in the
図1の結晶成長装置を使用したGaNの結晶成長方法を説明する。 A GaN crystal growth method using the crystal growth apparatus of FIG. 1 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。
First, the
次いで、BN製の融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。混合融液中のNaの比率は、Na/(Na+Ga)=0.51とした。
Next, Ga is put into the
次いで、融液保持容器12を反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器11内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分で窒素ガス供給ライン14に接続する。
Next, the
次いで、バルブ15,21を開ける。
Next, the
次いで、ヒーター13に通電し、混合融液25を結晶成長温度まで昇温する。結晶成長温度は775℃とし、室温(27℃)から775℃までの昇温時間は1時間とした。すなわち、昇温速度は748℃/時である。
Next, the
また、反応容器11内の窒素の圧力を、混合融液25の昇温に追随させて昇圧させた。すなわち、室温における0MPa(反応容器内に窒素を入れていない状態)から昇圧を開始し、1時間後、すなわち結晶成長温度775℃に達した時に、7MPaになるようにした。すなわち、窒素圧力の昇圧速度は7MPa/hである。
Further, the pressure of nitrogen in the
結晶成長温度775℃,窒素圧力7MPaに達した後、320時間保持して結晶成長を行った。結晶成長終了後、反応容器11を開けると、融液保持容器12内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、混合融液保持容器12の底にc軸の長さが約5mmの無色透明な柱状のGaNの単結晶30が結晶成長していた。
After reaching a crystal growth temperature of 775 ° C. and a nitrogen pressure of 7 MPa, the crystal growth was carried out for 320 hours. When the
成長した柱状GaN結晶のC面を走査電子顕微鏡で観察し、対角線の長さを測定した結果、1mm以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、106cm−2以下であった。 The C-plane of the grown columnar GaN crystal was observed with a scanning electron microscope, and the length of the diagonal line was measured. Further, the dislocation density obtained by observation with a transmission electron microscope was 10 6 cm −2 or less.
実施例2では、第1,第3,第9,第11の形態の結晶成長方法で第13の形態のGaN単結晶を結晶成長させた(すなわち、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質とを反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、柱状のGaN単結晶を結晶成長させた)。 In Example 2, the GaN single crystal of the thirteenth mode was grown by the crystal growth methods of the first, third, ninth, and eleventh modes (that is, the reaction was performed in accordance with the temperature rise of the mixed melt). An inert gas and a substance containing nitrogen were introduced into the reaction vessel from the outside of the vessel, and the pressure of the substance containing nitrogen was increased to grow a columnar GaN single crystal.
この実施例2では、III族金属としてガリウム(Ga)を用い、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を用い、窒素を含む物質として窒素ガス(N2)を用い、Naの蒸発抑制ガス(不活性ガス)としてArを使用して、窒化ガリウム(GaN)を結晶成長させる。 In the second embodiment, gallium (Ga) is used as the group III metal, sodium (Na) is used as the alkali metal, nitrogen gas (N 2 ) is used as the substance containing nitrogen, and the evaporation suppressing gas of Na (inert gas) is used. Gallium nitride (GaN) is crystal-grown using Ar as a).
図2は実施例2で用いた結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図2の結晶成長装置は、図1の装置にArガス供給ライン20が付加されたものとなっている。
FIG. 2 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of the crystal growth apparatus used in the second embodiment. The crystal growth apparatus shown in FIG. 2 is obtained by adding an Ar
すなわち、図2の装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器11内に、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液25を保持し結晶成長を行うための混合融液保持容器12が設けられている。この混合融液保持容器12は反応容器11から取り外すことができる。また、この混合融液保持容器12の材質はBNである。
That is, in the apparatus of FIG. 2, a mixed
また、反応容器11の内部空間23に窒素原料となる窒素(N2)ガスとアルカリ金属の蒸発を抑制する為のアルゴン(Ar)ガスを充満させ、かつ反応容器11内の窒素(N2)圧力とアルゴン(Ar)ガス圧力を調整することを可能にするガス供給管14が反応容器11を貫通して装着されている。
Further, the
図2の装置では、ガス供給管14は、窒素供給管17とアルゴン供給管20とに分岐しており、それぞれ、バルブ15,18で分離することが可能となっている。また、それぞれの圧力を圧力制御装置16,19で調整する事ができる。これにより、アルカリ金属の蒸発を抑制しつつ、窒素ガスの圧力を独立して調整することができ、制御性の高い結晶成長が可能となる。
In the apparatus shown in FIG. 2, the
また、反応容器11の外側には、ヒーター13が設けられている。ヒーター13の温度は、温度センサー29でモニターされ、温度センサー29からモニター信号が温度制御器34に送られ、温度制御器34によってヒーター13の温度が制御されるようになっている。この温度制御器34は、昇温時間や、一定温度での保持時間を制御することもできる。なお、ヒーター13の温度と混合融液25の温度は、あらかじめ較正され対応付けされているので、ヒーター13の温度を制御することで、混合融液25の温度を制御することができる。
A
また、温度の上昇に追随して昇圧するために演算処理装置35が設けられている。演算処理装置35は、温度制御器34から送られる信号を受け、圧力制御装置16、19に温度に対応した制御信号を送る。そして、圧力制御装置16,19によって、反応容器内の窒素とArの圧力が調整される。
Further, an
反応容器11内の圧力は圧力センサー33でモニターされ、圧力センサー33からのモニター信号が圧力制御装置16、19に送られ、反応容器11内を所定の圧力に調整するようになっている。
The pressure in the
なお、反応容器11は、バルブ21の部分で結晶成長装置から取り外すことが可能であり、反応容器11部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
The
図2の結晶成長装置を使用したGaNの結晶成長方法を説明する。 A GaN crystal growth method using the crystal growth apparatus of FIG. 2 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。
First, the
次いで、BN製の混合融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。混合融液中のNaの比率は、Na/(Na+Ga)=0.51とした。
Next, Ga as a group III metal raw material and sodium (Na) as an alkali metal are put into the mixed
次いで、混合融液保持容器12を反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器11内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン14に接続する。
Next, the mixed
次いで、バルブ21,15,18を開ける。
Next, the
次いで、ヒーター13に通電し、混合融液25を結晶成長温度まで昇温する。結晶成長温度は775℃とし、室温(27℃)から775℃までの昇温時間は1時間とした。すなわち、昇温速度は748℃/時である。
Next, the
また、反応容器11内の窒素とArの圧力を混合融液の昇温に追随させて昇圧させた。すなわち、室温における窒素分圧,Ar分圧をそれぞれ0MPa(反応容器11内に窒素,Arを入れていない状態)から昇圧を開始し、1時間後、すなわち結晶成長温度775℃に達したときに、窒素とArの分圧がそれぞれ4MPaになるようにした。すなわち窒素の昇圧速度は4MPa/時である。
Further, the pressure of nitrogen and Ar in the
結晶成長温度775℃に達した後、320時間保持して結晶成長を行った。結晶成長終了後、反応容器11を開けると、融液保持容器12内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、混合融液表面近傍の混合融液保持容器12の内壁にc軸の長さが約6mmの無色透明な柱状のGaNの単結晶27が結晶成長していた。
After reaching the crystal growth temperature of 775 ° C., the crystal was grown for 320 hours. When the
成長した柱状GaN結晶のC面を走査電子顕微鏡で観察し、対角線の長さを測定した結果、1mm以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、106cm−2以下であった。 The C-plane of the grown columnar GaN crystal was observed with a scanning electron microscope, and the length of the diagonal line was measured. Further, the dislocation density obtained by observation with a transmission electron microscope was 10 6 cm −2 or less.
