JP2015040169A - Periodic table group 13 metal nitride crystals - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周期表第13族金属窒化物結晶に関する。具体的には、本発明は、超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で結晶成長させて得られる周期表第13族金属窒化物結晶に関する。また、本発明は、非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に成長させて得られる特定の周期表第13族金属窒化物結晶にも関する。 The present invention relates to a periodic table Group 13 metal nitride crystal. Specifically, the present invention relates to a periodic table group 13 metal nitride crystal obtained by crystal growth in the presence of a nitrogen-containing solvent in a supercritical and / or subcritical state. The present invention also relates to a specific periodic table group 13 metal nitride crystal obtained by growing on a base substrate having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface.
窒化ガリウム(GaN)などの周期表第13族金属窒化物結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの各種半導体デバイスの材料に用いられている。周期表第13族金属窒化物結晶を用いて高品質の半導体デバイスを得るためには、周期表第13族金属窒化物結晶が歪のない良好な結晶性を有することが必要である。そのためには周期表第13族金属窒化物結晶が不要な不純物および/または欠陥を含まず、高い純度を有することが重要になる。 Periodic table group 13 metal nitride crystals such as gallium nitride (GaN) are used as materials for various semiconductor devices such as light-emitting elements, electronic elements, and semiconductor sensors. In order to obtain a high-quality semiconductor device using a periodic table group 13 metal nitride crystal, it is necessary that the periodic table group 13 metal nitride crystal has good crystallinity without distortion. For that purpose, it is important that the periodic table group 13 metal nitride crystal does not contain unnecessary impurities and / or defects and has high purity.
周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法としては、ハイドライド気相成長法(HVPE法)やアモノサーマル法等が知られている。HVPE法は、水素気流中でGaの塩化物とV族元素の水素化物(NH3)を炉内に導入し、熱分解させ、熱分解で発生する結晶を基板上に堆積させる方法である。HVPE法は、結晶成長を行っている間、原料ガスを系内に導入し、排出させ続けるため、原料表面や炉内壁に吸着した水分を、系外に排出させることができる。このため、HVPE法は、水分に由来した酸素不純物が成長結晶に取り込まれ難く、比較的純度の高い周期表第13族金属窒化物結晶が得られるという利点を有する。 As a method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal, a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method), an ammonothermal method, and the like are known. The HVPE method is a method in which Ga chloride and a hydride of group V element (NH 3 ) are introduced into a furnace in a hydrogen gas stream, thermally decomposed, and crystals generated by the thermal decomposition are deposited on the substrate. In the HVPE method, the raw material gas is continuously introduced into the system and discharged during the crystal growth, so that moisture adsorbed on the raw material surface and the furnace inner wall can be discharged out of the system. For this reason, the HVPE method has an advantage that a periodic table group 13 metal nitride crystal having a relatively high purity can be obtained because oxygen impurities derived from moisture are hardly taken into the grown crystal.
アモノサーマル法は、超臨界状態及び/又は亜臨界状態にあるアンモニアなどの窒素を含有する溶媒と、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の結晶材料を製造する方法である。結晶成長へ適用するときは、アンモニアなどの窒素含有溶媒への原料溶解度の温度依存性を利用して温度差により過飽和状態を発生させて結晶を析出させる。具体的には、オートクレーブなどの耐圧性容器内に結晶原料や種結晶を入れて密閉し、ヒーター等で加熱することにより耐圧性容器内に高温域と低温域を形成し、その一方において原料を溶解し、他方において結晶を育成することにより、結晶を製造することができる。アモノサーマル法は、HVPE法に比べて原料利用効率が良く、製造コストを抑制することができるという点において利点がある。このため、アモノサーマル法は、様々な分野での利用が期待されており、例えば発光素子の製造方法や大口径の窒化物半導体の製造方法にアモノサーマル法を利用した技術が提案されている。 The ammonothermal method is a method for producing a desired crystal material using a solvent containing nitrogen such as ammonia in a supercritical state and / or a subcritical state and a dissolution-precipitation reaction of raw materials. When applied to crystal growth, crystals are precipitated by generating a supersaturated state due to a temperature difference utilizing the temperature dependence of the raw material solubility in a nitrogen-containing solvent such as ammonia. Specifically, a crystal raw material or seed crystal is placed in a pressure-resistant container such as an autoclave and sealed, and heated with a heater or the like to form a high-temperature region and a low-temperature region in the pressure-resistant container. Crystals can be produced by dissolving and growing crystals on the other hand. The ammonothermal method is advantageous in that the raw material utilization efficiency is better than that of the HVPE method, and the manufacturing cost can be suppressed. For this reason, the ammonothermal method is expected to be used in various fields. For example, a technique using the ammonothermal method has been proposed for a method for manufacturing a light emitting element or a method for manufacturing a large-diameter nitride semiconductor. Yes.
例えば、特許文献1及び2には、窒化ガリウム結晶をアモノサーマル法により成長させる方法が記載されている。特許文献1では、フッ化アンモニウムを用いてアモノサーマル成長を行うことが記載されている。また、特許文献2では、窒化ガリウム結晶を成長させる際の温度条件や圧力条件の検討が行われている。 For example, Patent Documents 1 and 2 describe a method of growing a gallium nitride crystal by an ammonothermal method. Patent Document 1 describes that ammonothermal growth is performed using ammonium fluoride. In Patent Document 2, examination of temperature conditions and pressure conditions for growing a gallium nitride crystal is performed.
しかしながら、特許文献1及び2に記載されたようなアモノサーマル法により成長させた窒化ガリウム結晶中には、酸素等の不純物が多く取り込まれており、純度の高い周期表第13族金属窒化物結晶を確実に得ることが難しいという問題があった。アモノサーマル法において、このような問題を解決する技術は未だ見出されておらず、さらなる技術検討が必要とされている。 However, the gallium nitride crystal grown by the ammonothermal method as described in Patent Documents 1 and 2 contains a large amount of impurities such as oxygen, and has a high purity periodic group 13 metal nitride. There was a problem that it was difficult to reliably obtain crystals. In the ammonothermal method, a technique for solving such a problem has not yet been found, and further technical examination is required.
そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、純度の高く、欠陥の少ない高品質の周期表第13族金属窒化物結晶を提供することを目的として検討を進めた。 In order to solve such problems of the prior art, the present inventors have proceeded with studies for the purpose of providing a high-quality periodic table group 13 metal nitride crystal with high purity and few defects. .
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、特定の方法で得られた周期表第13族金属窒化物結晶において、低温フォトルミネッセンス法(以下、低温PL法ともいう)によって観測される発光スペクトルのピーク形状に特徴を有することを見出した。さらに、本発明者らは、アモノサーマル法によって得られた周期表第13族金属窒化物結晶のうち、低温PL法により測定された発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に少なくとも2つの発光ピークを有する周期表第13族金属窒化物結晶は、高い純度を有し、空孔や転位等の欠陥が少ないことを見出し本発明に至った。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that in the periodic table group 13 metal nitride crystals obtained by a specific method, a low-temperature photoluminescence method (hereinafter also referred to as a low-temperature PL method). It has been found that there is a feature in the peak shape of the emission spectrum observed. Further, the inventors of the present invention have found that among the group 13 metal nitride crystals of the periodic table obtained by the ammonothermal method, the emission spectrum measured by the low temperature PL method is at least 2 in the range of 3.430 eV to 3.480 eV. It has been found that a periodic table group 13 metal nitride crystal having two emission peaks has high purity and has few defects such as vacancies and dislocations, and has led to the present invention.
Specifically, the present invention has the following configuration.
[1]超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で結晶成長させて得られた周期表第13族金属窒化物結晶であって、低温フォトルミネッセンス法によって観測される発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に、少なくとも2つの発光ピークを有することを特徴とする周期表第13族金属窒化物結晶。
[2]前記発光スペクトルの3.435〜3.460eVの範囲に第1発光ピークを有し、前記発光スペクトルの3.465〜3.480eVの範囲に第2発光ピークを有する[1]に記載の周期表第13族金属窒化物結晶。
[3]非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に結晶成長させることにより得られる[1]又は[2]に記載の周期表第13族金属窒化物結晶。
[4]非極性面を主面とする下地基板上に結晶成長させることにより得られる[1]〜[3]のいずれか1項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶。
[5]前記第2発光ピークの半値幅が12meV以下である[2]〜[4]のいずれか1項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶。
[6]前記発光スペクトルの3.435〜3.460eVの範囲に前記第1発光ピークを複数有することを特徴とする[2]〜[5]のいずれか1項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶。
[7]前記周期表第13族金属窒化物結晶は窒化ガリウム結晶である[1]〜[6]のいずれか1項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶。
[1] A Group 13 metal nitride crystal of a periodic table obtained by crystal growth in the presence of a nitrogen-containing solvent in a supercritical and / or subcritical state, and having an emission spectrum observed by a low-temperature photoluminescence method A group 13 metal nitride crystal of the periodic table having at least two emission peaks in the range of 3.430 eV to 3.480 eV.
[2] The first emission peak is in the range of 3.435 to 3.460 eV of the emission spectrum, and the second emission peak is in the range of 3.465 to 3.480 eV of the emission spectrum. Periodic table of Group 13 metal nitride crystals.
[3] The periodic table group 13 metal nitride crystal according to [1] or [2] obtained by crystal growth on a base substrate having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface.
[4] The periodic table group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [3], which is obtained by crystal growth on a base substrate having a nonpolar plane as a main surface.
[5] The periodic table group 13 metal nitride crystal according to any one of [2] to [4], wherein the half width of the second emission peak is 12 meV or less.
[6] The periodic table group 13 of any one of [2] to [5], wherein the emission spectrum has a plurality of the first emission peaks in a range of 3.435 to 3.460 eV of the emission spectrum. Metal nitride crystals.
[7] The periodic table group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [6], wherein the periodic table group 13 metal nitride crystal is a gallium nitride crystal.
本発明によれば、高純度でかつ欠陥の少ない周期表第13族金属窒化物結晶を得ることができる。すなわち、本発明では、結晶性が極めて良好であり、高品質の周期表第13族金属窒化物結晶を得ることができる。このような周期表第13族金属窒化物結晶は、各種半導体デバイスの材料等として好適に用いられる。 According to the present invention, it is possible to obtain a periodic table group 13 metal nitride crystal having high purity and few defects. That is, in the present invention, the crystallinity is very good, and a high-quality periodic table group 13 metal nitride crystal can be obtained. Such a periodic table group 13 metal nitride crystal is suitably used as a material for various semiconductor devices.
(定義)
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。また、本明細書においてwtppmとは重量ppmのことを意味する。
(Definition)
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on representative embodiments and specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value. Moreover, in this specification, wtppm means weight ppm.
まず、六方晶系の結晶構造の軸と面との関係について説明する。本明細書において種結晶又は周期表第13族金属窒化物結晶の「主面」とは、当該種結晶又は周期表第13族金属窒化物結晶における最も広い面であって、通常は結晶成長を行うべき面を指す。本明細書において「C面」とは、六方晶構造(ウルツ鋼型結晶構造)における{0001}面と等価な面であり、極性面である。例えば、(0001)面とその反対面である(000−1)面を指し、窒化ガリウムではそれぞれGa面又はN面に相当する。また、本明細書において「M面」とは、{1−100}面、{01−10}面、{−1010}面、{−1100}面、{0−110}面、{10−10}面として包括的に表される非極性面であり、具体的には(1−100)面や、(01−10)面、(−1010)面、(−1100)面、(0−110)面、(10−10)面を意味する。さらに、本明細書において「A面」とは、{2−1−10}面、{−12−10}面、{−1−120}面、{−2110}面、{1−210}面、{11−20}面として包括的に表される非極性面である。具体的には(11−20)面や、(2−1−10)面、(−12−10)面、(−1−120)面、(−2110)面、(1−210)面、を意味する。本明細書において「c軸」「m軸」「a軸」とは、それぞれC面、M面、A面に垂直な軸を意味する。
また、本明細書において「非極性面」とは、表面に周期表13族金属元素と窒素元素の両方が存在しており、かつその存在比が1:1である面を意味する。具体的には、M面やA面を挙げることができる。
本明細書において「半極性面」とは、例えば、周期表13族金属窒化物が六方晶であってその主面が(hklm)で表される場合、{0001}面以外で、m=0ではない面をいう。すなわち(0001)面に対して傾いた面で、かつ非極性面ではない面をいう。表面に周期表13族金属元素と窒素元素の両方あるいはC面のように片方のみが存在する場合で、かつその存在比が1:1でない面を意味する。h、k、l、mはそれぞれ独立に−5〜5のいずれかの整数であることが好ましく、−2〜2のいずれかの整数であることがより好ましく、低指数面であることが好ましい。周期表第13族金属窒化物結晶の主面として好ましく採用できる半極性面として、例えば{10−11}面、{10−1−1}面、{10−12}面、{10−1−2}面、{20−21}面、{202−1}面、{20−2−1}面、{10−12}面、{10−1−2}面、{11−21}面、{11−2−1}面、{11−22}面、{11−2−2}面、{11−24}面、{11−2−4}面などを挙げることができ、特に{10−11}面、{202−1}面を好ましい面として挙げることができる。
なお、C面、M面、A面などのそれぞれの結晶面の面方位は上述の結晶面から任意の角度で傾斜している場合も総称するものとし、好ましくは任意の結晶面から±10°、より好ましくは±7°の範囲で傾斜している場合である。
First, the relationship between the axes and planes of the hexagonal crystal structure will be described. In this specification, the “principal surface” of the seed crystal or the periodic table group 13 metal nitride crystal is the widest surface in the seed crystal or periodic table group 13 metal nitride crystal. Refers to the surface to be done. In this specification, the “C plane” is a plane equivalent to the {0001} plane in a hexagonal crystal structure (wurtzite type crystal structure), and is a polar plane. For example, it refers to the (0001) plane and the (000-1) plane opposite to it, and gallium nitride corresponds to the Ga plane or N plane, respectively. Further, in this specification, the “M plane” refers to {1-100} plane, {01-10} plane, {-1010} plane, {−1100} plane, {0-110} plane, {10-10 } Non-polar planes comprehensively represented as planes, specifically (1-100) plane, (01-10) plane, (-1010) plane, (-1100) plane, (0-110). ) Plane and (10-10) plane. Further, in this specification, the “A plane” means {2-1-10} plane, {-12-10} plane, {-1-120} plane, {-2110} plane, {1-210} plane. , {11-20} plane which is comprehensively represented as a plane. Specifically, (11-20) plane, (2-1-10) plane, (-12-10) plane, (-1-120) plane, (-2110) plane, (1-210) plane, Means. In this specification, “c-axis”, “m-axis”, and “a-axis” mean axes perpendicular to the C-plane, M-plane, and A-plane, respectively.
In the present specification, the “nonpolar plane” means a plane in which both of the periodic table group 13 metal element and the nitrogen element are present on the surface, and the abundance ratio thereof is 1: 1. Specifically, the M surface and the A surface can be mentioned.
In this specification, the “semipolar plane” means, for example, when the group 13 metal nitride of the periodic table is a hexagonal crystal and its main surface is represented by (hklm), m = 0 except for the {0001} plane It's not a side. That is, it refers to a plane that is inclined with respect to the (0001) plane and is not a nonpolar plane. It means a surface where only one of the group 13 metal elements and nitrogen element or the C surface is present on the surface, and the abundance ratio is not 1: 1. h, k, l and m are each independently preferably an integer of -5 to 5, more preferably an integer of -2 to 2, and preferably a low index surface. . Examples of semipolar planes that can be preferably used as the main surface of the Group 13 metal nitride crystal of the periodic table include {10-11} plane, {10-1-1} plane, {10-12} plane, {10-1- 2} plane, {20-21} plane, {202-1} plane, {20-2-1} plane, {10-12} plane, {10-1-2} plane, {11-21} plane, {11-2-1} plane, {11-22} plane, {11-2-2} plane, {11-24} plane, {11-2-4} plane, and the like, particularly {10 The -11} plane and the {202-1} plane can be cited as preferable planes.
In addition, the plane orientation of each crystal plane such as the C plane, M plane, A plane, etc. shall be generically referred to when tilted at an arbitrary angle from the above crystal plane, and preferably ± 10 ° from the arbitrary crystal plane. More preferably, it is a case of tilting in a range of ± 7 °.
(周期表第13族金属窒化物結晶)
周期表第13族金属窒化物結晶(以下、第13族窒化物結晶と称する場合がある)としては、例えば、窒化ガリウム(GaN)に代表される周期表第13族窒化物結晶が挙げられる。さらに、周期表第13族金属窒化物としては、GaNの他に、AlN、InN、またはこれらの混晶などを挙げることができる。また、混晶としては、AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaNなどを挙げることができる。中でも、好ましいのはGaNおよびGaを含む混晶であり、より好ましいのはGaNである。
(Group 13 metal nitride crystal of the periodic table)
Examples of the periodic table group 13 metal nitride crystal (hereinafter sometimes referred to as group 13 nitride crystal) include a periodic table group 13 nitride crystal typified by gallium nitride (GaN). Furthermore, examples of the periodic table group 13 metal nitride include GaN, AlN, InN, and mixed crystals thereof. Examples of mixed crystals include AlGaN, InGaN, AlInN, and AlInGaN. Among these, a mixed crystal containing GaN and Ga is preferable, and GaN is more preferable.