実施例3では、第1,第3,第8,第11の形態の結晶成長方法で第12の形態のGaN単結晶を結晶成長させた(すなわち、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質とを反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、板状のGaN単結晶を結晶成長させた)。 In Example 3, a GaN single crystal of the twelfth form was grown by the crystal growth methods of the first, third, eighth, and eleventh forms (that is, the reaction was performed in accordance with the temperature rise of the mixed melt). A plate-like GaN single crystal was grown by introducing an inert gas and a substance containing nitrogen into the reaction vessel from the outside of the vessel and increasing the pressure of the substance containing nitrogen.
この実施例3では、III族金属としてガリウム(Ga)を用い、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を用い、窒素を含む物質として窒素ガス(N2)を用い、Naの蒸発抑制ガスとしてアルゴン(Ar)を使用して、窒化ガリウム(GaN)を結晶成長させる。なお、窒素ガスとArガスは1:1の混合ガスにして使用した。 In Example 3, gallium (Ga) was used as the group III metal, sodium (Na) was used as the alkali metal, nitrogen gas (N 2 ) was used as the substance containing nitrogen, and argon (Ar) was used as the evaporation suppressing gas for Na. ) To grow gallium nitride (GaN). The nitrogen gas and the Ar gas were used in a 1: 1 mixed gas.
図3は実施例3で用いた結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図3の結晶成長装置は、図1の装置において、ガス供給管14が窒素とArとの混合ガスの供給管として機能するものとなっている。このことを明確にするため、図3には、窒素とArとの混合ガスのボンベ37と、バルブ36とが示されている。
FIG. 3 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of the crystal growth apparatus used in the third embodiment. In the crystal growth apparatus shown in FIG. 3, the
図3の結晶成長装置を使用したGaNの結晶成長方法を説明する。 A GaN crystal growth method using the crystal growth apparatus of FIG. 3 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。
First, the
次いで、BN製の融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。混合融液中のNaの比率は、Na/(Na+Ga)=0.67とした。
Next, Ga is put into the
次いで、融液保持容器12を反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器11内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分でガス供給ライン14に接続する。
Next, the
次いで、バルブ15,21を開ける。
Next, the
次いで、ヒーター13に通電し、混合融液25を結晶成長温度まで昇温する。結晶成長温度は775℃とし、室温(27℃)から775℃までの昇温時間は1時間とした。すなわち昇温速度は748℃/時である。
Next, the
また、反応容器11内の窒素とArの圧力を混合融液の昇温に追随させて昇圧させた。すなわち、室温において窒素とArのそれぞれの分圧0MPa(反応容器11内に窒素,Arを入れていない状態)から昇圧を開始し、1時間後、すなわち結晶成長温度775℃に達したときに、全圧が8MPa、すなわち窒素とArの分圧がそれぞれ4MPaになるようにした。すなわち、窒素の昇圧速度は4MPa/時である。
Further, the pressure of nitrogen and Ar in the
結晶成長温度775℃、全圧力が8MPa(窒素の分圧が4MPa)に達した後、300時間保持して結晶成長を行った。結晶成長終了後、反応容器11を開けると、混合融液保持容器12内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、融液表面に対角線の長さが約5mmの六角形のC面を主面とする板状の無色透明なGaNの単結晶24が結晶成長していた。
After reaching a crystal growth temperature of 775 ° C. and a total pressure of 8 MPa (partial pressure of nitrogen was 4 MPa), the crystal was grown for 300 hours. When the
成長した板状GaN結晶24のc軸に平行な断面を走査電子顕微鏡で観察し、厚さを測定した結果、80μm以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、106cm−2以下であった。
A cross section parallel to the c-axis of the grown plate-
実施例4では、第1,第4,第8,第11の形態の結晶成長方法で第12の形態のGaN単結晶を結晶成長させた(すなわち、反応容器内に窒素を含む物質を導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温することによって、板状のGaN単結晶を結晶成長させた)。 In Example 4, a GaN single crystal of the twelfth form was grown by the crystal growth method of the first, fourth, eighth, and eleventh forms (that is, a substance containing nitrogen was introduced into the reaction vessel). Thereafter, the reaction vessel was sealed, and the mixed melt was heated to a crystal growth temperature to grow a plate-like GaN single crystal.)
この実施例4では、III族金属としてガリウム(Ga)を用い、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を用い、窒素を含む物質として窒素ガス(N2)を使用して、窒化ガリウム(GaN)を結晶成長させる。 In Example 4, gallium (Ga) was used as a group III metal, sodium (Na) was used as an alkali metal, and nitrogen gas (N 2 ) was used as a nitrogen-containing substance. Let it grow.
図4は実施例4で用いた結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図4の結晶成長装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器11内に、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液25を保持し結晶成長を行なうための融液保持容器12が設けられている。この融液保持容器12は反応容器11から取り外すことができる。また、この融液保持容器12の材質はBNである。
FIG. 4 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of a crystal growth apparatus used in Example 4. The crystal growth apparatus shown in FIG. 4 includes a
また、反応容器11の内部空間23に窒素原料となる窒素(N2)ガスを充満させ、かつ反応容器11内の窒素(N2)圧力を調整することを可能にするガス供給管14が反応容器11を貫通して装着されている。窒素ガスの圧力は圧力制御装置16で調整可能となっている。また、反応容器11内の全圧力は圧力計22でモニターされるようになっている。
In addition, a
また、図4の装置では、反応容器11内の圧力が所定の圧力を超えた場合にガスを外部に放出するためのガス放出バルブ38が設けられている。
Further, in the apparatus shown in FIG. 4, a
また、反応容器11の外側には、ヒーター13が設けられている。ヒーター13の温度は、温度センサー29でモニターされ、温度センサー29からモニター信号が温度制御器34に送られ、温度制御器34によってヒーター13の温度が制御されるようになっている。この温度制御器34は、昇温時間や、一定温度での保持時間も制御することができる。なお、ヒーター13の温度と混合融液25の温度は、あらかじめ較正され対応付けされているので、ヒーター13の温度を制御することで、混合融液25の温度を制御することができる。
A
また、反応容器11は、バルブ21の部分で結晶成長装置から取り外すことが可能であり、反応容器11部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
Further, the
図4の結晶成長装置を使用したGaNの結晶成長方法を説明する。 A GaN crystal growth method using the crystal growth apparatus of FIG. 4 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。
First, the
次いで、BN製の融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。NaとGaの比率は2:1、すなわち、Na/(Na+Ga)=0.67とした。
Next, Ga is put into the
次いで、融液保持容器12を反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器11内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分で窒素ガス供給ライン14に接続する。
Next, the
次いで、バルブ15,21を開け、反応容器11内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置16で窒素圧力を3.5MPaにした。
Next, the
次いで、バルブ21を閉じる。これにより、反応容器11は密閉される。
Next, the
次いで、ヒーター13に通電し、混合融液25を1時間の昇温時間で室温(27℃)から結晶成長温度775℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は748℃/時である。
Next, the
密閉された反応容器11内の窒素の圧力は昇温に追随して上昇し、結晶成長温度775℃に達した時の反応容器11内の窒素の圧力は4.5MPaになった。すなわち、窒素の昇圧速度は1MPa/時である。この圧力4.5MPaは所定の結晶成長圧力を超えているため、ガス放出バルブ38を開け、窒素ガスを放出し、窒素の圧力を4MPaにした。
The pressure of nitrogen in the sealed
この状態で300時間保持した後、室温まで降温する。反応容器11内のガスの圧力を下げた後、反応容器11を開けると、融液保持容器内12には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、融液表面に対角線の長さが約5mmの六角形のC面を主面とする板状の無色透明なGaNの単結晶24が結晶成長していた。
After maintaining this state for 300 hours, the temperature is lowered to room temperature. When the pressure of the gas in the
成長した板状GaN結晶24のc軸に平行な断面を走査電子顕微鏡で観察し、厚さを測定した結果、80μm以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、106cm−2以下であった。
A cross section parallel to the c-axis of the grown plate-
実施例5では、第1,第5,第8,第11の形態の結晶成長方法で第12の形態のGaN単結晶を結晶成長させた(すなわち、反応容器内の窒素を含む物質の分圧が所定の結晶成長温度で所定の圧力となる量の窒素を含む物質を反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことによって、板状のGaNを結晶成長させた)。 In Example 5, the GaN single crystal of the twelfth form was grown by the crystal growth methods of the first, fifth, eighth, and eleventh forms (that is, the partial pressure of the nitrogen-containing substance in the reaction vessel). After introducing a substance containing nitrogen at a predetermined pressure at a predetermined crystal growth temperature into the reaction vessel, the reaction vessel is sealed, and the temperature is increased to a predetermined crystal growth temperature to grow a group III nitride crystal. The crystal growth of plate-like GaN was performed by performing the above.
この実施例5では、III族金属としてガリウム(Ga)を用い、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を用い、窒素を含む物質として窒素ガス(N2)を使用して、窒化ガリウム(GaN)を結晶成長させる。 In Example 5, gallium (Ga) was used as a group III metal, sodium (Na) was used as an alkali metal, and nitrogen gas (N 2 ) was used as a substance containing nitrogen to form gallium nitride (GaN). Let it grow.