本発明の第1の態様の周期表第13族金属窒化物結晶は、超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で結晶成長させて得られた周期表第13族金属窒化物結晶であって、低温フォトルミネッセンス法(低温PL法)によって観測される発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に、少なくとも2つの発光ピークを有する。このように、低温PL法によって観測される発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に、少なくとも2つの発光ピークを有するようにすることで、周期表第13族金属窒化物結晶は純度を高め、かつ空孔や転位等の欠陥を減らすことができる。 The periodic table group 13 metal nitride crystal of the first aspect of the present invention is a periodic table group 13 metal nitride obtained by crystal growth in the presence of a nitrogen-containing solvent in a supercritical and / or subcritical state. It is a crystal and has at least two emission peaks in the range of 3.430 eV to 3.480 eV of an emission spectrum observed by a low temperature photoluminescence method (low temperature PL method). Thus, by having at least two emission peaks in the range of 3.430 eV to 3.480 eV of the emission spectrum observed by the low temperature PL method, the periodic table group 13 metal nitride crystal has a purity. It is possible to increase and reduce defects such as vacancies and dislocations.
また、本発明の別の態様である第2の態様の周期表第13族金属窒化物結晶は、非極性面又は半極性面を主面とする窒化物結晶からなる下地基板の上に第13族窒化物結晶をエピタキシャル成長させて得られた周期表第13族金属窒化物結晶であって、低温フォトルミネッセンス法(低温PL法)によって観測される発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に、少なくとも2つの発光ピークを有する。第2の態様においては、周期表第13族金属窒化物結晶は、非極性面を主面とする窒化物結晶からなる下地基板の上に第13族窒化物結晶をエピタキシャル成長させて得られた周期表第13族金属窒化物結晶であることがより好ましい。
このように、低温PL法によって観測される発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に、少なくとも2つの発光ピークを有するようにすることで、周期表第13族金属窒化物結晶は純度を高め、かつ空孔や転位等の欠陥の少ない結晶を得ることができる。本発明のいずれの態様においても、下地基板の上に第13族窒化物結晶をエピタキシャル成長させることによって得ることができる。
In addition, the periodic table group 13 metal nitride crystal according to the second aspect, which is another aspect of the present invention, is formed on a base substrate made of a nitride crystal whose main surface is a nonpolar plane or a semipolar plane. A group 13 metal nitride crystal obtained by epitaxially growing a group nitride crystal, and having an emission spectrum in the range of 3.430 eV to 3.480 eV observed by a low temperature photoluminescence method (low temperature PL method). Have at least two emission peaks. In the second aspect, the periodic table group 13 metal nitride crystal is obtained by epitaxially growing a group 13 nitride crystal on a base substrate made of a nitride crystal having a nonpolar plane as a main surface. More preferably, it is a Group 13 metal nitride crystal.
Thus, by having at least two emission peaks in the range of 3.430 eV to 3.480 eV of the emission spectrum observed by the low temperature PL method, the periodic table group 13 metal nitride crystal has a purity. It is possible to obtain a crystal that is high and has few defects such as vacancies and dislocations. Any of the aspects of the present invention can be obtained by epitaxially growing a group 13 nitride crystal on a base substrate.
下地基板には、エピタキシャル成長させる第13族窒化物結晶と異種の結晶層を用いることもできるが、同種の結晶からなる結晶層を下地基板とすることが好ましい。例えば、エピタキシャル成長させる第13族窒化物結晶がGaN結晶である場合は、下地基板もGaNからなることが好ましい。 As the base substrate, a crystal layer different from the group 13 nitride crystal to be epitaxially grown can be used, but a crystal layer made of the same kind of crystal is preferably used as the base substrate. For example, when the Group 13 nitride crystal to be epitaxially grown is a GaN crystal, the base substrate is also preferably made of GaN.
本発明の第1の態様の周期表第13族金属窒化物結晶は、超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で周期表第13族金属窒化物結晶を成長させる、いわゆるアモノサーマル法によって得られたものである。このため、この周期表第13族金属窒化物結晶は、原料を効率よく利用して、速い成長速度で成長させることができる。すなわち、本発明では、高品質な結晶を効率良く、低コストで製造することが可能となる。
また、本発明の第2の態様の周期表第13族金属窒化物結晶は、HVPE法やMOCVD法などの気相法やNaフラックス法、液相エピタキシ法(LPE法)などの液相法などで得られるものであってもよいが、中でも超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で周期表第13族金属窒化物結晶を成長させる、いわゆるアモノサーマル法によって得られることが好ましい。
The periodic table group 13 metal nitride crystal according to the first aspect of the present invention is a so-called alloy in which a periodic table group 13 metal nitride crystal is grown in the presence of a nitrogen-containing solvent in a supercritical and / or subcritical state. It was obtained by the monothermal method. For this reason, this group 13 metal nitride crystal of the periodic table can be grown at a high growth rate by efficiently using the raw material. That is, according to the present invention, it is possible to produce high quality crystals efficiently and at low cost.
In addition, the periodic table group 13 metal nitride crystal of the second aspect of the present invention is a gas phase method such as HVPE method or MOCVD method, a liquid phase method such as Na flux method, liquid phase epitaxy method (LPE method), etc. In particular, it can be obtained by a so-called ammonothermal method in which a Group 13 metal nitride crystal of the periodic table is grown in the presence of a nitrogen-containing solvent in a supercritical and / or subcritical state. Is preferred.
本発明のいずれの態様の周期表第13族金属窒化物結晶においても、低温フォトルミネッセンス法によって観測される発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に、少なくとも2つの発光ピークを有する点に特徴がある。ここで、「少なくとも2つの発光ピークを有する」とは、発光スペクトルにおいて分離して観察される2つ以上のピークトップが存在することを意味する。
また、本発明において「低温フォトルミネッセンス法によって観測される発光スペクトル」とは、絶対温度30K以下で、波長325nmのHe−Cdレーザー光をビーム強度38W/cm2で周期表第13族金属窒化物結晶試料に照射したときに観測されるフォトルミネッセンスのスペクトルのことを言う。この発光スペクトルは、浜松ホトニクス社製分光器(商品名C5094)及び浜松ホトニクス社製検出器(商品名BT−CCD PMA−50)を用いて観測することができる。なお、以下の説明では、「低温フォトルミネッセンス法によって観測される発光スペクトル」を、単に「発光スペクトル」と言うことがある。
The periodic table group 13 metal nitride crystal of any aspect of the present invention has at least two emission peaks in the range of 3.430 eV to 3.480 eV of the emission spectrum observed by the low temperature photoluminescence method. There are features. Here, “having at least two emission peaks” means that there are two or more peak tops observed separately in the emission spectrum.
In the present invention, the “emission spectrum observed by the low temperature photoluminescence method” means that a He—Cd laser beam having an absolute temperature of 30 K or less and a wavelength of 325 nm is irradiated with a beam intensity of 38 W / cm 2 and a periodic table group 13 metal nitride. The photoluminescence spectrum observed when a crystal sample is irradiated. This emission spectrum can be observed using a spectrometer (trade name C5094) manufactured by Hamamatsu Photonics and a detector (trade name BT-CCD PMA-50) manufactured by Hamamatsu Photonics. In the following description, the “emission spectrum observed by the low-temperature photoluminescence method” may be simply referred to as “emission spectrum”.
図2及び図5に、アモノサーマル法で製造した窒化ガリウム結晶の代表的な発光スペクトルを示す。図2の発光スペクトルは、後述する実施例1で製造された窒化ガリウム結晶の発光スペクトルであり、図5の発光スペクトルは、後述する比較例1で製造された窒化ガリウム結晶の発光スペクトルである。 2 and 5 show typical emission spectra of gallium nitride crystals manufactured by the ammonothermal method. The emission spectrum of FIG. 2 is an emission spectrum of a gallium nitride crystal manufactured in Example 1 described later, and the emission spectrum of FIG. 5 is an emission spectrum of a gallium nitride crystal manufactured in Comparative Example 1 described later.
図2の発光スペクトルは、分離した発光ピークを複数有している。このうち3.472eV付近にピークトップを有するピークI2,A(第2発光ピーク)は、窒化ガリウム結晶のドナー束縛励起子DBE(Donor Bound Exciton)が価電子帯に戻ることによる発光ピークである。また、3.435〜3.460eVの範囲に存在する2つのピーク(第1発光ピーク)は、ドナー束縛励起子が不純物の電子軌道に遷移することによる発光ピークである。この第1発光ピークの発光は、TES(Two Electron Satellites)発光と称される発光である。
参考文献PHYSICAL REVIEW B 66, 233311 (2002)では、Two Electron Satellitesに関して、各ピークと不純物種類の対応を調べており、TABLE 1.に示されている。これによれば、図2の第1ピークは、3.456eVと3.446eVにピークが存在していることから、ともにOが不純物として結晶中に入っていることを示している。
The emission spectrum of FIG. 2 has a plurality of separated emission peaks. Among these peaks, the peak I 2, A (second emission peak) having a peak top in the vicinity of 3.472 eV is an emission peak due to donor-bound exciton DBE (Donor Bound Exciton) of the gallium nitride crystal returning to the valence band. . In addition, two peaks (first emission peaks) existing in the range of 3.435 to 3.460 eV are emission peaks due to transition of donor-bound excitons to the electron orbit of impurities. The light emission at the first emission peak is light emission called TES (Two Electron Satellites) light emission.
In the reference PHYSICAL REVIEW B 66, 233311 (2002), the correspondence between each peak and the kind of impurities is examined for Two Electron Satellites and is shown in TABLE 1. According to this, since the first peaks in FIG. 2 exist at 3.456 eV and 3.446 eV, both indicate that O is contained in the crystal as an impurity.
図2の発光スペクトルは、このように第2発光ピークがシャープな形状をしており、第1発光ピークと第2発光ピークとを明確に区別することができる。一方、図5の発光スペクトルの発光ピークは、複数の発光ピークが重なったブロードな単一ピークであり、第1発光ピークと第2発光ピークとを区別することができない。
本願発明者らが、このような発光スペクトルのピーク形状と周期表第13族金属窒化物結晶の不純物濃度との相関関係を詳細に検討したところ、後述する実施例の欄で示すように、発光スペクトルが少なくとも2つの発光ピークを有する周期表第13族金属窒化物結晶(実施例1〜3)は一様に高い純度を有するのに対して、発光スペクトルの発光ピークがブロードな単一ピークである窒化ガリウム結晶(比較例1〜6)は、いずれも純度が低いことが判明した。
In the emission spectrum of FIG. 2, the second emission peak has a sharp shape as described above, and the first emission peak and the second emission peak can be clearly distinguished. On the other hand, the emission peak of the emission spectrum of FIG. 5 is a broad single peak in which a plurality of emission peaks overlap, and the first emission peak and the second emission peak cannot be distinguished.
The inventors of the present application have examined in detail the correlation between the peak shape of such an emission spectrum and the impurity concentration of the Group 13 metal nitride crystal of the periodic table. The periodic table group 13 metal nitride crystals (Examples 1 to 3) whose spectrum has at least two emission peaks have a uniform high purity, whereas the emission peak of the emission spectrum is a broad single peak. It has been found that any gallium nitride crystal (Comparative Examples 1 to 6) has low purity.
従来は、工業生産性を重視しなるべく高速度で成長しやすくする為に、溶解量を稼げる高い圧力範囲(200MPa)を用い、原料溶解領域/結晶成長領域の溶解度差を大きくしやすいヨウ素化合物を中心とした鉱化剤の選定を行ってきた。こうした条件で成長した結晶を低温PLで測定すると、たとえば比較例2、3に示す通り、単一のブロードな(半値幅の広い)ピークが観察され、一般に使用される半導体としてはキャリアが入りすぎの状態となっていた。
一方、本発明では、成長条件を低圧とし、鉱化剤にフッ素化合物のみを用いることにより、低温フォトルミネッセンス法によって観測される発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に、少なくとも2つの発光ピークを有する周期表第13族金属窒化物結晶を得ることに成功した。すなわち、本発明で得られる周期表第13族金属窒化物結晶は高い純度を有し、かつ空孔や転位等の欠陥が少ない。
Conventionally, in order to make it easy to grow at a high speed as much as possible with an emphasis on industrial productivity, an iodine compound that tends to increase the solubility difference between the raw material dissolution region / crystal growth region using a high pressure range (200 MPa) that can be dissolved is used. The main mineralizer has been selected. When a crystal grown under such conditions is measured at low temperature PL, for example, as shown in Comparative Examples 2 and 3, a single broad (wide half-value width) peak is observed, and as a commonly used semiconductor, there are too many carriers. It was in the state of.
On the other hand, in the present invention, at least two luminescences in the range of 3.430 eV to 3.480 eV of the emission spectrum observed by the low temperature photoluminescence method are obtained by setting the growth conditions to low pressure and using only a fluorine compound as the mineralizer. A group 13 metal nitride crystal having a peak in the periodic table was successfully obtained. That is, the periodic table group 13 metal nitride crystal obtained in the present invention has high purity and has few defects such as vacancies and dislocations.
発光スペクトルの複数のピークは、周期表第13族金属窒化物結晶に取り込まれた不純物の種類によっても異なるが3.435〜3.460eVの範囲に存在する第1発光ピークと3.465〜3.480eVの範囲に存在する第2発光ピークを含むことが好ましい。このような範囲に第1発光ピークおよび第2発光ピークを有する周期表第13族金属窒化物結晶は、極めて高い純度を有し、かつ空孔や転位等の欠陥が少ない。 The plurality of peaks in the emission spectrum vary depending on the type of impurities incorporated in the Group 13 metal nitride crystal of the periodic table, but the first emission peak existing in the range of 3.435 to 3.460 eV and 3.465 to 3 It is preferable to include a second emission peak existing in the range of .480 eV. The periodic table group 13 metal nitride crystal having the first emission peak and the second emission peak in such a range has an extremely high purity and few defects such as vacancies and dislocations.
第1発光ピーク及び第2発光ピークは、それぞれ単一の発光ピークであってもよいし、複数の発光ピークを有していてもよい。発光スペクトルの3.435〜3.460eVの範囲には第1発光ピークを複数有することとしてもよい。これにより、純度が高く、欠陥の少ない周期表第13族金属窒化物結晶を得ることができる。なお、発光スペクトルの3.465〜3.480eVの範囲に存在する第2発光ピークは単一の発光ピークであることが好ましい。 Each of the first emission peak and the second emission peak may be a single emission peak, or may have a plurality of emission peaks. The emission spectrum may have a plurality of first emission peaks in the range of 3.435 to 3.460 eV. Thereby, a periodic table group 13 metal nitride crystal having high purity and few defects can be obtained. In addition, it is preferable that the 2nd light emission peak which exists in the range of 3.465-3.480eV of an emission spectrum is a single light emission peak.
発光スペクトルの第2発光ピークの半値幅は、12meV以下であることが好ましく、meV以下であることがより好ましく、10meV以下であることがさらに好ましい。
ここで、「第2発光ピークの半値幅」とは、バックグラウンドレベルを第2発光ピークのベースラインとしたときに、このベースラインと第2発光ピークの頂点との間の1/2の高さ位置におけるピーク幅のことを言う。
第2発光ピークの半値幅が12meV以下であることは、第2発光ピークの形状がシャープであることを意味しており、第2発光ピークの半値幅がそのような範囲にある周期表第13族金属窒化物結晶は、極めて高い純度を有する。
The half width of the second emission peak of the emission spectrum is preferably 12 meV or less, more preferably meV or less, and further preferably 10 meV or less.
Here, the “half-value width of the second emission peak” is a half height between the baseline and the peak of the second emission peak when the background level is the baseline of the second emission peak. This refers to the peak width at this position.
That the half width of the second emission peak is 12 meV or less means that the shape of the second emission peak is sharp, and the half width of the second emission peak is in such a range. Group metal nitride crystals have a very high purity.
周期表第13族金属窒化物結晶の酸素濃度は、1×1020atoms/cm3以下あることが好ましく、5×1019atoms/cm3以下であることがより好ましく、1×1019atoms/cm3以下あることがさらに好ましい。酸素濃度が上記範囲の周期表第13族金属窒化物結晶は、純度が高く、かつ結晶安定性が高い。 The oxygen concentration of the group 13 metal nitride crystal of the periodic table is preferably 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, and 1 × 10 19 atoms / cm 3. More preferably, it is not more than cm 3 . A periodic table group 13 metal nitride crystal having an oxygen concentration in the above range has high purity and high crystal stability.