図5は実施例5で用いた結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図5の結晶成長装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器11内に、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液25を保持し結晶成長を行なうための融液保持容器12が設けられている。この融液保持容器12は反応容器11から取り外すことができる。また、この融液保持容器12の材質はBNである。
FIG. 5 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of a crystal growth apparatus used in Example 5. The crystal growth apparatus shown in FIG. 5 includes a
また、反応容器11の内部空間23に窒素原料となる窒素(N2)ガスを充満させ、かつ反応容器11内の窒素(N2)圧力を調整することを可能にするガス供給管14が反応容器11を貫通して装着されている。窒素ガスの圧力は圧力制御装置16で調整可能となっている。また、反応容器11内の全圧力は圧力計22でモニターされるようになっている。
In addition, a
また、反応容器11の外側には、ヒーター13が設けられている。ヒーター13の温度は、温度センサー29でモニターされ、温度センサー29からモニター信号が温度制御器34に送られ、温度制御器34によってヒーター13の温度が制御されるようになっている。この装置の温度制御器34は、昇温時間や、一定温度での保持時間を制御することができる。なお、ヒーター13の温度と混合融液25の温度は、あらかじめ較正され対応付けされているので、ヒーター13の温度を制御することで、混合融液25の温度を制御することができる。
A
また、反応容器11は、バルブ21の部分で結晶成長装置から取り外すことが可能であり、反応容器11部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
Further, the
図5の結晶成長装置を使用したGaNの結晶成長方法を説明する。 A GaN crystal growth method using the crystal growth apparatus of FIG. 5 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。
First, the
次いで、BN製の融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。NaとGaの比率は2:1、すなわち、Na/(Na+Ga)=0.67とした。
Next, Ga is put into the
次いで、融液保持容器12を反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分で窒素ガス供給ライン14に接続する。
Next, the
次いで、バルブ15,21を開け、反応容器11内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置16で窒素圧力を3.3MPaにした。この圧力3.3MPaは、図5の装置において、室温から昇温して結晶成長温度775℃に達したときに、反応容器11内の全圧が4MPaになる圧力である。
Next, the
次いで、バルブ21を閉じる。これにより、反応容器11は密閉される。
Next, the
次いで、ヒーター13に通電し、混合融液25を1時間の昇温時間で室温(27℃)から結晶成長温度775℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は748℃/時である。
Next, the
密閉された反応容器11内の窒素の圧力は昇温に追随して上昇し、結晶成長温度775℃に達した時の反応容器11内の窒素の圧力は4MPaになった。すなわち、窒素の圧力は3.3MPa(室温27℃)から4MPa(775℃)になった。昇圧速度は0.7MPa/時である。
The pressure of nitrogen in the
この状態で300時間保持した後、室温まで降温する。反応容器11内のガスの圧力を下げた後、反応容器11を開けると、融液保持容器12内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、融液表面に対角線の長さが約5mmの六角形のC面を主面とする板状の無色透明なGaNの単結晶24が結晶成長していた。
After maintaining this state for 300 hours, the temperature is lowered to room temperature. When the pressure of the gas in the
成長した板状GaN結晶24のc軸に平行な断面を走査電子顕微鏡で観察し、厚さを測定した結果、80μm以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、106cm−2以下であった。
A cross section parallel to the c-axis of the grown plate-
実施例6では、第1,第6,第8,第11の形態の結晶成長方法で第12の形態のGaN単結晶を結晶成長させた(すなわち、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長することによって、板状のGaNを結晶成長させた)。 In Example 6, a GaN single crystal of the twelfth form was grown by the crystal growth methods of the first, sixth, eighth, and eleventh forms (that is, a substance containing nitrogen and an inert gas contained in the reaction vessel). After the introduction of the gas, the reaction vessel was sealed, and the mixed melt was heated to a crystal growth temperature to grow a group III nitride crystal, thereby growing a plate-like GaN crystal).
この実施例6では、III族金属としてガリウム(Ga)を用い、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を用い、窒素を含む物質として窒素ガス(N2)を用い、Naの蒸発抑制ガス(不活性ガス)としてArを使用して、窒化ガリウム(GaN)を結晶成長させる。 In the sixth embodiment, gallium (Ga) is used as a group III metal, sodium (Na) is used as an alkali metal, nitrogen gas (N 2 ) is used as a nitrogen-containing substance, and a Na evaporation suppressing gas (an inert gas) is used. Gallium nitride (GaN) is crystal-grown using Ar as a).
図6は実施例6で用いた結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図6の結晶成長装置は、図4の装置にArガス供給ライン20が付加されたものとなっている。
FIG. 6 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of a crystal growth apparatus used in Example 6. The crystal growth apparatus shown in FIG. 6 is obtained by adding an Ar
図6の結晶成長装置を使用したGaNの結晶成長方法を説明する。 A GaN crystal growth method using the crystal growth apparatus of FIG. 6 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。
First, the
次いで、BN製の融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。NaとGaの比率は2:1、すなわち、Na/(Na+Ga)=0.67とした。
Next, Ga is put into the
次いで、融液保持容器12を反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ15,18,21を閉じ、反応容器11内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン14に接続する。
Next, the
次いで、バルブ15,21を開け、反応容器内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置16で窒素圧力を3.5MPaにした。
Next, the
次いで、バルブ15を閉じる。
Next, the
次いで、バルブ18を開け、反応容器11内にArガスを入れる。このとき、圧力制御装置19で圧力を7MPaにした。すなわち、反応容器11内のArの分圧は3.5MPaとなる。
Next, the
次いで、バルブ18とバルブ21を閉じる。すなわち、反応容器11は密閉される。
Next, the
次いで、ヒーター13に通電し、混合融液25を1時間の昇温時間で室温(27℃)から結晶成長温度775℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は748℃/時である。
Next, the
昇温に追随して、密閉された反応容器11内の圧力は上昇し、結晶成長温度775℃に達した時の反応容器11内の全圧は9MPaになった。すなわち、窒素とArの分圧はそれぞれ4.5MPaとなった。すなわち、窒素の昇圧速度は1MPa/時である。
Following the temperature rise, the pressure in the
この圧力は所定の結晶成長圧力を超えているため、ガス放出バルブ38を開け、ガスを放出し、全圧を8MPaにした。すなわち、窒素とArの分圧をそれぞれ4MPaとした。
Since this pressure exceeded a predetermined crystal growth pressure, the
この状態で300時間保持した後、室温まで降温する。反応容器11内のガスの圧力を下げた後、反応容器11を開けると、融液保持容器12内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、融液表面に対角線の長さが約5mmの六角形のC面を主面とする板状の無色透明なGaNの単結晶24が結晶成長していた。
After maintaining this state for 300 hours, the temperature is lowered to room temperature. When the pressure of the gas in the
成長した板状GaN結晶24のc軸に平行な断面を走査電子顕微鏡で観察し、厚さを測定した結果、80μm以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、106cm−2以下であった。
A cross section parallel to the c-axis of the grown plate-
実施例7では、第1,第7,第9の形態の結晶成長方法で第13の形態のGaN単結晶を結晶成長させた(すなわち、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度で、それぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことによって、柱状のGaNを結晶成長させた)。 In the seventh embodiment, the GaN single crystal of the thirteenth mode is grown by the crystal growth methods of the first, seventh, and ninth modes (that is, the amount of the nitrogen-containing substance and the inert gas in the reaction vessel is increased). At a predetermined crystal growth temperature, a substance containing nitrogen and an inert gas are introduced into the reaction vessel in an amount that becomes a predetermined pressure, and then the reaction vessel is closed, and the temperature is raised to a predetermined crystal growth temperature. The columnar GaN crystal was grown by performing group III nitride crystal growth.
この実施例7では、III族金属としてガリウム(Ga)を用い、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を用い、窒素を含む物質として窒素ガス(N2)を用い、Naの蒸発抑制ガスとしてArを使用して、窒化ガリウム(GaN)を結晶成長させる。 In Example 7, gallium (Ga) was used as the group III metal, sodium (Na) was used as the alkali metal, nitrogen gas (N 2 ) was used as the substance containing nitrogen, and Ar was used as the evaporation suppressing gas for Na. Then, gallium nitride (GaN) is crystal-grown.
図7は実施例7で用いた結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図7の結晶成長装置は、図5の装置にArガス供給ライン20が付加されたものとなっている。
FIG. 7 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of a crystal growth apparatus used in Example 7. The crystal growth apparatus shown in FIG. 7 is obtained by adding an Ar
図7の結晶成長装置を使用したGaNの結晶成長方法を説明する。 A GaN crystal growth method using the crystal growth apparatus of FIG. 7 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。
First, the
次いで、BN製の融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。混合融液25中のNaの比率はNa/(Na+Ga)=0.51とした。
Next, Ga is put into the
次いで、融液保持容器12を反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器11内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン14に接続する。
Next, the
次いで、バルブ15,21を開け、反応容器11内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置16で窒素圧力を3.3MPaにした。この圧力3.3MPaは、図7の装置において、結晶成長温度(775℃)に昇温したときに、反応容器11内の全圧が4MPaになる圧力である。
Next, the
次いで、バルブ15を閉じる。
Next, the
次いで、バルブ18を開け、反応容器11内にArガスを入れる。このとき、圧力制御装置19で圧力を6.6MPaにした。すなわち、反応容器11内のArの分圧は3.3MPaとなる。この圧力(6.6MPa)は、図7の装置において、結晶成長温度(775℃)に昇温したときに、反応容器11内の全圧が8MPaになる圧力である。すなわち、窒素とArの分圧がそれぞれ4MPaとなる圧力である。
Next, the
次いで、バルブ18とバルブ21を閉じる。これにより、反応容器11は密閉される。
Next, the
次いで、ヒーター13に通電し、混合融液25を1時間の昇温時間で室温(27℃)から結晶成長温度775℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は748℃/時である。
Next, the
密閉された反応容器11内の圧力は昇温に追随して上昇し、結晶成長温度775℃に達した時の反応容器11内の全圧は8MPaになった。すなわち、窒素とArの分圧はそれぞれ4MPaとなった。窒素の昇圧速度は0.7MPa/時である。
The pressure in the
この状態で300時間保持した後、室温まで降温する。結晶成長終了後、反応容器11を開けると、融液保持容器12内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、混合融液保持容器の底にc軸の長さが約5mmの無色透明な柱状のGaNの単結晶30が結晶成長していた。
After maintaining this state for 300 hours, the temperature is lowered to room temperature. When the
成長した柱状GaN結晶のC面を走査電子顕微鏡で観察し、対角線の長さを測定した結果、1mm以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、106cm−2以下であった。 The C-plane of the grown columnar GaN crystal was observed with a scanning electron microscope, and the length of the diagonal line was measured. Further, the dislocation density obtained by observation with a transmission electron microscope was 10 6 cm −2 or less.
実施例8では、第1,第7,第10,第11の形態の結晶成長方法で第13の形態のGaN単結晶を結晶成長させた(すなわち、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度で、それぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温して種結晶にIII族窒化物を結晶成長することによって、柱状のGaN単結晶を結晶成長させた)。 In Example 8, a GaN single crystal of the thirteenth mode was grown by the crystal growth methods of the first, seventh, tenth, and eleventh modes (that is, a substance containing nitrogen in a reaction vessel and an inert gas). At a predetermined crystal growth temperature, a gas containing nitrogen and an inert gas are introduced into the reaction vessel at a predetermined pressure, and then the reaction vessel is closed, and the reaction vessel is closed at a predetermined crystal growth temperature. A columnar GaN single crystal was grown by raising the temperature to grow a group III nitride on the seed crystal.)
この実施例8では、III族金属としてガリウム(Ga)を用い、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を用い、窒素を含む物質として窒素ガス(N2)を用い、Naの蒸発抑制ガスとしてArを使用して、窒化ガリウム(GaN)を結晶成長させる。 In Example 8, gallium (Ga) was used as the group III metal, sodium (Na) was used as the alkali metal, nitrogen gas (N 2 ) was used as the substance containing nitrogen, and Ar was used as the evaporation suppressing gas for Na. Then, gallium nitride (GaN) is crystal-grown.
図8は実施例8で用いた結晶成長装置の構成例を示す図(断面図)である。図8の結晶成長装置は、図5の装置にArガス供給ライン20と、混合融液保持容器12の上部に種結晶を保持する機構とが付加されたものとなっている。
FIG. 8 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration example of a crystal growth apparatus used in Example 8. The crystal growth apparatus shown in FIG. 8 is obtained by adding an Ar
図8の結晶成長装置を使用したGaNの結晶成長方法を説明する。 A GaN crystal growth method using the crystal growth apparatus of FIG. 8 will be described.