本発明のいずれの態様の周期表第13族金属窒化物結晶も非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に結晶成長させたものであることが好ましい。中でも、周期表第13族金属窒化物結晶は非極性面を主面とする下地基板上に結晶成長させたものであることがより好ましい。すなわち、本発明の周期表第13族金属窒化物結晶はM面を主面とした下地基板上に結晶成長させたものであることが好ましい。この場合の主面はオフ角を有するM面であってもよい。オフ角の範囲としては、好ましくは±15°以内であり、より好ましくは±10°以内であり、さらに好ましくは±5°以内である。
通常、極性面を主面とする下地基板上に結晶成長させた第13族窒化物結晶においては、不純物が取り込まれにくいと考えられており、比較的高純度の結晶を得やすいとされていた。一方で、非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に結晶成長させた第13族窒化物結晶には、酸素をはじめとする不純物が取り込まれやすく、高純度かつ低欠陥の結晶を得ることは極めて困難であった。しかしながら、本発明者らの検討により、結晶成長条件を後述のように適宜調整することによって、初めて、非極性面又は半極性面を主面とする下地基板上に極めて高純度で結晶安定性の高い第13族窒化物結晶を得ることが可能となった。
It is preferable that the periodic table group 13 metal nitride crystal of any aspect of the present invention is grown on a base substrate having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface. Among them, the periodic table group 13 metal nitride crystal is more preferably a crystal grown on a base substrate having a nonpolar plane as a main surface. That is, it is preferable that the periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention is grown on a base substrate having an M plane as a main surface. The main surface in this case may be an M surface having an off angle. The range of the off angle is preferably within ± 15 °, more preferably within ± 10 °, and further preferably within ± 5 °.
In general, a Group 13 nitride crystal grown on a base substrate having a polar surface as a main surface is considered to be less likely to incorporate impurities, and it has been considered that it is easy to obtain a relatively high-purity crystal. . On the other hand, Group 13 nitride crystals grown on a base substrate having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface are easy to incorporate impurities such as oxygen, and have a high purity and low defect. It was extremely difficult to obtain. However, by studying the present inventors, the crystal growth conditions are appropriately adjusted as described below, and for the first time, an extremely high purity and crystal stability can be achieved on a base substrate having a nonpolar or semipolar surface as a main surface. It became possible to obtain a high group 13 nitride crystal.
(周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法)
本発明のいずれの態様の周期表第13族金属窒化物結晶も、アモノサーマル法により得られたものであることが好ましい。アモノサーマル法とは、超臨界状態及び/又は亜臨界状態にある溶媒を用いて、原材料の溶解−析出反応を利用して所望の材料を製造する方法である。具体的には、本発明の周期表第13族金属窒化物結晶は、周期表第13族金属窒化物結晶原料を反応容器の原料溶解領域に充填して、反応容器中において超臨界及び/又は亜臨界状態の窒素含有溶媒の存在下で、周期表第13族金属窒化物結晶の成長を行う成長工程によって得られる。
(Manufacturing method of periodic table group 13 metal nitride crystal)
The periodic table group 13 metal nitride crystal of any aspect of the present invention is preferably obtained by an ammonothermal method. The ammonothermal method is a method for producing a desired material using a solvent in a supercritical state and / or a subcritical state and utilizing a dissolution-precipitation reaction of raw materials. Specifically, the periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention is filled with a periodic table group 13 metal nitride crystal raw material in a raw material dissolution region of the reaction vessel, and is supercritical and / or in the reaction vessel. It is obtained by a growth process in which a periodic table group 13 metal nitride crystal is grown in the presence of a nitrogen-containing solvent in a subcritical state.
GaNなどの周期表第13族金属窒化物結晶を高品質に歩留まり良く製造するには、系内の酸素などの不純物濃度が低い方が好ましいが、アモノサーマル法は閉鎖系であり、仕込み時に混入してしまった不純物は、運転中も排出されることなく系内に存在し続ける。この点、成長中に高純度ガスを流入・排出させ続けるHVPE法等の手法に対し、高純度化に対し不利な特徴を持つ。原料表面や炉内壁に吸着した水分などは、HVPE法等であれば、ガスを流しながら昇温することで、脱離・排出が可能だが、アモノサーマル法では系内に残留し続ける。
このような問題に対し、本願発明者らは、フッ素化合物のみを鉱化剤として用い、成長圧力を低圧とする結晶成長条件として結晶成長を行うことによって、より純度の高い結晶を得ることに成功した。
以下、本発明に用いることができる周期表第13族金属窒化物結晶原料と、この周期表第13族金属窒化物結晶原料を用いた周期表第13族金属窒化物結晶成長方法について説明する。
In order to produce a periodic table group 13 metal nitride crystal such as GaN with high quality and good yield, it is preferable that the concentration of impurities such as oxygen in the system is low, but the ammonothermal method is a closed system, Impurities that have been mixed in remain in the system without being discharged even during operation. In this respect, it has a disadvantageous feature for high purity as compared with the HVPE method and the like that keeps high purity gas flowing in and out during growth. Moisture adsorbed on the surface of the raw material and the inner wall of the furnace can be desorbed and discharged by raising the temperature while flowing gas in the HVPE method or the like, but it remains in the system in the ammonothermal method.
In response to such problems, the inventors of the present invention succeeded in obtaining crystals with higher purity by using only a fluorine compound as a mineralizer and performing crystal growth under crystal growth conditions with a low growth pressure. did.
Hereinafter, a periodic table group 13 metal nitride crystal raw material that can be used in the present invention and a periodic table group 13 metal nitride crystal growth method using the periodic table group 13 metal nitride crystal raw material will be described.
(結晶原料)
本発明では、アモノサーマル法により成長させようとしている周期表第13族金属窒化物結晶を構成する原子を含む周期表第13族金属窒化物結晶原料を用いる。例えば、周期表13族金属の周期表第13族金属窒化物結晶を成長させようとする場合は、周期表13族金属を含む原料を用いる。好ましくは周期表第13族金属窒化物結晶の多結晶原料又は単結晶原料を用い、これを13族原子の金属(メタル)と組み合わせて原料として用いても良い。多結晶原料は、完全な窒化物である必要はなく、条件によっては13族原子がメタルの状態(ゼロ価)である金属成分を含有しても良い。例えば、成長させる周期表第13族金属窒化物結晶が窒化ガリウムである場合には、窒化ガリウムと金属ガリウムの混合物が挙げられる。本発明で得られる周期表第13族金属窒化物結晶の種類としては、GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、AllnGaNなどを挙げることができる。好ましいのはGaN、AlN、AlGaN、AllnGaNであり、より好ましいのはGaNである。よって、周期表第13族金属窒化物結晶原料としては、前述の結晶の多結晶原料及び/又はこれらのメタルを組合せて用いることができる。
(Crystal raw material)
In this invention, the periodic table group 13 metal nitride crystal raw material containing the atom which comprises the periodic table group 13 metal nitride crystal which is going to grow by the ammonothermal method is used. For example, when an attempt is made to grow a periodic table group 13 metal nitride crystal of a periodic table group 13 metal, a raw material containing a periodic table group 13 metal is used. Preferably, a polycrystalline raw material or a single crystal raw material of a group 13 metal nitride crystal of the periodic table may be used, and this may be used as a raw material in combination with a metal (metal) of a group 13 atom. The polycrystalline raw material does not need to be a complete nitride, and may contain a metal component in which the group 13 atom is in a metal state (zero valence) depending on conditions. For example, when the group 13 metal nitride crystal to be grown is gallium nitride, a mixture of gallium nitride and metal gallium can be used. Examples of the type of periodic table group 13 metal nitride crystal obtained in the present invention include GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, and AllnGaN. Preferred is GaN, AlN, AlGaN, AllnGaN, and more preferred is GaN. Therefore, as the group 13 metal nitride crystal raw material of the periodic table, the above-mentioned polycrystalline raw material of crystals and / or these metals can be used in combination.
結晶原料の製造方法は、特に制限されない。例えば、アンモニアガスを流通させた反応容器内で、金属又はその酸化物もしくは水酸化物をアンモニアと反応させることにより生成した窒化物多結晶を用いることができる。また、より反応性の高い金属化合物原料として、ハロゲン化物、アミド化合物、イミド化合物、ガラザンなどの共有結合性M−N結合を有する化合物などを用いることができる。さらに、Gaなどの金属を高温高圧で窒素と反応させて作製した窒化物多結晶を用いることもできる。 The method for producing the crystal raw material is not particularly limited. For example, a nitride polycrystal produced by reacting a metal or an oxide or hydroxide thereof with ammonia in a reaction vessel in which ammonia gas is circulated can be used. In addition, as a metal compound raw material having higher reactivity, a compound having a covalent MN bond such as a halide, an amide compound, an imide compound, or galazan can be used. Furthermore, a nitride polycrystal produced by reacting a metal such as Ga with nitrogen at a high temperature and a high pressure can also be used.
原料として用いる結晶原料に含まれる水や酸素の量は、少ないことが好ましい。多結晶原料中の酸素含有量は、通常250wtppm以下、好ましくは40wtppm以下、特に好ましくは20wtppm以下である。多結晶原料への酸素の混入のしやすさは、水分との反応性又は吸収能と関係がある。多結晶原料の結晶性が悪いほど表面にNH基などの活性基が多く存在し、それが水と反応して一部酸化物や水酸化物が生成する可能性がある。このため、多結晶原料としては、通常、できるだけ結晶性が高い物を使用することが好ましい。結晶性は粉末X線回折の半値幅で見積もることができ、(100)の回折線(ヘキサゴナル型窒化ガリウムでは2θ=約32.5°)の半値幅が、通常0.25°以下、好ましくは0.20°以下、さらに好ましくは0.17°以下である。このように、結晶原料に含まれる酸素含有量をコントロールすることで、結晶中に導入される水素および酸素の濃度比率を所望の範囲とすることができ、結晶体に歪みが生じることを抑制することができる。 The amount of water and oxygen contained in the crystal raw material used as the raw material is preferably small. The oxygen content in the polycrystalline raw material is usually 250 wtppm or less, preferably 40 wtppm or less, and particularly preferably 20 wtppm or less. The ease of mixing oxygen into the polycrystalline raw material is related to the reactivity with water or the absorption capacity. The worse the crystallinity of the polycrystalline raw material, the more active groups such as NH groups exist on the surface, which may react with water and partially generate oxides or hydroxides. For this reason, it is usually preferable to use a polycrystalline material having as high crystallinity as possible. The crystallinity can be estimated by the half width of powder X-ray diffraction. The half width of the (100) diffraction line (2θ = about 32.5 ° for hexagonal gallium nitride) is usually 0.25 ° or less, preferably It is 0.20 ° or less, more preferably 0.17 ° or less. In this way, by controlling the oxygen content contained in the crystal raw material, the concentration ratio of hydrogen and oxygen introduced into the crystal can be set to a desired range, and distortion of the crystal is prevented from occurring. be able to.
(ゲッタリング剤)
また、成長系内には、ゲッタリング剤が添加されていてもよい。ゲッタリング剤は、反応容器内の酸素等の不純物を吸着して該不純物が成長結晶中に取り込まれることを抑える機能を有する。これにより、より純度の高い周期表第13族金属窒化物結晶を得ることができる。酸素を吸着する元素としては、Al、Ti、Zn、Mg、Si、B等が挙げられるが、純度の高い周期表第13族金属窒化物結晶を得る観点から、ゲッタリング剤は、窒化結晶の結晶成長の過程で溶解せず、成長結晶中に取り込まれ難いもの又は成長結晶中に取り込まれても結晶品質を悪化させないものであることが好ましい。以上のことを考慮すると、ゲッタリング剤としてはAl又はAl合金であることが好ましい。
(Gettering agent)
Further, a gettering agent may be added in the growth system. The gettering agent has a function of adsorbing impurities such as oxygen in the reaction vessel and suppressing the impurities from being taken into the grown crystal. Thereby, a periodic table group 13 metal nitride crystal with higher purity can be obtained. Examples of the element that adsorbs oxygen include Al, Ti, Zn, Mg, Si, and B. From the viewpoint of obtaining a highly purified periodic table group 13 metal nitride crystal, the gettering agent is a nitride crystal. It is preferable that it is not dissolved in the process of crystal growth and is difficult to be taken into the grown crystal or that does not deteriorate the crystal quality even if taken into the grown crystal. Considering the above, the gettering agent is preferably Al or an Al alloy.
なお、ゲッタリング剤は、結晶原料に含まれていてもよいが、反応容器内の他の場所に載置することとしてもよい。ゲッタリング剤は、フッ化アルミニウム(AlF3)、窒化アルミニウム(AlN)、あるいは、錯体(Al(NH4)3F6)、(AlF4NH4)の形態で投入することもできる。いずれの場合も、昇温加圧後は、錯体(AlF4NH4)となってアンモニア中に溶解する。 The gettering agent may be contained in the crystal raw material, but may be placed in another place in the reaction vessel. The gettering agent may be added in the form of aluminum fluoride (AlF 3 ), aluminum nitride (AlN), or a complex (Al (NH 4 ) 3 F 6 ) or (AlF 4 NH 4 ). In either case, after heating and pressurization, it becomes a complex (AlF 4 NH 4 ) and dissolves in ammonia.
ゲッタリング剤に用いる元素の添加量は、溶媒に対して0.05〜20mol%であることが好ましく、0.1〜10mol%であることがより好ましい。ゲッタリング剤の添加量が少ないと、成長結晶の不純物の取り込みを抑える効果が十分に得られない場合がある。また、ゲッタリング剤の添加量が多すぎると、該ゲッタリング剤が結晶原料の溶解に影響して結晶成長速度が遅くなる可能性がある。 The amount of the element used for the gettering agent is preferably 0.05 to 20 mol%, more preferably 0.1 to 10 mol%, based on the solvent. If the amount of the gettering agent added is small, the effect of suppressing the uptake of impurities in the grown crystal may not be sufficiently obtained. If the amount of the gettering agent added is too large, the gettering agent may affect the dissolution of the crystal raw material, and the crystal growth rate may be slow.
(下地基板)
下地基板は、周期表第13族金属窒化物結晶の結晶成長に用いられる公知のものであればその種類は特に限定されず、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)等の目的とする周期表第13族金属窒化物結晶と同種のものを用いることができる。また、他にも、サファイア(Al2O3)、酸化亜鉛(ZnO)等の金属酸化物、炭化ケイ素(SiC)、シリコン(Si)等の珪素含有物、又はヒ素ガリウム(GaAs)等を用いることができる。但し、目的の周期表第13族金属窒化物結晶と一致し、若しくは適合した格子定数、結晶格子のサイズパラメータを有する下地基板であるか、またはヘテロエピタキシー(すなわち若干の原子の結晶学的位置の一致)を保証するように配置した単結晶材料片若しくは多結晶材料片から構成されている下地基板を用いることが好ましい。
(Base substrate)
The base substrate is not particularly limited as long as it is a known substrate used for crystal growth of Group 13 metal nitride crystals of the periodic table. Gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), aluminum gallium nitride ( The same type of periodic group 13 metal nitride crystals as AlGaN) can be used. In addition, metal oxides such as sapphire (Al 2 O 3 ) and zinc oxide (ZnO), silicon-containing materials such as silicon carbide (SiC) and silicon (Si), arsenic gallium (GaAs), and the like are used. be able to. However, it may be a base substrate having a lattice constant, a crystal lattice size parameter that matches or matches the desired group 13 metal nitride crystal of the target periodic table, or heteroepitaxy (ie, the crystallographic position of some atoms). It is preferable to use a base substrate composed of a single crystal material piece or a polycrystalline material piece arranged so as to guarantee (coincidence).
本発明の周期表第13族金属窒化物結晶の結晶成長に用いられる下地基板としては、アモノサーマル法により作製された単結晶及びそれらを切断した結晶を好ましく用いることができる。アモノサーマル法により作製された結晶は歪みが少なく、良好な窒化物結晶を成長させることができるため、下地基板として好ましく用いられる。また、アモノサーマル法により作製された結晶を下地基板として用いることにより、成長結晶に所望の濃度比率となるように水素および酸素を含有させることができ、結晶性に優れた成長結晶を成長させることができる。 As the base substrate used for crystal growth of the periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention, single crystals produced by an ammonothermal method and crystals obtained by cutting them can be preferably used. A crystal produced by an ammonothermal method is preferably used as a base substrate because it has little distortion and can grow a good nitride crystal. In addition, by using a crystal produced by an ammonothermal method as a base substrate, the growth crystal can contain hydrogen and oxygen so as to have a desired concentration ratio, and a growth crystal having excellent crystallinity is grown. be able to.
下地基板の主面の面方位は特に限定されないが、M面を主面とする下地基板を選択することが好ましい。 The surface orientation of the main surface of the base substrate is not particularly limited, but it is preferable to select a base substrate having the M surface as the main surface.
下地基板の表面状態は滑らかとなるようにコントロールされていることが好ましい。すなわち、下地基板には前処理が施されることが好ましい。例えば、前処理として、下地基板にメルトバック処理を施したり、下地基板の成長結晶成長面を研磨したり、下地基板を洗浄するなどが挙げられる。これにより、下地基板の表面状態を滑らかにすることができ、結晶中に導入される水素および酸素の濃度比率を所望の範囲とすることができる。これにより、下地基板上に成長する第13族窒化物結晶の結晶性を良好にすることができる。 It is preferable that the surface state of the base substrate is controlled to be smooth. That is, pretreatment is preferably performed on the base substrate. For example, the pretreatment includes subjecting the base substrate to a melt back process, polishing the growth crystal growth surface of the base substrate, and cleaning the base substrate. Thereby, the surface state of the base substrate can be made smooth, and the concentration ratio of hydrogen and oxygen introduced into the crystal can be set to a desired range. Thereby, the crystallinity of the group 13 nitride crystal grown on the base substrate can be improved.
前処理において、結晶成長し得る下地基板の表面を研磨するには、例えば、ケミカルメカニカルポリッシング(CMP)等で行うことができる。下地基板の表面粗さは、例えば、原子間力顕微鏡によって計測した二乗平均平方根粗さ(Rms)が、1.0nm以下であることが好ましく、0.5nmが更に好ましく、0.3nmが特に好ましい。 In the pretreatment, the surface of the base substrate on which crystals can grow can be polished by, for example, chemical mechanical polishing (CMP). As for the surface roughness of the base substrate, for example, the root mean square roughness (Rms) measured by an atomic force microscope is preferably 1.0 nm or less, more preferably 0.5 nm, and particularly preferably 0.3 nm. .
(鉱化剤)
本発明では、アモノサーマル法による周期表第13族金属窒化物結晶を成長させる際に、鉱化剤を用いることが好ましい。鉱化剤は、アンモニアなどの窒素を含有する溶媒に対する結晶原料の溶解度を向上させるために用いられる。
(Mineralizer)
In the present invention, it is preferable to use a mineralizer when growing a periodic table group 13 metal nitride crystal by the ammonothermal method. The mineralizer is used to improve the solubility of the crystal raw material in a solvent containing nitrogen such as ammonia.
本発明の周期表第13族金属窒化物結晶を得るためには、鉱化剤としてフッ素元素を含む化合物を選択することが好ましく、中でもフッ化アンモニウムを選択することがより好ましい。
従来は、高速の結晶成長を行うため、原料溶解領域と結晶成長領域との溶解度差を大きくしやすいヨウ素元素を含む鉱化剤が多く用いられてきた。しかし、図6、7に示すように、ヨウ素元素を含む鉱化剤を用いて結晶成長させた周期表第13族金属窒化物結晶(比較例2、3)について、低温フォトルミネッセンス法によって発光スペクトルを観測すると、ブロードな単一ピーク(半値幅の広いピーク)のみが観測され、キャリア(酸素)が過剰に入り込んだ状態となる。
これに対して、フッ素元素を含有する化合物は、鉱化剤としての機能とともに、フッ素元素が強力な脱酸素性を有し、反応容器内の酸素を吸着して該酸素が成長結晶中に取り込まれることを抑制する機能も発揮する。このため、フッ素元素を含有する化合物を鉱化剤として用いることにより、観測される発光スペクトルにおいて第1発光ピークと第2発光ピークとが明確に分離した、純度の高い周期表第13族金属窒化物結晶を得ることができる。
In order to obtain the periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention, it is preferable to select a compound containing a fluorine element as a mineralizer, and it is more preferable to select ammonium fluoride.
Conventionally, in order to perform high-speed crystal growth, a mineralizer containing iodine element that tends to increase the solubility difference between the raw material dissolution region and the crystal growth region has been often used. However, as shown in FIGS. 6 and 7, the emission spectrum of the periodic table group 13 metal nitride crystal (Comparative Examples 2 and 3) grown using a mineralizer containing iodine element was measured by a low temperature photoluminescence method. Is observed, only a broad single peak (peak with a wide half-value width) is observed, and the carrier (oxygen) enters an excessive state.
On the other hand, the compound containing elemental fluorine has a function as a mineralizer and elemental fluorine has a strong deoxygenation property, adsorbs oxygen in the reaction vessel, and the oxygen is taken into the grown crystal. It also demonstrates the function of suppressing the Therefore, by using a compound containing elemental fluorine as a mineralizer, the first emission peak and the second emission peak are clearly separated in the observed emission spectrum, and the highly purified periodic table group 13 metal nitride A physical crystal can be obtained.
鉱化剤に含まれるフッ素元素の溶媒に対するモル濃度は、0.5mol%以上とすることが好ましく、1.0mol%以上とすることがより好ましく、2.0mol%以上とすることがさらに好ましい。また、鉱化剤に含まれるフッ素元素の溶媒に対するモル濃度は75mol%以下とすることが好ましく、50mol%以下とすることがより好ましく、20mol%以下とすることがさらに好ましい。濃度が低すぎる場合、溶解度が低下し成長速度が低下する傾向がある。また、濃度が低すぎると、周期表第13族金属窒化物結晶の酸素の取り込みを防ぐ効果も十分に得られず、他の結晶成長条件によっては、得られる周期表第13族金属窒化物結晶の純度が低くなる場合がある。一方濃度が濃すぎる場合、溶解度が高くなりすぎて自発核発生が増加したり、過飽和度が大きくなりすぎたりするため制御が困難になるなどの傾向がある。 The molar concentration of the fluorine element contained in the mineralizer with respect to the solvent is preferably 0.5 mol% or more, more preferably 1.0 mol% or more, and further preferably 2.0 mol% or more. Further, the molar concentration of the fluorine element contained in the mineralizer with respect to the solvent is preferably 75 mol% or less, more preferably 50 mol% or less, and further preferably 20 mol% or less. If the concentration is too low, the solubility tends to decrease and the growth rate tends to decrease. On the other hand, if the concentration is too low, the effect of preventing the incorporation of oxygen in the periodic table group 13 metal nitride crystal cannot be sufficiently obtained, and depending on other crystal growth conditions, the obtained periodic table group 13 metal nitride crystal can be obtained. There is a case where the purity of is low. On the other hand, when the concentration is too high, the solubility tends to be too high and the generation of spontaneous nuclei increases, or the degree of supersaturation becomes too high and control tends to be difficult.
フッ素を含有する化合物は、単独で鉱化剤として用いてもよいし、他の鉱化剤と組み合わせて用いてもよいが、単独で鉱化剤として用いることが好ましい。これにより、より純度の高い周期表第13族金属窒化物結晶を得ることができる。また、反応容器の内壁面には、腐食性の鉱化剤等に対して耐食性を得るため白金コーティングがなされるのが一般的であるが、フッ素を含有する化合物を単独で鉱化剤として用いることにより、白金よりも耐食性は劣るが比較的安価な、銀等の耐食性金属をコーティング材に用いることが可能になる。その結果、装置にかかるコストを大幅に削減することができる。 The fluorine-containing compound may be used alone as a mineralizer or in combination with other mineralizers, but is preferably used alone as a mineralizer. Thereby, a periodic table group 13 metal nitride crystal with higher purity can be obtained. Further, the inner wall surface of the reaction vessel is generally coated with platinum in order to obtain corrosion resistance against a corrosive mineralizer or the like, but a fluorine-containing compound is used alone as a mineralizer. Accordingly, it is possible to use a corrosion-resistant metal such as silver, which is inferior to platinum but relatively inexpensive, for the coating material. As a result, the cost for the apparatus can be greatly reduced.
鉱化剤として、フッ素元素を含む化合物以外にその他の鉱化剤を少量の範囲で併用してもよい。併用する鉱化剤としては、塩基性鉱化剤であっても、酸性鉱化剤であっても良いが、酸性鉱化剤であることが好ましい。塩基性鉱化剤としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属と窒素原子を含む化合物で、アルカリ土類金属アミド、希土類アミド、窒化アルカリ金属、窒化アルカリ土類金属、アジド化合物、その他ヒドラジン類の塩が挙げられる。好ましい例は、アルカリ金属アミドで、具体例としてはナトリウムアミド(NaNH2)、カリウムアミド(KNH2)、リチウムアミド(LiNH2)が挙げられる。また、酸性鉱化剤としては、ハロゲン元素を含む化合物が好ましく用いられる。ハロゲン元素を含む鉱化剤の例としては、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素、アンモニウムヘキサハロシリケート、及びヒドロカルビルアンモニウムフルオリド、ハロゲン化テトラメチルアンモニウム、ハロゲン化テトラエチルアンモニウム、ハロゲン化ベンジルトリメチルアンモニウム、ハロゲン化ジプロピルアンモニウム、及びハロゲン化イソプロピルアンモニウムなどのアルキルアンモニウム塩、フッ化アルキルナトリウムのようなハロゲン化アルキル金属、ハロゲン化アルカリ土類金属、ハロゲン化金属等が例示される。このうち、好ましくはハロゲン元素を含む添加物(鉱化剤)であるハロゲン化アルカリ、アルカリ土類金属のハロゲン化物、金属のハロゲン化物、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素であり、さらに好ましくはハロゲン化アルカリ、ハロゲン化アンモニウム、周期表13族金属のハロゲン化物が挙げられ、特に好ましくはハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化ガリウム、ハロゲン化水素である。ハロゲン化アンモニウムとしては、例えば塩化アンモニウム(NH4Cl)、ヨウ化アンモニウム(NH4I)、臭化アンモニウム(NH4Br)が挙げられる。鉱化剤は1種を単独で用いても良いし、複数種を適宜混合して用いても良い。 As the mineralizer, other mineralizers may be used in a small amount in addition to the compound containing fluorine element. The mineralizer used in combination may be a basic mineralizer or an acidic mineralizer, but is preferably an acidic mineralizer. Basic mineralizers include alkali metals, alkaline earth metals, compounds containing rare earth metals and nitrogen atoms, alkaline earth metal amides, rare earth amides, alkali nitride metals, alkaline earth metal nitrides, azide compounds, and other hydrazines. Class of salts. A preferred example is an alkali metal amide, and specific examples include sodium amide (NaNH 2 ), potassium amide (KNH 2 ), and lithium amide (LiNH 2 ). Moreover, as an acidic mineralizer, the compound containing a halogen element is used preferably. Examples of mineralizers containing halogen elements include ammonium halide, hydrogen halide, ammonium hexahalosilicate, and hydrocarbyl ammonium fluoride, tetramethylammonium halide, tetraethylammonium halide, benzyltrimethylammonium halide, halogenated Illustrative examples include alkylammonium salts such as dipropylammonium and isopropylammonium halides, halogenated alkyl metals such as alkyl sodium fluoride, halogenated alkaline earth metals, and metal halides. Of these, an additive (mineralizing agent) containing a halogen element is preferably an alkali halide, an alkaline earth metal halide, a metal halide, an ammonium halide, or a hydrogen halide, more preferably a halogenated. Alkalis, ammonium halides, and halides of group 13 metals of the periodic table are listed, and ammonium halides, gallium halides, and hydrogen halides are particularly preferable. Examples of the ammonium halide include ammonium chloride (NH 4 Cl), ammonium iodide (NH 4 I), and ammonium bromide (NH 4 Br). One mineralizer may be used alone, or a plurality of mineralizers may be appropriately mixed and used.
本発明の製造方法では、成長させる周期表第13族金属窒化物結晶に不純物が混入するのを防ぐために、必要に応じて鉱化剤は精製、乾燥してから使用することが好ましい。鉱化剤の純度は、通常は95%以上、好ましくは99%以上、さらに好ましくは99.99%以上である。
窒化物原料以外からの酸素の供給を低減するために、鉱化剤に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000wtppm以下であることが好ましく、10wtppm以下であることがより好ましく、1wtppm以下であることがさらに好ましい。
In the production method of the present invention, it is preferable to use the mineralizer after purification and drying as necessary, in order to prevent impurities from being mixed into the group 13 metal nitride crystal to be grown. The purity of the mineralizer is usually 95% or higher, preferably 99% or higher, more preferably 99.99% or higher.
In order to reduce the supply of oxygen from other than the nitride raw material, it is desirable that the amount of water and oxygen contained in the mineralizer is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 wtppm or less, and preferably 10 wtppm or less. More preferred is 1 wtppm or less.
反応容器内の雰囲気から水や酸素を除去する為には、反応容器内を封止した後に200℃以上に加熱して部材表面に付着した水分を水蒸気としてポンプ等にて1×10-7Paまで脱気する方法が考えられる。さらに、鉱化剤を高純度ガスで導入する方法も考えられる。また、予め露点が0℃以下の乾燥雰囲気中で部材や原料を保管して、その中で反応容器及び反応容器内に配置する部材や原料などを組み立てる方法もある。 In order to remove water and oxygen from the atmosphere in the reaction vessel, the inside of the reaction vessel is sealed and heated to 200 ° C. or higher, and the moisture adhering to the surface of the member is vaporized as 1 × 10 −7 Pa using a pump or the like. A method of degassing is conceivable. Furthermore, a method of introducing a mineralizer with a high purity gas is also conceivable. There is also a method in which members and raw materials are stored in advance in a dry atmosphere with a dew point of 0 ° C. or less, and the reaction vessels and the members and raw materials to be placed in the reaction vessels are assembled therein.
(溶媒)
アモノサーマル法に用いられる溶媒には、窒素を含有する溶媒を用いることができる。窒素を含有する溶媒としては、成長させる窒化物単結晶の安定性を損なうことのない溶媒を用いることが好ましい。溶媒としては、例えば、アンモニア、ヒドラジン、尿素、アミン類(例えば、メチルアミンのような第1級アミン、ジメチルアミンのような第二級アミン、トリメチルアミンのような第三級アミン、エチレンジアミンのようなジアミン)、メラミン等を挙げることができる。これらの溶媒は単独で用いても良いし、混合して用いても良い。
(solvent)
As the solvent used in the ammonothermal method, a solvent containing nitrogen can be used. As the solvent containing nitrogen, it is preferable to use a solvent that does not impair the stability of the nitride single crystal to be grown. Examples of the solvent include ammonia, hydrazine, urea, amines (for example, primary amines such as methylamine, secondary amines such as dimethylamine, tertiary amines such as trimethylamine, and ethylenediamine. Diamine) and melamine. These solvents may be used alone or in combination.
成長結晶への不要な酸素の供給を低減するために、溶媒に含まれる水や酸素の量はできるだけ少ないことが望ましく、これらの含有量は1000wtppm以下であることが好ましく、10wtppm以下であることがより好ましく、0.1wtppm以下であることがさらに好ましい。アンモニアを溶媒として用いる場合、その純度は通常99.9%以上であり、好ましくは99.99%以上であり、さらに好ましくは99.999%以上であり、特に好ましくは99.9999%以上である。 In order to reduce supply of unnecessary oxygen to the grown crystal, it is desirable that the amount of water and oxygen contained in the solvent is as small as possible, and the content thereof is preferably 1000 wtppm or less, and preferably 10 wtppm or less. More preferably, it is 0.1 wtppm or less. When ammonia is used as a solvent, the purity is usually 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more, and particularly preferably 99.9999% or more. .
(反応容器及び設置部材)
周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法に用いることのできる結晶製造装置の具体例を図1に示す。本発明で用いる結晶製造装置は反応容器を含む。
結晶製造装置はオートクレーブ(耐圧性容器)1を有しており、オートクレーブ1内には、バッフル板5が設置されている。原料4は、バッフル板5の上部に設置され、下地基板(種結晶)6は、バッフル板5の下部に設置される。すなわち、図1の結晶製造装置においては、バッフル板5の下部が結晶成長領域2となり、バッフル板5の上部が原料溶解領域3となる。
(Reaction vessel and installation member)
A specific example of a crystal manufacturing apparatus that can be used in a method for manufacturing a periodic table group 13 metal nitride crystal is shown in FIG. The crystal production apparatus used in the present invention includes a reaction vessel.
The crystal manufacturing apparatus has an autoclave (pressure-resistant container) 1, and a baffle plate 5 is installed in the autoclave 1. The raw material 4 is installed on the upper part of the baffle plate 5, and the base substrate (seed crystal) 6 is installed on the lower part of the baffle plate 5. That is, in the crystal manufacturing apparatus of FIG. 1, the lower part of the baffle plate 5 is the crystal growth region 2, and the upper part of the baffle plate 5 is the raw material melting region 3.
反応容器内の酸素濃度は低いことが好ましい。反応容器内の酸素濃度は、10wtppm以下であることが好ましく、5wtppm以下であることがより好ましく、1wtppm以下であることがさらに好ましい。反応容器内の酸素濃度を上記上限値以下となるように、十分に低減させることにより、結晶に取り込まれる不純物が低減し、より結晶性に優れた窒化物結晶を得ることができる。 The oxygen concentration in the reaction vessel is preferably low. The oxygen concentration in the reaction vessel is preferably 10 wtppm or less, more preferably 5 wtppm or less, and further preferably 1 wtppm or less. By sufficiently reducing the oxygen concentration in the reaction vessel so as to be equal to or lower than the above upper limit value, impurities taken into the crystal are reduced, and a nitride crystal having better crystallinity can be obtained.