まず、反応容器11をバルブ21の部分で結晶成長装置から分離し、Ar雰囲気のグローブボックスに入れる。
First, the
次いで、BN製の混合融液保持容器12に、III族金属原料としてGaを入れ、アルカリ金属としてナトリウム(Na)を入れる。混合融液25中のNaの比率は、Na/(Na+Ga)=0.51とした。
Next, Ga as a group III metal raw material and sodium (Na) as an alkali metal are put into the mixed
次いで、種結晶31を混合融液保持容器12の上部から吊り下げ、一部を混合融液25に浸す。
Next, the
次いで混合融液保持容器12を反応容器11内に設置する。次いで、反応容器11を密閉し、バルブ21を閉じ、反応容器11の内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器11をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器11をヒーター13がある所定の位置に設置し、バルブ21の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン14に接続する。
Next, the mixed
次いで、バルブ15,21を開け、反応容器11内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置16で窒素圧力を3.3MPaにした。この圧力3.3MPaは、図8の装置において、室温(27℃)から昇温して結晶成長温度775℃に達したときに、反応容器11内の全圧が4MPaになる圧力である。
Next, the
次いで、バルブ15を閉じる。
Next, the
次いで、バルブ18を開け、反応容器11内にArガスを入れる。このとき、圧力制御装置19で圧力を6.6MPaにした。すなわち、反応容器11内のArの分圧は3.3MPaとなる。この圧力(6.6MPa)は、図8の装置において、室温(27℃)から昇温して結晶成長温度775℃に達したときに、反応容器11内の全圧が8MPaになる圧力である。すなわち、窒素とArの分圧がそれぞれ4MPaとなる圧力である。
Next, the
次いで、バルブ18とバルブ21を閉じる。これにより、反応容器11は密閉される。
Next, the
次いで、ヒーター13に通電し、混合融液25を1時間の昇温時間で室温(27℃)から結晶成長温度775℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は748℃/時である。
Next, the
密閉された反応容器11内の圧力は昇温に追随して上昇し、結晶成長温度775℃に達した時の反応容器11内の全圧は8MPaになった。すなわち、窒素とArの分圧はそれぞれ4MPaとなった。窒素の昇圧速度は0.7MPa/時である。
The pressure in the
この状態で320時間保持した後、室温まで降温する。反応容器11内のガスの圧力を下げた後、反応容器11を開けると、融液保持容器12内には、融液表面を覆うような結晶集合体が形成されておらず、種結晶31は成長し、c軸の長さが約8mmの無色透明な柱状のGaNの単結晶32が結晶成長していた。
After maintaining this state for 320 hours, the temperature is lowered to room temperature. When the
実施例9は、第15の形態の半導体デバイス(発光素子)の一実施例である半導体レーザーである。 Example 9 is a semiconductor laser which is an example of the semiconductor device (light emitting element) of the fifteenth embodiment.
図9,図10は実施例9の半導体レーザーを示す図である。なお、図9は実施例9の半導体レーザーの斜視図であり、また、図10はその光出射方向に垂直な面での断面図である。 9 and 10 show a semiconductor laser according to the ninth embodiment. FIG. 9 is a perspective view of the semiconductor laser according to the ninth embodiment, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the light emitting direction.
実施例9の半導体レーザーは第12の形態のGaN結晶で作製したn型GaN基板50上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
The semiconductor laser of the ninth embodiment is manufactured with a group III nitride semiconductor multilayer structure stacked on an n-
すなわち、図9,図10において、半導体レーザー積層構造400は、250μmの厚さのn型GaN基板50上に、n型GaN層40、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層41、n型GaN光ガイド層42、In0.05Ga0.95N/In0.15Ga0.85N量子井戸活性層43、p型GaN光ガイド層44、p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層45、p型GaNキャップ層46が順次積層された構造であり、MOCVD法で結晶成長されて作製されている。
That is, in FIGS. 9 and 10, the semiconductor laser laminated
そして積層構造400は、p型GaNキャップ層46からp型Al0.2Ga0.8Nクラッド層45の途中までをストライプ状に残してエッチングされ、電流狭窄リッジ導波路構造51が作製されている。この電流狭窄リッジ導波路構造はGaN基板の<1−100>方向に沿って形成されている。
Then, the
また、積層構造の表面には、SiO2からなる絶縁膜47が形成されている。リッジ51上の絶縁膜47には、開口部が形成されている。この開口部で露出したp型GaNキャップ層46表面に、p側のオーミック電極48が形成されている。
An insulating
また、n型GaN基板50の裏面には、n側のオーミック電極49が形成されている。n側オーミック電極49としては、Ti/Alを、p側オーミック電極48としては、Ni/Auを蒸着して形成した。
An n-
また、リッジ51と活性層43に垂直に光共振器面401,402が形成されている。光共振器面401,402はGaN基板の<1−100>方向に沿った電流狭窄リッジ導波路構造51に垂直な(1−100)面をへき開することにより形成されている。
Optical resonator surfaces 401 and 402 are formed perpendicular to the
n側オーミック電極49と光共振器面401,402は、n型GaN基板50の裏面を80μmまで研磨した後に形成した。
The n-
実施例9の半導体レーザーでは、p側のオーミック電極48とn側のオーミック電極49に電流を注入することによって、活性層にキャリアが注入され、発光、光の増幅が起り、光共振器面401,402から、レーザー光411,412が出射される。
In the semiconductor laser of the ninth embodiment, by injecting current into the p-
実施例9の半導体レーザーは、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にレーザー構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたGaN基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層されたレーザー構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、高出力動作下においても長寿命であった。 The semiconductor laser according to the ninth embodiment is manufactured by crystal-growing a laser structure on a substrate different from a group III nitride such as a conventional sapphire substrate, or a GaN substrate manufactured by vapor phase growth or other methods. Compared to those fabricated above, the laser structure laminated on the substrate has lower crystal defects and higher crystal quality, and thus has a longer life even under high-power operation.
また、実施例9の半導体レーザーは、作製プロセスを行なうのに十分厚いGaN基板を使用して作製されるので、第1の従来技術のように作製プロセス中に基板が割れてしまうということがなく、歩留まりよく作製できた。 Further, since the semiconductor laser of the ninth embodiment is manufactured using a GaN substrate that is sufficiently thick to perform the manufacturing process, the semiconductor laser does not break during the manufacturing process as in the first related art. , And a good yield was obtained.
実施例10は第16の半導体デバイス(受光素子)の一実施例である。図11は実施例10の受光素子を示す図である。 Embodiment 10 is an embodiment of a sixteenth semiconductor device (light receiving element). FIG. 11 is a diagram illustrating a light receiving element according to a tenth embodiment.