本発明における反応容器とは、超臨界状態および/または亜臨界状態の窒素含有溶媒がその内壁面に直接接触しうる状態で窒化物結晶の製造を行うための容器を意味し、耐圧性容器内部の構造そのものや、耐圧性容器内に設置されるカプセルなどを好ましい例として挙げることができる。
本発明に用いる反応容器としての耐圧性容器は、アモノサーマル法により窒化物結晶を成長させるときの高温高圧条件に耐え得るもの中から選択する。本発明の製造方法においては、耐圧性及び耐腐食性を有していれば特に限定されないが、反応容器として、白金族金属やNiを含む金属であることが好ましく、Ni基合金を含むものであることがより好ましい。特に、このような材料からなる反応容器を用いた場合には、フッ素を含有する鉱化剤を用いて低圧で結晶成長することが容易となり好ましい。
The reaction vessel in the present invention means a vessel for producing a nitride crystal in a state in which a nitrogen-containing solvent in a supercritical state and / or a subcritical state can be in direct contact with its inner wall surface. Preferred examples include the structure itself and capsules installed in a pressure-resistant container.
The pressure-resistant container as the reaction container used in the present invention is selected from those capable of withstanding the high-temperature and high-pressure conditions when the nitride crystal is grown by the ammonothermal method. The production method of the present invention is not particularly limited as long as it has pressure resistance and corrosion resistance, but the reaction vessel is preferably a platinum group metal or a metal containing Ni, and contains a Ni-based alloy. Is more preferable. In particular, when a reaction vessel made of such a material is used, it is preferable because it is easy to grow a crystal at a low pressure using a fluorine-containing mineralizer.
Niを含む金属としては、炭素含有量が0.2質量%以下の純Ni(Ni200,Ni201など);Ni含有量が40質量%以上で不純元素としてのFe,Co含有量が2.5質量%以下のNi基合金(例えば、Inconel 625など(Inconelはハンティントン アロイズ カナダ リミテッドの登録商標、以下同じ);Ni含有量が40質量%以上のNi−Cu合金(モネル400など)が挙げられる。Ni基合金は、超臨界NH3環境下で窒物を形成するCr,Al,Ti,Nb、Vを含有しても良く、更に、固溶強化元素としてW,Moを含有してもよい。
純Niには、炭素含有量が0.2質量%以下の規格のもの「Ni200」と、極低炭素の規格「Ni201」などが挙げられる。本発明で用いられるNiとしては、極低炭素のグレードが好ましい。炭素含有量が低いNiの場合、時効脆化という現象が起こりにくく、500〜600℃程度の温度であっても炭素がグラファイトとして粒界に析出することなく、材料として脆くなりにくい傾向があるため好ましい。
Ni基合金としては、例えば、Fe含有量を好ましくは7質量%以下、更に好ましくは5質量%以下に制限したNi−Cr、Ni−Cr−Mo、Ni−Cr−W合金等が挙げられる。また、Ni基合金は、フッ素環境下におけるFeやCoの選択溶出を抑制する観点から、Fe含有量5.0質量%以下、Co含有量2.0質量%以下のNi基合金であることが好ましい。
以上の観点からすると、Niを含む金属としては、Ni含有量40質量%を超えるNi基合金であることが好ましく、Ni含有量45質量%を超えるNi基合金であることが更に好ましく、Ni含有量50質量%を超えるNi基合金であることが特に好ましい。
As a metal containing Ni, pure Ni (Ni200, Ni201, etc.) having a carbon content of 0.2% by mass or less; Fe, Co as an impure element with a Ni content of 40% by mass or more and 2.5% by mass % Ni-based alloys (for example, Inconel 625 and the like (Inconel is a registered trademark of Huntington Alloys Canada Limited, the same shall apply hereinafter); Ni—Cu alloys having a Ni content of 40% by mass or more (such as Monel 400). The base alloy may contain Cr, Al, Ti, Nb, and V that form nitrides in a supercritical NH 3 environment, and may further contain W and Mo as solid solution strengthening elements.
Pure Ni includes “Ni200” having a carbon content of 0.2% by mass or less, “Ni201” having an extremely low carbon content, and the like. The Ni used in the present invention is preferably a very low carbon grade. In the case of Ni with a low carbon content, the phenomenon of aging embrittlement is unlikely to occur, and even at a temperature of about 500 to 600 ° C., carbon does not precipitate at the grain boundaries as graphite, and tends to be brittle as a material. preferable.
Examples of the Ni-based alloy include Ni—Cr, Ni—Cr—Mo, and Ni—Cr—W alloys in which the Fe content is preferably limited to 7% by mass or less, and more preferably 5% by mass or less. Further, the Ni-based alloy is a Ni-based alloy having an Fe content of 5.0% by mass or less and a Co content of 2.0% by mass or less from the viewpoint of suppressing selective elution of Fe and Co in a fluorine environment. preferable.
From the above viewpoint, the Ni-containing metal is preferably a Ni-based alloy with a Ni content exceeding 40% by mass, more preferably a Ni-based alloy with a Ni content exceeding 45% by mass, It is particularly preferable that the Ni-base alloy exceed 50 mass%.
これらの合金によって反応容器を構成する様態は特に限定されない。耐圧性容器の内面を直接ライニングまたはコーティングして反応容器を形成してもよいし、耐腐食性に優れる材料からなるカプセルを耐圧性容器内に配置してもよい。純Niは柔らかく加工性に富むので容器内面に0.5mm厚さ程度のライニングを行って反応容器を形成することも簡単に行う事が出来る。また、数年に一回程度内張りを交換する事も可能である。
反応容器の形状は、円筒形などをはじめとして任意の形状とすることができる。また、反応容器は立設しても横置きにしても斜めに設置して使用してもよい。
The mode in which the reaction vessel is constituted by these alloys is not particularly limited. The reaction vessel may be formed by directly lining or coating the inner surface of the pressure-resistant vessel, or a capsule made of a material having excellent corrosion resistance may be disposed in the pressure-resistant vessel. Since pure Ni is soft and rich in workability, a reaction vessel can be easily formed by lining the inner surface of the vessel to a thickness of about 0.5 mm. It is also possible to change the lining once every few years.
The shape of the reaction vessel can be any shape including a cylindrical shape. Further, the reaction vessel may be used standing upright, horizontally or diagonally.
また、反応容器及び設置部材の耐食性をより向上させるために、白金族又は白金族合金の優れた耐食性を利用することができる。反応容器及び設置部材は、それ自体の材質を白金族又は白金族合金とすることもできるし、反応容器の内壁を白金族又は白金族合金とすることもできる。
さらに、反応容器は耐圧容器であることが好ましい。特に、反応容器の内壁を白金族又は白金族合金とする場合や、反応容器及び設置部材の表面を白金族又は白金族合金でコーティングまたはライニングする場合は、反応容器を形成する他の素材で耐圧性を確保することが好ましい。
白金族金属やNiを含む金属以外で耐圧性と耐食性を有する材料としてはTi、W、Mo、Ru、Nbやその合金を使用することができる。好ましくは、Mo、W、Tiを使用することができる。
Moreover, in order to further improve the corrosion resistance of the reaction vessel and the installation member, the excellent corrosion resistance of the platinum group or platinum group alloy can be used. The reaction vessel and the installation member can be made of a platinum group or a platinum group alloy, and the inner wall of the reaction vessel can be made of a platinum group or a platinum group alloy.
Furthermore, the reaction vessel is preferably a pressure vessel. In particular, when the inner wall of the reaction vessel is a platinum group or a platinum group alloy, or when the reaction vessel and the surface of the installation member are coated or lined with a platinum group or a platinum group alloy, other materials forming the reaction vessel can be pressure resistant. It is preferable to ensure the property.
Ti, W, Mo, Ru, Nb and alloys thereof can be used as materials having pressure resistance and corrosion resistance other than platinum group metals and metals including Ni. Preferably, Mo, W, and Ti can be used.
反応容器及び設置部材を形成する構成材及びコーティング材は、白金族又は白金族合金を含むことができる。
白金族としては、Pt、Au、Ir、Ru、Rh、Pd、Agが挙げられる。白金族合金は、これらの貴金属を主成分とする合金のことを言う。白金族合金の中でも優れた耐食性を有するPtまたはPt及びIrを含む合金を用いることができる。
The constituent material and the coating material forming the reaction vessel and the installation member may include a platinum group or a platinum group alloy.
Examples of the platinum group include Pt, Au, Ir, Ru, Rh, Pd, and Ag. The platinum group alloy refers to an alloy mainly composed of these noble metals. Among platinum group alloys, an alloy containing Pt or Pt and Ir having excellent corrosion resistance can be used.
ライニングする材料としては、Pt、Ir、Ag、Pd、Rh、Cu、Au及びCのうち少なくとも一種類以上の金属又は元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金又は化合物を用いることが好ましい。中でも、ライニングがしやすいという理由でPt、Ag、Cu及びCのうち少なくとも一種類以上の金属又は元素、もしくは、少なくとも一種類以上の金属を含む合金又は化合物を用いることが好ましい。例えば、Pt単体、Pt−Ir合金、Ag単体、Cu単体やグラファイトなどが挙げられる。 As the material for lining, it is preferable to use at least one kind of metal or element of Pt, Ir, Ag, Pd, Rh, Cu, Au and C, or an alloy or compound containing at least one kind of metal. . Among them, it is preferable to use an alloy or a compound containing at least one kind of metal or element among Pt, Ag, Cu and C, or at least one kind of metal for the reason that lining is easy. For example, Pt simple substance, Pt-Ir alloy, Ag simple substance, Cu simple substance, graphite, etc. are mentioned.
なお、本発明では、上述したように、鉱化剤として、フッ素を含有する化合物を単独で鉱化剤として用いることにより、Ag又はAgを含む合金をコーティン材やライニング材として好適に用いることができる。これにより反応容器にかかるコストを大幅に削減することができる。 In the present invention, as described above, by using a fluorine-containing compound alone as a mineralizer as a mineralizer, Ag or an alloy containing Ag can be suitably used as a coating material or a lining material. it can. Thereby, the cost concerning a reaction container can be reduced significantly.
(製造工程)
本発明の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法の一例について説明する。本発明の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法を実施する際には、まず、反応容器内に、種結晶、窒素を含有する溶媒、原料、及び鉱化剤を入れて封止する。ここで、下地基板としては、M面を主面とする下地基板を用いることが好ましい。
(Manufacturing process)
An example of the manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride crystal of this invention is demonstrated. When carrying out the method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention, first, a seed crystal, a nitrogen-containing solvent, a raw material, and a mineralizer are put in a reaction vessel and sealed. . Here, as the base substrate, it is preferable to use a base substrate having an M surface as a main surface.
本発明の製造工程においては、材料を反応容器内に導入するのに先だって、反応容器中に存在する酸素、酸化物又は水蒸気を除去する工程を設けることが好ましい。反応容器中に存在する酸素、酸化物又は水蒸気を除去するには、反応容器中に窒化物結晶原料を充填した後に、反応容器中を真空状態とすることや、反応容器中に不活性化ガスを満たす方法を採用することができる。また、反応容器や反応容器に包含される各種の部材を乾燥させることによっても酸素、酸化物又は水蒸気を除去することができる。乾燥方法としては外部ヒーターなどを用いて反応容器を加熱する方法や加熱と真空引きを組み合わせる方法などがある。これにより、結晶中に導入される酸素を低減して、より結晶性に優れた窒化物結晶を得ることができる。 In the production process of the present invention, it is preferable to provide a step of removing oxygen, oxides or water vapor present in the reaction vessel before introducing the material into the reaction vessel. In order to remove oxygen, oxides or water vapor present in the reaction vessel, the reaction vessel is filled with a nitride crystal raw material, and then the reaction vessel is evacuated, or an inert gas is contained in the reaction vessel. A method that satisfies the above can be adopted. In addition, oxygen, oxides, or water vapor can be removed by drying the reaction vessel and various members included in the reaction vessel. As a drying method, there are a method of heating the reaction vessel using an external heater or the like, a method of combining heating and vacuuming, and the like. Thereby, the oxygen crystal | crystallization introduce | transduced in a crystal | crystallization can be reduced and the nitride crystal | crystallization excellent in crystallinity can be obtained.
また、製造工程においては、表面吸着物質隔離工程をさらに設けても良い。表面吸着物質隔離工程とは、反応容器中に存在する酸素、酸化物又は水蒸気を固定化する工程をいう。また、表面吸着物質隔離工程には、反応容器や反応容器内に設置される各種の部材のうち酸素、酸化物又は水蒸気を含有する部材の表面をコーティングまたはライニングする工程が含まれる。部材の表面をコーティングまたはライニングすることによって、表面吸着物質が露出し、周期表第13族窒化物結晶に取り込まれることを防ぐことができる。 Further, in the manufacturing process, a surface adsorbing substance isolating process may be further provided. The surface adsorbing substance isolating step refers to a step of immobilizing oxygen, oxide or water vapor present in the reaction vessel. Further, the surface adsorbing substance isolation step includes a step of coating or lining the surface of a reaction vessel or a member containing oxygen, oxide, or water vapor among various members installed in the reaction vessel. By coating or lining the surface of the member, it is possible to prevent the surface adsorbing material from being exposed and taken into the periodic table group 13 nitride crystal.
材料の導入時には、窒素ガスなどの不活性ガスを流通させても良い。通常は、反応容器内への種結晶の設置は、原料及び鉱化剤を充填する際に同時又は充填後に行う。種結晶の設置後には、必要に応じて加熱脱気をしても良い。脱気時の真空度は1×10-2Pa以下が好ましく、5×10-3Pa以下がさらに好ましく、1×10-3Pa以下が特に好ましい。 At the time of introducing the material, an inert gas such as nitrogen gas may be circulated. Usually, the seed crystal is placed in the reaction vessel at the same time or after filling the raw material and the mineralizer. After installation of the seed crystal, heat deaeration may be performed as necessary. The degree of vacuum at the time of deaeration is preferably 1 × 10 −2 Pa or less, more preferably 5 × 10 −3 Pa or less, and particularly preferably 1 × 10 −3 Pa or less.
その後、全体を加熱して反応容器内を超臨界状態又は亜臨界状態とする。超臨界状態では一般的には、物質の粘度が低く、液体よりも容易に拡散されるが、液体と同様の溶媒和力を有する。亜臨界状態とは、臨界温度近傍で臨界密度とほぼ等しい密度を有する液体の状態を意味する。例えば、原料充填部では、超臨界状態として原料を溶解し、結晶成長部では亜臨界状態となるように温度を変化させて超臨界状態と亜臨界状態の原料の溶解度差を利用した結晶成長も可能である。 Thereafter, the whole is heated to bring the inside of the reaction vessel into a supercritical state or a subcritical state. In the supercritical state, the viscosity of a substance is generally low and it diffuses more easily than a liquid, but has a solvating power similar to that of a liquid. The subcritical state means a liquid state having a density substantially equal to the critical density near the critical temperature. For example, in the raw material filling part, the raw material is melted as a supercritical state, and in the crystal growth part, the temperature is changed so as to be in the subcritical state, and crystal growth utilizing the difference in solubility between the supercritical state and the subcritical state raw material is also performed. Is possible.
超臨界状態にする場合、反応混合物は、一般に溶媒の臨界点よりも高い温度に保持される。アンモニア溶媒を用いた場合、臨界点は臨界温度132℃、臨界圧力11.35MPaであるが、反応容器の容積に対する充填率が高ければ、臨界温度以下の温度でも圧力は臨界圧力を遥かに越える。本発明において「超臨界状態」とは、このような臨界圧力を越えた状態を含む。反応混合物は、一定の容積の反応容器内に封入されているので、温度上昇は流体の圧力を増大させる。一般に、T>Tc(1つの溶媒の臨界温度)及びP>Pc(1つの溶媒の臨界圧力)であれば、流体は超臨界状態にある。 In the supercritical state, the reaction mixture is generally maintained at a temperature above the critical point of the solvent. When an ammonia solvent is used, the critical point is a critical temperature of 132 ° C. and a critical pressure of 11.35 MPa. However, if the filling rate with respect to the volume of the reaction vessel is high, the pressure far exceeds the critical pressure even at a temperature below the critical temperature. In the present invention, the “supercritical state” includes such a state exceeding the critical pressure. Since the reaction mixture is enclosed in a constant volume reaction vessel, the increase in temperature increases the pressure of the fluid. In general, if T> Tc (critical temperature of one solvent) and P> Pc (critical pressure of one solvent), the fluid is in a supercritical state.
超臨界条件では、周期表第13族金属窒化物結晶の十分な成長速度が得られる。反応時間は、特に鉱化剤の反応性及び熱力学的パラメータ、すなわち温度及び圧力の数値に依存する。周期表第13族金属窒化物結晶の合成中あるいは成長中、反応容器内の圧力は結晶性及び生産性の観点から、25MPa以上にすることが好ましく、30MPa以上にすることがより好ましく、50MPa以上にすることがさらに好ましく、80MPa以下にすることが特に好ましい。また、反応容器内の圧力は、成長結晶の不要な不純物の取り込みを抑えるとともに安全性の観点から、125MPa以下にすることが好ましく、120MPa以下にすることがより好ましく、100MPa以下にすることがさらに好ましい。 Under supercritical conditions, a sufficient growth rate of the Group 13 metal nitride crystal of the periodic table can be obtained. The reaction time depends in particular on the reactivity of the mineralizer and the thermodynamic parameters, ie temperature and pressure values. During synthesis or growth of Group 13 metal nitride crystals of the periodic table, the pressure in the reaction vessel is preferably 25 MPa or more, more preferably 30 MPa or more, and more preferably 50 MPa or more from the viewpoint of crystallinity and productivity. It is more preferable to set it to 80 MPa or less. The pressure in the reaction vessel is preferably 125 MPa or less, more preferably 120 MPa or less, and more preferably 100 MPa or less, from the viewpoint of safety while suppressing the incorporation of unnecessary impurities in the grown crystal. preferable.