実施例10の受光素子は、第13の形態の柱状結晶をスライスして作製したn型GaN基板60上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
The light receiving element of Example 10 is manufactured with a group III nitride semiconductor multilayer structure stacked on an n-
ここで、GaN基板60の厚さは、300μmである。
Here, the thickness of the
実施例10の受光素子の構造は、n型GaN基板60上に、n型GaN層61,絶縁性GaN層62が積層され、その上に、Ni/Auから成る透明ショットキー電極63が形成されたMIS型受光素子である。
The structure of the light receiving element of the tenth embodiment is such that an n-
n型GaN基板60の裏面には、Ti/Alからなるオーミック電極64が形成され、透明ショットキー電極63の上部の一部には、Auからなる電極65が形成されている。
An
実施例10の受光素子では、透明ショットキー電極63側から光(紫外線)601を入射すると、キャリアが発生し、電極から光電流が取り出される。
In the light receiving element of the tenth embodiment, when light (ultraviolet light) 601 is incident from the
実施例10の受光素子は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上に受光素子構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたGaN基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層された受光素子構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、暗電流が小さく、S/N比が高かった。 The light-receiving element of Example 10 was manufactured by crystal-growing a light-receiving element structure on a substrate different from a group III nitride such as a conventional sapphire substrate, or a GaN formed by vapor phase growth or other methods. Compared with those fabricated on the substrate, the light receiving element structure laminated on the substrate had low crystal defects and high crystal quality, so that the dark current was small and the S / N ratio was high.
また、実施例10の受光素子は、作製プロセスを行なうのに十分厚いGaN基板を使用して作製されるので、第1の従来技術のように作製プロセス中に基板が割れてしまうということがなく、歩留まりよく作製できた。 Further, since the light receiving element of Example 10 is manufactured using a GaN substrate that is sufficiently thick to perform the manufacturing process, the substrate is not broken during the manufacturing process as in the first related art. , And a good yield was obtained.
実施例11は第17の形態の半導体デバイス(電子デバイス)の一実施例である。図12は実施例11の半導体デバイス(電子デバイス)の断面図である。実施例11の電子デバイスは高電子移動度トランジスター(HEMT)である。 Example 11 is an example of a semiconductor device (electronic device) according to the seventeenth embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view of the semiconductor device (electronic device) according to the eleventh embodiment. The electronic device of Example 11 is a high electron mobility transistor (HEMT).
実施例11の高電子移動度トランジスター(HEMT)は、第12の形態のGaN結晶で作製したGaN基板70上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
The high electron mobility transistor (HEMT) of Example 11 is manufactured with a group III nitride semiconductor multilayer structure stacked on a
ここで、GaN基板70の厚さは、300μmである。
Here, the thickness of the
高電子移動度トランジスター(HEMT)の構造は、GaN基板70上に積層された絶縁性GaN層71、n型AlGaN層72、n型GaN層73からなるリセスゲートHEMTである。
The structure of the high electron mobility transistor (HEMT) is a recess gate HEMT including an insulating
n型GaN層73はゲート部分がn型AlGaN層72までエッチングされ、n型AlGaN層72にNi/Auからなるゲート電極76が形成されている。ゲートをはさんで両脇のn型GaN層73には、Ti/Alからなるドレイン電極75、ソース電極74がそれぞれ形成されている。
The gate portion of the n-
実施例11の高電子移動度トランジスター(HEMT)は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上に高電子移動度トランジスター(HEMT)構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたGaN基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層された高電子移動度トランジスター(HEMT)構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、欠陥による電極の異常拡散や短絡が抑制され、耐圧が高く、また、良好な周波数特性を示した。 The high electron mobility transistor (HEMT) of the eleventh embodiment is manufactured by crystal-growing a high electron mobility transistor (HEMT) structure on a substrate different from a group III nitride such as a conventional sapphire substrate, Compared to those fabricated on a GaN substrate fabricated by phase growth or other methods, the high electron mobility transistor (HEMT) structure stacked on the substrate has lower crystal defects and higher crystal quality, The abnormal diffusion and short circuit of the electrode due to the above were suppressed, the withstand voltage was high, and good frequency characteristics were exhibited.
また、実施例11の高電子移動度トランジスター(HEMT)は、作製プロセスを行なうのに十分厚いGaN基板を使用して作製されるので、第1の従来技術のように作製プロセス中に基板が割れてしまうということがなく、歩留まりよく作製できた。 Since the high electron mobility transistor (HEMT) of Example 11 is manufactured using a GaN substrate that is sufficiently thick to perform the manufacturing process, the substrate is broken during the manufacturing process as in the first related art. It was possible to manufacture with a good yield without any mess.
実施例12は第18の形態のシステムの一実施例である。すなわち、実施例12は第15の形態の半導体デバイス(発光素子)を具備した照明装置である。 Example 12 is an example of the system according to the eighteenth mode. That is, Example 12 is a lighting device including the semiconductor device (light emitting element) of the fifteenth embodiment.
図13は実施例12の照明装置の模式図である。また、図14は実施例12の照明装置の回路図である。また、図15は実施例12の照明装置の光源である白色LEDモジュールの断面図である。また、図16は白色LEDのモジュールの光源である紫外発光LEDの断面図である。 FIG. 13 is a schematic diagram of a lighting device according to a twelfth embodiment. FIG. 14 is a circuit diagram of the lighting apparatus according to the twelfth embodiment. FIG. 15 is a cross-sectional view of a white LED module which is a light source of the illumination device of the twelfth embodiment. FIG. 16 is a sectional view of an ultraviolet light emitting LED which is a light source of a white LED module.