特に、反応容器内の圧力を125MPa以下にすることにより、成長結晶の成長速度を犠牲にすることなく、成長結晶の不要な不純物の取り込みを効果的に抑えることができる。すなわち、反応容器内の圧力を125MPa以下にすることにより、種結晶周囲の流通が促進され、成長結晶の不要な不純物の取り込みが抑制されるという効果が得られる。一方、一般に、反応容器内の圧力が低いと、結晶成長速度が低くなる傾向があるとされている。しかし、実際には、反応容器内の圧力を125MPa以下にすると溶媒の粘性が下がるため、溶媒の対流速度や結晶成長界面での溶媒の循環速度が増加し、原料の供給速度や反応副生成物の排出速度が速くなる。その結果、反応容器内の圧力を高圧にした場合に比べて遜色のない結晶成長速度を得ることができる。 In particular, by setting the pressure in the reaction vessel to 125 MPa or less, it is possible to effectively suppress the incorporation of unnecessary impurities in the grown crystal without sacrificing the growth rate of the grown crystal. That is, by setting the pressure in the reaction vessel to 125 MPa or less, it is possible to promote the circulation around the seed crystal and to suppress the incorporation of unnecessary impurities in the grown crystal. On the other hand, it is generally said that when the pressure in the reaction vessel is low, the crystal growth rate tends to be low. However, in reality, when the pressure in the reaction vessel is reduced to 125 MPa or less, the viscosity of the solvent decreases, so the convection rate of the solvent and the circulation rate of the solvent at the crystal growth interface increase, the feed rate of the raw material and the reaction by-product The discharge speed of becomes faster. As a result, a crystal growth rate comparable to that obtained when the pressure in the reaction vessel is increased can be obtained.
また、反応容器内の圧力を低くすると、鉱化剤のフッ素濃度が高い場合に生じる雑結晶の発生が抑えられるため、鉱化剤のフッ素濃度を比較的高く設定することが可能になる。これにより、結晶原料の溶媒に対する溶解度を十分に高めることができ、また、フッ素元素の脱酸素性によって成長結晶の酸素の取り込みを効果的に抑制できるという効果も得られる。さらに、反応容器に要求される耐圧性も緩くなるため、比較的安価な反応容器を用いることが可能になり、製造コストを大幅に削減することができる。 Further, when the pressure in the reaction vessel is lowered, generation of miscellaneous crystals that occur when the fluorine concentration of the mineralizer is high can be suppressed, so that the fluorine concentration of the mineralizer can be set relatively high. As a result, the solubility of the crystal raw material in the solvent can be sufficiently increased, and the effect of effectively suppressing the oxygen uptake of the grown crystal by the deoxygenation property of the fluorine element can be obtained. Furthermore, since the pressure resistance required for the reaction vessel is reduced, a relatively inexpensive reaction vessel can be used, and the manufacturing cost can be greatly reduced.
圧力は、温度及び反応容器の容積に対する溶媒体積の充填率によって適宜決定される。本来、反応容器内の圧力は、温度と充填率によって一義的に決まるものではあるが、実際には、原料、鉱化剤などの添加物、反応容器内の温度の不均一性、及び自由容積の存在によって多少異なる。 The pressure is appropriately determined depending on the filling rate of the solvent volume with respect to the temperature and the volume of the reaction vessel. Originally, the pressure in the reaction vessel is uniquely determined by the temperature and the filling rate, but in practice, the raw materials, additives such as mineralizers, temperature heterogeneity in the reaction vessel, and free volume Depending on the presence of
反応容器内の温度範囲は、結晶性及び生産性の観点から、下限値が320℃以上であることが好ましく、370℃以上であることがより好ましく、450℃以上であることがさらに好ましい。上限値は、安全性の観点から、700℃以下であることが好ましく、650℃以下であることがより好ましく、630℃以下であることがさらに好ましい。本発明の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法では、反応容器内における原料溶解領域の温度が、結晶成長領域の温度よりも高いことが好ましい。温度差(|ΔT|)は、結晶性及び生産性の観点から、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましく、100℃以下であることが好ましく、90℃以下であることがより好ましく、80℃以下が特に好ましい。反応容器内の最適な温度や圧力は、結晶成長の際に用いる鉱化剤や添加剤の種類や使用量等によって、適宜決定することができる。 From the viewpoint of crystallinity and productivity, the lower limit of the temperature range in the reaction vessel is preferably 320 ° C or higher, more preferably 370 ° C or higher, and further preferably 450 ° C or higher. From the viewpoint of safety, the upper limit value is preferably 700 ° C. or less, more preferably 650 ° C. or less, and further preferably 630 ° C. or less. In the method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention, the temperature of the raw material dissolution region in the reaction vessel is preferably higher than the temperature of the crystal growth region. The temperature difference (| ΔT |) is preferably 5 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or lower, and 90 ° C. or lower, from the viewpoints of crystallinity and productivity. More preferably, 80 ° C. or lower is particularly preferable. The optimum temperature and pressure in the reaction vessel can be appropriately determined depending on the type and amount of mineralizer and additive used during crystal growth.
反応容器内の温度範囲、圧力範囲を達成するための反応容器への溶媒の注入割合、すなわち充填率は、反応容器の自由容積、すなわち、反応容器に結晶原料、及び種結晶(下地基板)を用いる場合には、種結晶とそれを設置する構造物の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積、またバッフル板を設置する場合には、さらにそのバッフル板の体積を反応容器の容積から差し引いて残存する容積の溶媒の沸点における液体密度を基準として、通常20〜95%、好ましくは30〜80%、さらに好ましくは40〜70%とする。 In order to achieve the temperature range and pressure range in the reaction vessel, the injection rate of the solvent into the reaction vessel, that is, the filling rate, is the free volume of the reaction vessel, that is, the crystal raw material and seed crystal (underlying substrate) in the reaction vessel. If used, subtract the volume of the seed crystal and the structure on which it is installed from the volume of the reaction vessel, and if a baffle plate is installed, further add the volume of the baffle plate from the volume of the reaction vessel. The liquid density at the boiling point of the solvent remaining after subtraction is usually 20 to 95%, preferably 30 to 80%, more preferably 40 to 70%.
反応容器内での周期表第13族金属窒化物結晶の成長は、熱電対を有する電気炉などを用いて反応容器を加熱昇温することにより、反応容器内をアンモニア等の溶媒の亜臨界状態又は超臨界状態に保持することにより行われる。加熱の方法、所定の反応温度への昇温速度に付いては特に限定されないが、通常、数時間から数日かけて行われる。必要に応じて、多段の昇温を行ったり、温度域において昇温スピードを変えたりすることもできる。また、部分的に冷却しながら加熱したりすることもできる。
なお、上述したの「反応温度」は、反応容器の外面に接するように設けられた熱電対、及び/又は外表面から一定の深さの穴に差し込まれた熱電対によって測定され、反応容器の内部温度へ換算して推定することができる。これら熱電対で測定された温度の平均値をもって平均温度とする。通常は、原料溶解領域の温度と結晶成長領域の温度の平均値を平均温度とする。
The growth of the periodic table group 13 metal nitride crystals in the reaction vessel is carried out by heating and heating the reaction vessel using an electric furnace having a thermocouple, etc., so that the reaction vessel is subcritical in a solvent such as ammonia. Alternatively, it is carried out by maintaining a supercritical state. The heating method and the rate of temperature increase to a predetermined reaction temperature are not particularly limited, but are usually performed over several hours to several days. If necessary, the temperature can be raised in multiple stages, or the temperature raising speed can be changed in the temperature range. It can also be heated while being partially cooled.
The above-mentioned “reaction temperature” is measured by a thermocouple provided so as to be in contact with the outer surface of the reaction vessel and / or a thermocouple inserted into a hole having a certain depth from the outer surface, and It can be estimated in terms of internal temperature. The average value of the temperatures measured with these thermocouples is taken as the average temperature. Usually, an average value of the temperature of the raw material melting region and the temperature of the crystal growth region is defined as the average temperature.
本発明の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法においては、種結晶に前処理を加えておくことができる。前処理としては、例えば、種結晶にメルトバック処理を施したり、種結晶の成長結晶成長面を研磨したり、種結晶を洗浄するなどが挙げられる。 In the method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention, a pretreatment can be added to the seed crystal. Examples of the pretreatment include subjecting the seed crystal to a meltback process, polishing the growth surface of the seed crystal, and washing the seed crystal.
前処理において、結晶成長し得る種結晶の表面を研磨するには、例えば、ケミカルメカニカルポリッシング(CMP)等で行うことができる。種結晶の表面粗さは、例えば、原子間力顕微鏡によって計測した二乗平均平方根粗さ(Rms)が、メルトバックとそれに続く結晶成長を均等に行うとの観点から、1.0nm以下であることが好ましく、0.5nmが更に好ましく、0.3nmが特に好ましい。 In the pretreatment, in order to polish the surface of the seed crystal capable of crystal growth, for example, chemical mechanical polishing (CMP) can be performed. The surface roughness of the seed crystal should be, for example, 1.0 nm or less from the viewpoint that the root mean square roughness (Rms) measured by an atomic force microscope performs meltback and subsequent crystal growth evenly. Is preferable, 0.5 nm is more preferable, and 0.3 nm is particularly preferable.
所定の温度に達した後の反応時間については、周期表第13族金属窒化物結晶の種類、用いる原料、鉱化剤の種類、製造する結晶の大きさや量によっても異なるが、通常、数時間から数百日とすることができる。反応中、反応温度は一定にしても良いし、徐々に昇温又は降温させることもできる。所望の結晶を生成させるための反応時間を経た後、反応温度を降温させる。降温方法は特に限定されないが、ヒーターの加熱を停止してそのまま炉内に反応容器を設置したまま放冷してもかまわないし、反応容器を電気炉から取り外して空冷してもかまわない。必要であれば、冷媒を用いて急冷することも好適に用いられる。 The reaction time after reaching a predetermined temperature varies depending on the type of Group 13 metal nitride crystal of the periodic table, the raw material used, the type of mineralizer, and the size and amount of the crystal to be produced, but usually several hours. From a few hundred days. During the reaction, the reaction temperature may be constant, or the temperature may be gradually raised or lowered. After a reaction time for forming the desired crystal, the reaction temperature is lowered. The temperature lowering method is not particularly limited, but the heating may be stopped while the heating of the heater is stopped and the reaction vessel is installed in the furnace as it is, or the reaction vessel may be removed from the electric furnace and air cooled. If necessary, quenching with a refrigerant is also preferably used.
反応容器外面の温度、あるいは推定される反応容器内部の温度が所定温度以下になった後、反応容器を開栓する。このときの所定温度は特に限定はなく、通常、−80℃〜200℃、好ましくは−33℃〜100℃である。ここで、反応容器に付属したバルブの配管接続口に配管接続し、水などを満たした容器に通じておき、バルブを開けても良い。さらに必要に応じて、真空状態にするなどして反応容器内のアンモニア溶媒を十分に除去した後、乾燥し、反応容器の蓋等を開けて生成した周期表第13族金属窒化物結晶及び未反応の原料や鉱化剤等の添加物を取り出すことができる。 After the temperature of the outer surface of the reaction vessel or the estimated temperature inside the reaction vessel is below a predetermined temperature, the reaction vessel is opened. The predetermined temperature at this time is not particularly limited, and is usually −80 ° C. to 200 ° C., preferably −33 ° C. to 100 ° C. Here, the valve may be opened by pipe connection to a valve connection port of the valve attached to the reaction vessel, passing through a vessel filled with water or the like. Further, if necessary, the ammonia solvent in the reaction vessel is sufficiently removed by making a vacuum or the like, and then dried, and the periodic table group 13 metal nitride crystal formed by opening the reaction vessel lid and the like and Additives such as reaction raw materials and mineralizers can be taken out.
本発明の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法においては、種結晶上に周期表第13族金属窒化物結晶を成長させた後に、後処理を加えても良い。後処理の種類や目的は特に制限されない。例えば、ピットや転位などの結晶欠陥を容易に観察できるようにするために、育成後の冷却過程で結晶表面をメルトバックしても良い。 In the manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention, after the periodic table group 13 metal nitride crystal is grown on the seed crystal, a post-treatment may be added. The type and purpose of post-processing are not particularly limited. For example, the crystal surface may be melted back in the cooling process after growth so that crystal defects such as pits and dislocations can be easily observed.
(ウエハ)
下地基板上に結晶成長した周期表第13族金属窒化物結晶を、スライス、研削、研磨など加工処理を行うことによって、第13族窒化物基板とすることができる。所望の方向に切り出すことにより、任意の結晶方位を有するウエハ(半導体基板)を得ることができる。本発明の製造方法によって厚くて大口径のM面を有する周期表第13族金属窒化物結晶を製造した場合は、m軸に垂直な方向に切り出すことにより、大口径のM面ウエハを得ることができる。また、本発明の製造方法によって大口径の半極性面を有する周期表第13族金属窒化物結晶を製造した場合は、半極性面に平行に切り出すことにより、大口径の半極性面ウエハを得ることができる。これらのウエハも、均一で高品質であるという特徴を有する。
(Wafer)
A group 13 nitride substrate can be formed by subjecting the periodic table group 13 metal nitride crystal grown on the base substrate to processing such as slicing, grinding, and polishing. By cutting out in a desired direction, a wafer (semiconductor substrate) having an arbitrary crystal orientation can be obtained. When a periodic table group 13 metal nitride crystal having a large and large-diameter M-plane is manufactured by the manufacturing method of the present invention, a large-diameter M-plane wafer is obtained by cutting in a direction perpendicular to the m-axis. Can do. In addition, when a periodic table Group 13 metal nitride crystal having a large-diameter semipolar surface is manufactured by the manufacturing method of the present invention, a large-diameter semipolar surface wafer is obtained by cutting out parallel to the semipolar surface. be able to. These wafers are also characterized by being uniform and of high quality.
(デバイス)
上記のような製造方法により得られた周期表第13族窒化物基板は、デバイス、即ち発光素子や電子デバイス、パワーデバイスなどの用途に好適に用いられる。本発明の周期表第13族窒化物結晶やウエハが用いられる発光素子としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、それらと蛍光体を組み合わせた発光素子などを挙げることができる。また、本発明の周期表第13族窒化物結晶やウエハが用いられる電子デバイスとしては、高周波素子、高耐圧高出力素子などを挙げることができる。高周波素子の例としては、トランジスター(HEMT、HBT)があり、高耐圧高出力素子の例としては、サイリスター(SCR、GTO)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、ショットキーバリアダイオード(SBD)がある。本発明のエピタキシャルウエハは、耐圧性に優れるという特徴を有することから、上記のいずれの用途にも適している。
(device)
The periodic table group 13 nitride substrate obtained by the above manufacturing method is suitably used for devices such as light emitting elements, electronic devices, and power devices. Examples of the light-emitting element in which the periodic table group 13 nitride crystal or wafer of the present invention is used include a light-emitting diode, a laser diode, and a light-emitting element obtained by combining these with a phosphor. Moreover, examples of the electronic device using the periodic table group 13 nitride crystal or wafer of the present invention include a high-frequency element, a high withstand voltage high-power element, and the like. Examples of high-frequency elements include transistors (HEMT, HBT), and examples of high voltage and high-power elements include thyristors (SCR, GTO), insulated gate bipolar transistors (IGBT), and Schottky barrier diodes (SBD). . Since the epitaxial wafer of the present invention has a feature of excellent pressure resistance, it is suitable for any of the above applications.
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。 The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.
<実施例1>
本実施例では、図1に示す結晶製造装置を用いて周期表第13族金属窒化物結晶を成長させた。
白金を内張りしたオートクレーブ(内寸:直径22mm、長さ293mm、容積:約119ml)の下部領域(結晶成長領域2)に、種結晶(厚み約330μm)6を設置した。種結晶6は、アモノサーマル法で作製した結晶を、M面(10−10)が主面となるようスライスして両面研磨した後、主面を化学研磨[CMP(chemical mechanical polishing)]で仕上げたものである。原子間力顕微鏡によって計測された主面の表面粗さRmsは、0.5nm以下であった。
次に、オートクレーブ1の内空部にバッフル板5を設置した。そして、原料4としてHVPE法で作製したGaN多結晶体60.2gを秤量し、オートクレーブ1内のバッフル板5よりも上部の領域(原料溶解領域3)に投入した。
<Example 1>
In this example, a periodic table group 13 metal nitride crystal was grown using the crystal manufacturing apparatus shown in FIG.