実施例12の照明装置は、2個の白色LEDモジュール902と電流制限抵抗96,直流電源97,スイッチ98とが直列に接続されており、スイッチ98のオン,オフによって、白色LEDモジュール902を発光させるようになっている。
In the lighting device according to the twelfth embodiment, two
ここで、白色LEDモジュール902は、紫外発光LED90にYAG系蛍光体91が塗布された構造をなす。そして、電極端子94,95間に所定の電圧を印加すると、紫外発光LED90が発光し、その紫外光によってYAG系蛍光体91が励起され、白色光901が取り出される。
Here, the
ここで、紫外発光LED90は、第13の形態の柱状結晶をスライスして作製したn型GaN基板80上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
Here, the ultraviolet
GaN基板80の厚さは、300μmである。
The thickness of the
紫外発光LED90の構造は、n型GaN基板80上に、n型GaN層81、n型Al0.1Ga0.9N層82、InGaN/GaN多重量子井戸構造を有する活性層83、p型Al0.1Ga0.9N層84、p型GaN層85が積層され、その上に、Ni/Auから成る透明オーミック電極86が形成されている。透明オーミック電極86上には、Ni/Auから成るワイヤーボンディングン用の電極87が形成されている。また、n型GaN基板80の裏面には、Ti/Alからなるオーミック電極88が形成されている。
The structure of the ultraviolet
この紫外発光LED90では、p側の電極87とn側のオーミック電極88に電流を注入することによって、活性層にキャリアが注入され、発光し、LED外部に紫外光801が取り出される。
In this ultraviolet
この実施例12のLEDは、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にLED構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたGaN基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層されたLED構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、発光効率が高く、高出力動作する。 The LED of the twelfth embodiment is manufactured by crystal growth of the LED structure on a substrate different from a group III nitride such as a conventional sapphire substrate, or by a GaN substrate manufactured by vapor phase growth or other methods. Compared to those fabricated above, the LED structure stacked on the substrate has low crystal defects and high crystal quality, so that the luminous efficiency is high and high output operation is performed.
また、実施例12のLEDは、作製プロセスを行なうのに十分厚いGaN基板を使用して作製されるので、第1の従来技術のように作製プロセス中に基板が割れてしまうということがなく、歩留まりよく作製できた。 Further, since the LED of Example 12 is manufactured using a GaN substrate that is sufficiently thick to perform the manufacturing process, the substrate does not break during the manufacturing process as in the first related art. It was manufactured with good yield.
従って、実施例12の照明器具は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にLED構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたGaN基板上に作製された紫外LEDを使用した白色LED照明器具よりも、明るく、低消費電力である。
Therefore, the lighting fixture of Example 12 was manufactured by crystal-growing an LED structure on a substrate different from a group III nitride such as a conventional sapphire substrate, or by vapor phase growth, or by other methods. It is brighter and consumes less power than white LED lighting fixtures using ultraviolet LEDs fabricated on a GaN substrate.
11,101 反応容器
12 混合融液保持容器
13,28 ヒーター
14 ガス供給管
15,18,21,34,35 バルブ
16,19 圧力制御装置
17 窒素供給管
20 アルゴン供給管
22 圧力計
23 反応容器の内部空間
24 GaNの板状結晶
25 混合融液
26 台座
29 温度センサー
27,30,32 GaNの柱状結晶
31 種結晶
33 圧力センサー
34 温度制御器
35 圧力制御装置
36 バルブ
37 ガスボンベ
38 圧力開放バルブ
40 n型GaN層
41 n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層
42 n型GaN光ガイド層
43 In0.05Ga0.95N/In0.15Ga0.85N量子井戸活性層
44 p型GaN光ガイド層
45 p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層
46 p型GaNキャップ層
47 絶縁膜
48 p側のオーミック電極
49 n側のオーミック電極
50 n型GaN基板
51 電流狭窄リッジ導波路構造
60 n型GaN基板
61 n型GaN層
62 絶縁性GaN層
63 透明ショットキー電極
64 オーミック電極
65 電極
70 GaN基板
71 絶縁性GaN層
72 n型AlGaN層
73 n型GaN層
74 ソース電極
75 ドレイン電極
76 ゲート電極
80 n型GaN基板
81 n型GaN層
82 n型Al0.1Ga0.9N層
83 InGaN/GaN多重量子井戸構造を有する活性層
84 p型Al0.1Ga0.9N層
85 p型GaN層
86 透明オーミック電極
87 電極
88 n側のオーミック電極
90 紫外発光LED
91 YAG系蛍光体
92 金ワイヤー
93 レンズ
94、95 電極端子
96 電流制限抵抗
97 直流電源
98 スイッチ
102 混合融液
103 種結晶(例えば、GaN結晶)
105 加熱装置
106 窒素供給管
113 気液界面
107 圧力センサー
108 圧力調整弁
109 ケーブル
110 第1のシリンダー
111 第1のバルブ
120 第1のガス供給装置
400 積層構造
401、402 光共振器面
411、412 レーザー光
601 光(紫外線)
801 紫外光
901 白色光
902 白色LEDモジュール
11, 101 Reaction vessel 12 Mixed melt holding vessel 13, 28 Heater 14 Gas supply pipe 15, 18, 21, 34, 35 Valve 16, 19 Pressure control device 17 Nitrogen supply pipe 20 Argon supply pipe 22 Pressure gauge 23 Reaction vessel Internal space 24 GaN plate crystal 25 Mixed melt 26 Pedestal 29 Temperature sensor 27, 30, 32 GaN columnar crystal 31 Seed crystal 33 Pressure sensor 34 Temperature controller 35 Pressure controller 36 Valve 37 Gas cylinder 38 Pressure release valve 40 n -Type GaN layer 41 n-type Al 0.2 Ga 0.8 N cladding layer 42 n-type GaN light guide layer 43 In 0.05 Ga 0.95 N / In 0.15 Ga 0.85 N quantum well active layer 44 p -Type GaN optical guide layer 45 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N cladding layer 46 p-type GaN cap layer 47 Insulating film 48 p-side ohmic electrode 49 n-side ohmic electrode 50 n-type GaN substrate 51 current confinement ridge waveguide structure 60 n-type GaN substrate 61 n-type GaN layer 62 insulating GaN layer 63 transparent Schottky electrode 64 ohmic electrode 65 electrode 70 GaN substrate 71 insulating GaN layer 72 n-type AlGaN layer 73 n-type GaN layer 74 source electrode 75 drain electrode 76 gate electrode 80 n-type GaN substrate 81 n-type GaN layer 82 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer 83 Active layer having InGaN / GaN multiple quantum well structure 84 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer 85 p-type GaN layer 86 transparent ohmic electrode 87 electrode 88 n-side ohmic electrode 90 ultraviolet light emitting LED
91 YAG-based
801
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