A seed crystal (thickness: about 330 μm) 6 was placed in the lower region (crystal growth region 2) of an autoclave lined with platinum (inner dimensions: diameter 22 mm, length 293 mm, volume: about 119 ml). The seed crystal 6 is obtained by slicing a crystal produced by an ammonothermal method so that the M-plane (10-10) is a main surface and polishing both surfaces, and then chemically polishing the main surface [CMP (chemical mechanical polishing)]. Finished. The surface roughness Rms of the main surface measured by an atomic force microscope was 0.5 nm or less.
Next, a baffle plate 5 was installed in the inner space of the autoclave 1. Then, 60.2 g of the GaN polycrystal produced by the HVPE method as the raw material 4 was weighed and put into a region above the baffle plate 5 in the autoclave 1 (raw material dissolution region 3).
次に、鉱化剤として十分に乾燥した純度99.99%のNH4Fを溶媒として用いるNH3の充填量に対してF濃度が2.5mol%になるように秤量し、オートクレーブ1内の原料4の上方に、投入した。次いで、バルブが装着されたオートクレーブ1の蓋を直ちに閉じ、オートクレーブ1の計量を行った。
次に、オートクレーブ1に接続された導管と真空ポンプに接続された導管とが通じるように操作し、バルブを開けてオートクレーブ1内を真空脱気した。その後、オートクレーブ1内を真空状態に維持しながら、オートクレーブ1をドライアイスメタノール溶媒によって冷却し、一旦バルブを閉じた。次いで、オートクレーブ1に接続された導管とNH3ボンベに接続された導管とが通じるように操作した後、再びバルブを開け、外気に触れることなくNH3を連続してオートクレーブ1内に充填した。流量を制御して、NH3をオートクレーブ1内に液体として充填した後、再びバルブを閉じた。オートクレーブ1の温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させた後、充填したNH3による増加分の計量を行った。
Next, 9 4 % purity NH 4 F sufficiently dried as a mineralizer was weighed so that the F concentration was 2.5 mol% with respect to the amount of NH 3 used as a solvent. The raw material 4 was charged above. Next, the lid of the autoclave 1 equipped with the valve was immediately closed, and the autoclave 1 was weighed.
Next, an operation was performed so that the conduit connected to the autoclave 1 and the conduit connected to the vacuum pump communicated, and the valve was opened to evacuate the interior of the autoclave 1. Thereafter, while maintaining the inside of the autoclave 1 in a vacuum state, the autoclave 1 was cooled with a dry ice methanol solvent, and the valve was once closed. Then, after operating so as to communicate and a conduit connected to the conduit and NH 3 bomb connected to the autoclave 1, again opening the valve, and the NH 3 without touching the outside air are continuously charged into the autoclave 1. After controlling the flow rate and filling NH 3 as a liquid in the autoclave 1, the valve was closed again. After the temperature of the autoclave 1 was returned to room temperature and the outer surface was sufficiently dried, the increment by NH 3 filled was measured.
続いて、オートクレーブ1を上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブ1内の下部の結晶成長領域2の温度が625℃に、上部の原料溶解領域3の温度が575℃になるようにオートクレーブ外面温度で制御しながら昇温した。設定温度に達した後、その温度で96時間保持した。オートクレーブ1内の圧力は100MPaであった。また、保持中のオートクレーブの外面制御温度のバラツキは±5℃以下であった。
その後、オートクレーブ1の下部外面の温度が50℃になるまで約9時間かけて降温した後、ヒーターによる加熱を止め、オートクレーブ1を電気炉内で自然放冷した。オートクレーブ1の下部外面の温度がほぼ室温まで降下したことを確認した後、オートクレーブ1に付属したバルブを開放し、オートクレーブ1内のNH3を取り除いた。その後、オートクレーブ1を計量してオートクレーブ1内のNH3排出されたことを確認した。その後、一旦バルブを閉じ、オートクレーブ1に接続された導管と真空ポンプに接続された導管とが通じるように操作した後、バルブを再び開放し、オートクレーブ1内のNH3をほぼ完全に除去した。その後、オートクレーブ1の蓋を開け、成長した結晶(窒化ガリウム結晶)を取り出した。
Subsequently, the autoclave 1 was housed in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature was raised while controlling the outer surface temperature of the autoclave so that the temperature of the lower crystal growth region 2 in the autoclave 1 was 625 ° C. and the temperature of the upper raw material dissolution region 3 was 575 ° C. After reaching the set temperature, the temperature was maintained for 96 hours. The pressure in the autoclave 1 was 100 MPa. Further, the variation of the outer surface control temperature of the autoclave being held was ± 5 ° C. or less.
Thereafter, the temperature was lowered over about 9 hours until the temperature of the lower outer surface of the autoclave 1 reached 50 ° C., then the heating by the heater was stopped, and the autoclave 1 was naturally cooled in an electric furnace. After confirming that the temperature of the lower outer surface of the autoclave 1 dropped to almost room temperature, the valve attached to the autoclave 1 was opened, and NH 3 in the autoclave 1 was removed. Thereafter, the autoclave 1 was weighed to confirm that NH 3 in the autoclave 1 was discharged. After that, the valve was once closed and operated so that the conduit connected to the autoclave 1 and the conduit connected to the vacuum pump could communicate with each other, and then the valve was opened again to remove NH 3 in the autoclave 1 almost completely. Thereafter, the lid of the autoclave 1 was opened, and the grown crystal (gallium nitride crystal) was taken out.
成長した窒化ガリウム結晶の厚さを計測したところ、2.15mmであった。また、結晶成長速度は455μm/dayであり、M軸(10−10)方向での成長速度に換算すると227.5μm/dayであった。
また、得られた窒化ガリウム結晶についてX線回折法によってロッキングカーブを観測した。その結果、(100)回折の半値幅はc軸平行方向で142arcsec、c軸垂直方向で26arcsecであり、良好な値であった。さらにSIMS分析により結晶中の酸素濃度およびケイ素濃度を測定したところ、酸素濃度は5.0×1018atms/cm3であり、ケイ素濃度は検出限界以下であった。
When the thickness of the grown gallium nitride crystal was measured, it was 2.15 mm. The crystal growth rate was 455 μm / day, which was 227.5 μm / day when converted to the growth rate in the M-axis (10-10) direction.
Further, the rocking curve of the obtained gallium nitride crystal was observed by an X-ray diffraction method. As a result, the half width of (100) diffraction was 142 arcsec in the c-axis parallel direction and 26 arcsec in the c-axis vertical direction, which was a favorable value. Further, when the oxygen concentration and silicon concentration in the crystal were measured by SIMS analysis, the oxygen concentration was 5.0 × 10 18 atms / cm 3 and the silicon concentration was below the detection limit.
<実施例2、3>
鉱化剤の濃度及びオートクレーブ1内の圧力を表1に示すように変更し、さらに原料溶解領域にアルミニウム(ゲッタリング剤)を投入したこと以外は実施例1と同様にして結晶成長を行った。
実施例2で得られた窒化ガリウム結晶についてX線回折法によってロッキングカーブを観測したところ、(100)回折の半値幅はc軸平行方向で20〜23arcse、c軸垂直方向で19〜25arcsecであり、非常に良好な結果が得られた。
さらに、実施例2および3で得られた窒化ガリウム結晶について、SIMS分析により結晶中の酸素濃度およびケイ素濃度を測定したところ、いずれも酸素濃度は8.0×1018atms/cm3であり、ケイ素濃度は検出限界以下であった。
<Examples 2 and 3>
Crystal growth was carried out in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the mineralizer and the pressure in the autoclave 1 were changed as shown in Table 1, and that aluminum (gettering agent) was added to the raw material dissolution region. .
When the rocking curve was observed by the X-ray diffraction method for the gallium nitride crystal obtained in Example 2, the (100) diffraction half-width was 20 to 23 arcse in the c-axis parallel direction and 19 to 25 arcsec in the c-axis vertical direction. Very good results were obtained.
Furthermore, for the gallium nitride crystals obtained in Examples 2 and 3, when the oxygen concentration and silicon concentration in the crystals were measured by SIMS analysis, the oxygen concentration was 8.0 × 10 18 atms / cm 3 . The silicon concentration was below the detection limit.
<比較例1>
実施例1に対し、鉱化剤濃度、上部温度、下部温度を、表1に記載される条件に変更し、圧力を約2倍として成長を行った。
この比較例では、内寸が直径30mm、長さ450mmのRENE41製オートクレーブ(内容積約345cm3)を耐圧性容器として用い、Pt−Ir製カプセルを反応容器として結晶成長を行った。カプセルへの充填作業は十分に乾燥した窒素雰囲気グローブボックス内にて行った。原料として多結晶GaN粒子50.98gを秤量し、カプセル上部領域(原料溶解領域)内に設置した。次に鉱化剤として十分に乾燥した純度99.999%のGaF3を充填してNH3量に対してF濃度が1mol%となるよう秤量しカプセル内に投入した。
<Comparative Example 1>
With respect to Example 1, the mineralizer concentration, the upper temperature, and the lower temperature were changed to the conditions described in Table 1, and the pressure was increased by about twice.
In this comparative example, crystal growth was performed using a RENE41 autoclave (inner volume of about 345 cm 3 ) having an inner dimension of 30 mm in diameter and 450 mm in length as a pressure-resistant container and a Pt—Ir capsule as a reaction container. Capsule filling was performed in a sufficiently dry nitrogen atmosphere glove box. As a raw material, 50.98 g of polycrystalline GaN particles were weighed and placed in the capsule upper region (raw material dissolution region). Next, GaF 3 having a purity of 99.999% which was sufficiently dried as a mineralizer was charged, weighed so that the F concentration was 1 mol% with respect to the amount of NH 3, and charged into the capsule.
さらに上部の原料溶解領域と下部の結晶成長領域の間に白金製のバッフル板を設置した。種結晶としてHVPE法により成長した六方晶系GaN単結晶のC面を主面とするウェハー1枚とm面を主面とするウェハー、およびHVPE法によって自発核生成した粒子状結晶を用いた。種結晶の主面は粒子状結晶を除きchemical mechanical polishing(CMP)仕上げされており、表面粗さは原子間力顕微鏡による計測によりRmsが0.5nm以下であることを確認した。これら種結晶を直径0.2mmの白金ワイヤーにより白金製種結晶支持枠に吊るし、カプセル上部の結晶成長領域に設置した。 Furthermore, a platinum baffle plate was installed between the upper raw material melting region and the lower crystal growth region. As a seed crystal, one hexagonal GaN single crystal wafer grown by HVPE and having a C-plane as the principal plane and a wafer having the m-plane as the principal plane and particulate crystals spontaneously nucleated by HVPE were used. The main surface of the seed crystal was subjected to chemical mechanical polishing (CMP) finish excluding particulate crystals, and the surface roughness was confirmed to be Rms of 0.5 nm or less by measurement with an atomic force microscope. These seed crystals were hung on a platinum seed crystal support frame by a platinum wire having a diameter of 0.2 mm, and placed in a crystal growth region above the capsule.
次に、カプセルの上部にPt−Ir製のキャップを溶接により接続したのち、重量を測定した。キャップ上部に付属したチューブにバルブを接続し、真空ポンプで真空脱気した。その後、真空状態を維持したままカプセルをドライアイスエタノール溶媒により冷却した。つづいて外気に触れることなくNH3を充填した。流量制御に基づき、NH3をカプセルの有効容積の約57%に相当する液体として充填(−33℃のNH3密度で換算)した後、再びバルブを閉じた。NH3充填前と充填後の重量の差から充填量を確認した。 Next, a cap made of Pt—Ir was connected to the upper part of the capsule by welding, and the weight was measured. A valve was connected to the tube attached to the upper part of the cap, and vacuum deaeration was performed with a vacuum pump. Thereafter, the capsule was cooled with a dry ice ethanol solvent while maintaining the vacuum state. Subsequently, NH 3 was filled without touching the outside air. Based on the flow rate control, NH 3 was filled as a liquid corresponding to about 57% of the effective volume of the capsule (converted to an NH 3 density of −33 ° C.), and then the valve was closed again. The filling amount was confirmed from the difference in weight before and after NH 3 filling.
次に、バルブが装着されたオートクレーブにカプセルを挿入した後に蓋を閉じ、オートクレーブの重量を計測した。次いでオートクレーブに付属したバルブを開けて真空脱気した。その後、真空状態を維持しながらオートクレーブ1をドライアイスエタノール溶媒によって冷却した。次いで、外気に触れることなくNH3をオートクレーブに充填した。流量制御に基づき、NH3をオートクレーブの有効容積(オートクレーブ容積−充填物容積)の約59%に相当する液体として充填(−33℃のNH3密度で換算)した後、再びバルブを閉じた。オートクレーブ1の温度を室温に戻し、外表面を十分に乾燥させオートクレーブの重量を計測した。NH3充填前の重量との差からNH3の重量を算出し充填量を確認した。 Next, the capsule was inserted into an autoclave equipped with a valve, the lid was closed, and the weight of the autoclave was measured. Next, the valve attached to the autoclave was opened and vacuum deaeration was performed. Thereafter, the autoclave 1 was cooled with a dry ice ethanol solvent while maintaining a vacuum state. Subsequently, NH 3 was filled in the autoclave without touching the outside air. Based on the flow rate control, NH 3 was charged as a liquid corresponding to about 59% of the effective volume of the autoclave (autoclave volume−filled volume) (converted to an NH 3 density of −33 ° C.), and then the valve was closed again. The temperature of the autoclave 1 was returned to room temperature, the outer surface was sufficiently dried, and the weight of the autoclave was measured. The weight of NH 3 was calculated from the difference from the weight before filling with NH 3 to confirm the filling amount.
続いてオートクレーブを上下に2分割されたヒーターで構成された電気炉内に収納した。オートクレーブ外表面の結晶成長領域の温度が625℃、原料溶解領域の温度が595℃(平均温度610℃)になるよう9時間かけて昇温し、設定温度に達した後、その温度にて4.7日間保持した。オートクレーブ内の圧力は250MPaであった。また保持中のオートクレーブ外面制御温度のバラツキは±0.3℃以下であった。 Subsequently, the autoclave was accommodated in an electric furnace composed of a heater divided into two parts in the vertical direction. The temperature was raised over 9 hours so that the temperature of the crystal growth region on the outer surface of the autoclave was 625 ° C. and the temperature of the raw material dissolution region was 595 ° C. (average temperature 610 ° C.). Hold for 7 days. The pressure in the autoclave was 250 MPa. Further, the variation in the control temperature of the outer surface of the autoclave during holding was ± 0.3 ° C. or less.
その後、オートクレーブの外面の温度が室温に戻るまで自然冷却し、オートクレーブに付属したバルブを開放し、オートクレーブ内のNH3を取り除いた。その後オートクレーブを計量しNH3の排出を確認した後、オートクレーブの蓋を開け、カプセルを取り出した。カプセル上部に付属したチューブに穴を開けカプセル内部からNH3を取り除いた。カプセル内部を確認したところ、C面、M面いずれの種結晶上にも全面に窒化ガリウム結晶が析出していた。成長速度はそれぞれの面方位により異なり、Ga面:100μm/day、N面:140μm/day、M面:150μm/day、A面:330μm/dayであった。
N面成長した結晶は、クレパス状の欠陥が目視で確認できた。また、M面について光学顕微鏡で確認したところ、多くのクラックが入っていることを確認した。
低温PLでM面成長部を観察すると、単一のブロードな(半値幅の広い)ピークが観察され、不純物濃度が高いことが分かった。
Thereafter, the temperature of the outer surface of the autoclave was naturally cooled to return to room temperature, to open the valve comes to the autoclave to remove NH 3 in the autoclave. Thereafter, the autoclave was weighed to confirm the discharge of NH 3 , and then the lid of the autoclave was opened and the capsule was taken out. A hole was made in the tube attached to the upper part of the capsule to remove NH 3 from the inside of the capsule. When the inside of the capsule was confirmed, gallium nitride crystals were deposited on the entire surface of the seed crystal on either the C-plane or the M-plane. The growth rates differed depending on the plane orientations, and were Ga plane: 100 μm / day, N plane: 140 μm / day, M plane: 150 μm / day, and A plane: 330 μm / day.
In the crystal grown on the N-plane, crepes-like defects could be visually confirmed. Moreover, when it checked with the optical microscope about the M surface, it confirmed that many cracks were contained.
When the M-plane growth part was observed at low temperature PL, a single broad peak (wide half width) was observed, and it was found that the impurity concentration was high.
<比較例2>
実施例1に対し、上部温度、下部温度を、表1に記載される条件に変更し、圧力を約2倍とし、さらに鉱化剤としてフッ素とヨウ素を混合して用いた。
成長に用いた装置と手順は、比較例1と同一であるが、ヨウ素投入量がフッ素よりも多く、GaNの溶解と輸送が高温域から低温域に向けて起こる為、種結晶を低温域、原料結晶を高温域に設置した。
低温PLでM面成長部を測定すると、単一のブロードな(半値幅の広い)ピークが観察され、不純物濃度が高いことが分かる。
<Comparative example 2>
Compared to Example 1, the upper temperature and lower temperature were changed to the conditions described in Table 1, the pressure was about doubled, and fluorine and iodine were mixed and used as a mineralizer.
The apparatus and procedure used for the growth are the same as in Comparative Example 1, but the iodine input is larger than that of fluorine, and the dissolution and transport of GaN occurs from the high temperature region to the low temperature region. The raw crystal was placed in a high temperature range.
When the M-plane growth part is measured at low temperature PL, a single broad (wide half-value width) peak is observed, and it can be seen that the impurity concentration is high.
<比較例3>
実施例1に対し、上部温度、下部温度及び圧力を、表1に記載される条件に変更し、鉱化剤としてフッ素とヨウ素を混合して用いた。
成長に用いた装置と手順は、実施例1と同一である。フッ素投入量がヨウ素よりも多く、GaNの溶解と輸送が低温域から高温域に向けて起こる為、実施例1と同じく、種結晶を高温域、原料結晶を低温域に設置した。
低温PLでM面成長部を測定すると、単一のブロードな(半値幅の広い)ピークが観察され、不純物濃度が高いことが分かる。
<Comparative Example 3>
For Example 1, the upper temperature, lower temperature and pressure were changed to the conditions described in Table 1, and fluorine and iodine were mixed and used as the mineralizer.
The apparatus and procedure used for growth are the same as those in Example 1. Since the amount of fluorine input was larger than that of iodine and dissolution and transport of GaN occurred from the low temperature region to the high temperature region, the seed crystal was installed in the high temperature region and the raw material crystal was installed in the low temperature region as in Example 1.
When the M-plane growth part is measured at low temperature PL, a single broad (wide half-value width) peak is observed, and it can be seen that the impurity concentration is high.
<比較例4>
種結晶として実施例1と同様のものを用いて、HVPE法により結晶成長を行った。実施例1〜3及び比較例1〜3と同じ<10−10>方向へ成長させた際の低温PLの測定値を示す。比較例1〜3と同様の、ブロードなピークとなっており、不純物が過剰に導入されていることが分かる。
一般に、GaNの結晶成長では面方位依存性が大きく、Ga面<0001>方向への成長では、Oが取り込まれにくいが、M面<10−10>方向への成長ではOが取り込まれやすいことが指摘されている。
M面成長において、酸素濃度の低い結晶を得るためには、成長雰囲気中の酸素濃度を下げる必要があり、アモノサーマル法でフッ素及びゲッタリング剤を使用して、低圧で成長する事が、純度の高い結晶を得る上で有効な手法であることが分かる。
<Comparative Example 4>
Using the same seed crystal as in Example 1, crystal growth was performed by the HVPE method. The measured value of low temperature PL at the time of making it grow in the same <10-10> direction as Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3 is shown. It is a broad peak similar to Comparative Examples 1 to 3, and it can be seen that excessive impurities are introduced.
In general, crystal orientation of GaN is highly dependent on the plane orientation, and O is less likely to be taken in when grown in the Ga plane <0001> direction, but O is likely to be taken in when grown in the M plane <10-10> direction. Has been pointed out.
In order to obtain a crystal having a low oxygen concentration in the M-plane growth, it is necessary to lower the oxygen concentration in the growth atmosphere, and it is possible to grow at a low pressure using fluorine and a gettering agent by the ammonothermal method. It can be seen that this is an effective technique for obtaining high-purity crystals.
<比較例5>
比較例1に対し、表1に記載されるとおり、鉱化剤濃度を下げ、上部温度、下部温度、圧力を変更して成長を行った。低温PLでM面成長部を観察すると、単一のブロードな(半値幅の広い)ピークが観察され、不純物濃度が高いことが分かった。
<Comparative Example 5>
As compared with Comparative Example 1, as shown in Table 1, the mineralizer concentration was lowered, and the growth was performed by changing the upper temperature, the lower temperature, and the pressure. When the M-plane growth part was observed at low temperature PL, a single broad peak (wide half width) was observed, and it was found that the impurity concentration was high.
<比較例6>
比較例1に対し、表1に記載されるとおり、鉱化剤濃度を下げ、上部温度、下部温度、圧力を変更して成長を行った。低温PLでM面成長部を観察すると、単一のブロードな(半値幅の広い)ピークが観察され、不純物濃度が高いことが分かった。
また、圧力を64MPaとした以外は比較例6と同様にして成長を行って得られた結晶について、SIMS分析により結晶中の酸素濃度およびケイ素濃度を測定した。その結果、酸素濃度は2.5×1020atms/cm3であり、ケイ素濃度は4×1020atms/cm3となり、結晶の外観はやや濃い着色があった。この結晶も比較例6と同様に単一のブロードな(半値幅の広い)ピークが観察される。
<Comparative Example 6>
As compared with Comparative Example 1, as shown in Table 1, the mineralizer concentration was lowered, and the growth was performed by changing the upper temperature, the lower temperature, and the pressure. When the M-plane growth part was observed at low temperature PL, a single broad peak (wide half width) was observed, and it was found that the impurity concentration was high.
In addition, the crystal obtained by performing growth in the same manner as in Comparative Example 6 except that the pressure was changed to 64 MPa, the oxygen concentration and silicon concentration in the crystal were measured by SIMS analysis. As a result, the oxygen concentration was 2.5 × 10 20 atms / cm 3 , the silicon concentration was 4 × 10 20 atms / cm 3 , and the appearance of the crystal was slightly deeply colored. A single broad peak (wide half-value width) is observed in this crystal as in Comparative Example 6.
(低温エレクトロルミネッセンス(PL)法による発光スペクトルの観測)
低温PL測定は、光源にHe−Cdレーザー(波長325nm)をビーム強度38 W/cm2で試料に照射して、浜松ホトニクス社製分光器(型番:C5094)および浜松ホトニクス社製検出器(型番:BT−CCD PMA−50)で、温度10Kでの発光スペクトルを測定することにより行った。
一般に、GaNを10Kの低温でPL測定した場合、3.472eV付近のピークをI2,A(Donor Bound Exciton)と呼び、3.476eVのサブピークをI2,Bと呼ぶ。これとは別に、3.435〜3.460eVに存在するピークをTwo Electron Satellitesと呼ぶ。これらDBEとTESを含めた、3.430〜3.480eVの全体をNear Band Edgeの発光と称する。
本明細書では、DBEが観察されるものについてはDBE、ピークがブロードになってTESが観察されないものに関しては、NBEと表記する事にする。
3.435〜3.460eVの範囲に存在する発光ピークを第1発光ピーク(TES)、3.465〜3.480eVの範囲に存在する発光ピークを第2発光ピーク(DBEもしくはNBE)、として、それぞれの発光ピークの有無を下記通り判定した。
○:発光ピークあり
×:発光ピークなし
(Observation of emission spectrum by low temperature electroluminescence (PL) method)
For low-temperature PL measurement, a He-Cd laser (wavelength: 325 nm) is used as a light source to irradiate the sample with a beam intensity of 38 W / cm 2 , and a spectroscope manufactured by Hamamatsu Photonics (model number: C5094) and a detector manufactured by Hamamatsu Photonics (model number) : BT-CCD PMA-50) by measuring the emission spectrum at a temperature of 10K.
In general, when PL measurement is performed on GaN at a low temperature of 10K, a peak near 3.472 eV is called I 2, A (Donor Bound Exciton), and a sub-peak at 3.476 eV is called I 2, B. Separately from this, the peak existing at 3.435 to 3.460 eV is referred to as Two Electron Satellites. The total of 3.430 to 3.480 eV including these DBE and TES is referred to as Near Band Edge light emission.
In the present specification, DBE is observed when DBE is observed, and NBE is expressed when the peak is broad and TES is not observed.
The emission peak existing in the range of 3.435 to 3.460 eV as the first emission peak (TES), the emission peak existing in the range of 3.465 to 3.480 eV as the second emission peak (DBE or NBE), The presence or absence of each emission peak was determined as follows.
○: With emission peak ×: Without emission peak
実施例1のGaN結晶の発光スペクトルを図2に示す。実施例1のGaN結晶では、第1発光ピークおよび第2発光ピークが観察され、第1発光ピークとしては3.446eV付近および3.456eV付近に計2つの発光ピークが観察された。また、第2発光ピークの半値幅(FWHM)は6.0meVであった。
実施例2のGaN結晶の発光スペクトルを図3に示す。3.441eV付近、3.446eV付近、及び3.456eV付近に計3つの発光ピークが観察され、第2発光ピークの半値幅は6.3meVであった。
実施例3のGaN結晶の発光スペクトルを図4に示す。実施例1と同じく3.446eV付近および3.456eV付近に計2つの発光ピークが観察され、第2発光ピークの半値幅は7.1meVであった。
The emission spectrum of the GaN crystal of Example 1 is shown in FIG. In the GaN crystal of Example 1, the first emission peak and the second emission peak were observed, and as the first emission peak, a total of two emission peaks were observed near 3.446 eV and 3.456 eV. Further, the half width (FWHM) of the second emission peak was 6.0 meV.
The emission spectrum of the GaN crystal of Example 2 is shown in FIG. A total of three emission peaks were observed around 3.441 eV, around 3.446 eV, and around 3.456 eV, and the half-value width of the second emission peak was 6.3 meV.
The emission spectrum of the GaN crystal of Example 3 is shown in FIG. As in Example 1, a total of two emission peaks were observed around 3.446 eV and around 3.456 eV, and the half width of the second emission peak was 7.1 meV.
比較例1〜3のGaN結晶の発光スペクトルを図5〜7に示す。実施例1〜4と異なり、第1発光ピークは観察されず、第2発光ピークの半値幅はそれぞれ15.3、16.2、16.4meVであり、実施例1に比較して倍以上の値となった。
比較例4のGaN結晶の発光スペクトルを図8に示す。第1発光ピークは観察されず、第2発光ピークの半値幅(FWHM)はそれぞれ14.3meVであった。
比較例5のGaN結晶の発光スペクトルを図9に示す。第1発光ピークは観察されず、第2発光ピークの半値幅(FWHM)は28.0meVであった。
比較例6のGaN結晶の発光スペクトルを図10に示す。第1発光ピークは観察されず、第2発光ピークの半値幅(FWHM)は35.7meVであった。
The emission spectra of the GaN crystals of Comparative Examples 1 to 3 are shown in FIGS. Unlike Examples 1 to 4, the first emission peak was not observed, and the half-value widths of the second emission peak were 15.3, 16.2, and 16.4 meV, respectively, which is more than double that of Example 1. Value.
The emission spectrum of the GaN crystal of Comparative Example 4 is shown in FIG. The first emission peak was not observed, and the full width at half maximum (FWHM) of the second emission peak was 14.3 meV.
The emission spectrum of the GaN crystal of Comparative Example 5 is shown in FIG. The first emission peak was not observed, and the full width at half maximum (FWHM) of the second emission peak was 28.0 meV.
The emission spectrum of the GaN crystal of Comparative Example 6 is shown in FIG. The first emission peak was not observed, and the full width at half maximum (FWHM) of the second emission peak was 35.7 meV.
図2から、実施例1の窒化ガリウム結晶では、3.472eV付近に第2発光ピーク、3.446eV付近及び3.456eV付近に第1発光ピークを観測することができた。第2発光ピークの半値幅は6.0meVであった。なお、2つの第1発光ピークは不純物である酸素原子に由来するものである。また、表1に示すように、この窒化ガリウム結晶は、不純物濃度が低く、高い純度を有していた。
図3から、実施例2の窒化ガリウム結晶では、3.472eV付近に第2発光ピーク、3.441eV付近、3.446eV付近及び3.456eV付近の3か所に第1発光ピークを観測することができた。第2発光ピークの半値幅は6.3meVであった。また、表1に示すように、この窒化ガリウム結晶は、実施例1の窒化ガリウム結晶と同等の純度を有していた。
図4から、実施例3の窒化ガリウム結晶では、実施例1と同様に、3.472eV付近に第2発光ピーク、3.446eV付近及び3.456eV付近の2か所に第1発光ピークを確認することができた。第2発光ピークの半値幅は7.1meVであった。また、表1に示すように、この窒化ガリウム結晶は、不純物濃度が低く、高い純度を有していた。
図5〜10にあるように、比較例1〜6の窒化ガリウム結晶では、分離した第1発光ピーク及び第2発光ピークは観測されず、ブロードな単一ピークのみが観測された。この単一ピークの半値幅は、いずれも14meV以上であり、実施例1の第2発光ピークに比較して倍以上の値であった。また、比較例6に準ずる方法により得られた窒化ガリウム結晶は、不純物濃度が高く、純度が低いものであった。
From FIG. 2, in the gallium nitride crystal of Example 1, the second emission peak was observed near 3.472 eV, and the first emission peak was observed near 3.446 eV and 3.456 eV. The half width of the second emission peak was 6.0 meV. Note that the two first emission peaks are derived from oxygen atoms as impurities. Further, as shown in Table 1, the gallium nitride crystal had a low impurity concentration and a high purity.
From FIG. 3, in the gallium nitride crystal of Example 2, the first emission peak is observed at three locations near 3.472 eV, around 3.441 eV, around 3.446 eV, and around 3.456 eV. I was able to. The half width of the second emission peak was 6.3 meV. Further, as shown in Table 1, this gallium nitride crystal had the same purity as the gallium nitride crystal of Example 1.
From FIG. 4, in the gallium nitride crystal of Example 3, as in Example 1, the second emission peak was confirmed near 3.472 eV, and the first emission peak was confirmed at two locations near 3.446 eV and 3.456 eV. We were able to. The half width of the second emission peak was 7.1 meV. Further, as shown in Table 1, the gallium nitride crystal had a low impurity concentration and a high purity.
As shown in FIGS. 5 to 10, in the gallium nitride crystals of Comparative Examples 1 to 6, the separated first emission peak and second emission peak were not observed, but only a broad single peak was observed. The full width at half maximum of this single peak was 14 meV or more, which was more than double the value of the second emission peak of Example 1. The gallium nitride crystal obtained by the method according to Comparative Example 6 had a high impurity concentration and a low purity.
なお、比較例4は、参考例と同じHPVE法を用いているが、ブロードな単一ピークしか観測することができなかった。これは、窒化ガリウムの結晶成長では面方位依存性が大きく、参考例1で行ったGa面(0001)方向への成長では酸素が取り込まれにくいが、比較例4で行ったM面(10−10)方向への成長では酸素が取り込まれやすいからであると考えられる。 In Comparative Example 4, the same HPVE method as in the Reference Example was used, but only a broad single peak could be observed. This is because the crystal growth of gallium nitride is highly dependent on the plane orientation, and oxygen is not easily taken in by the growth in the Ga plane (0001) direction performed in Reference Example 1, but the M plane (10− This is probably because oxygen is easily taken in in the growth in the 10) direction.
以上の結果から、発光スペクトルの3.430eV〜3.480eVの範囲に少なくとも2つの発光ピークを有する周期表第13族金属窒化物結晶は、ブロードな単一ピークしか観測されない周期表第13族金属窒化物結晶に比べて高い純度を有しており、かつ空孔や転位等の欠陥の少ない高品質な結晶であることが分かった。また、この発光ピークの形状は、鉱化剤の種類、ゲッタリング剤の有無、オートクレーブ内の圧力に依存し、鉱化剤としてフッ素を含有する化合物を単独で用い、ゲッタリング剤としてアルミニウムを添加し、さらにオートクレーブ内の圧力を比較的低圧にすることにより、第2発光ピークがシャープな形状になり、極めて純度の高い窒化ガリウム結晶が得られることがわかった。 From the above results, the periodic table group 13 metal nitride crystal having at least two emission peaks in the range of 3.430 eV to 3.480 eV in the emission spectrum is a periodic table group 13 metal in which only a single broad peak is observed. It was found to be a high quality crystal having a higher purity than a nitride crystal and having few defects such as vacancies and dislocations. The shape of the emission peak depends on the type of mineralizer, the presence or absence of a gettering agent, and the pressure in the autoclave. A compound containing fluorine is used alone as the mineralizer, and aluminum is added as the gettering agent. Further, it has been found that by making the pressure in the autoclave relatively low, the second emission peak has a sharp shape and an extremely high purity gallium nitride crystal can be obtained.
本発明の周期表第13族金属窒化物結晶は純度が極めて高いため、周期表第13族金属窒化物結晶を成長させる成長基板や半導体デバイスの材料として利用することができ、産業上の利用可能性が高い。 Since the periodic table group 13 metal nitride crystal of the present invention has a very high purity, it can be used as a material for growth substrates and semiconductor devices on which the periodic table group 13 metal nitride crystal is grown. High nature.
1 オートクレーブ(耐圧性容器)
2 結晶成長領域
3 原料溶解領域
4 原料
5 バッフル板
6 下地基板(種結晶)
1 Autoclave (pressure-resistant container)
2 Crystal growth region 3 Raw material dissolution region 4 Raw material 5 Baffle plate 6 Underlying substrate (seed crystal)
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