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JP2018177587A - Method and apparatus for producing group III nitride crystal - Google Patents

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JP2018177587A
JP2018177587A JP2017079191A JP2017079191A JP2018177587A JP 2018177587 A JP2018177587 A JP 2018177587A JP 2017079191 A JP2017079191 A JP 2017079191A JP 2017079191 A JP2017079191 A JP 2017079191A JP 2018177587 A JP2018177587 A JP 2018177587A
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group iii
mixed melt
iii nitride
seed substrate
nitride crystal
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JP2017079191A
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Japanese (ja)
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森 勇介
Yusuke Mori
勇介 森
完 今出
Kan Imaide
完 今出
岡本 貴敏
Takatoshi Okamoto
貴敏 岡本
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Panasonic Corp
University of Osaka NUC
Original Assignee
Panasonic Corp
Osaka University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a group III nitride crystal, capable of manufacturing a high quality group III nitride crystal having less impurities in the crystal and a small dislocation density.SOLUTION: The method for manufacturing a group III nitride crystal comprises the steps of: preparing a mixed melt including alkali metal and a group III element in a reaction vessel; supplying gas including a nitrogen element into the reaction vessel; preparing a seed substrate separated from the surface of the mixed melt; heating the mixed melt to change a part thereof into vapor; and coating the seed substrate with a liquid film obtained by condensing the vapor of the mixed melt to grow a group III nitride crystal on the seed substrate.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、III族窒化物結晶の製造方法及び製造装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for producing a group III nitride crystal.

近年、GaN結晶やInGaAlN系結晶等のIII族窒化物結晶は、青色LED、白色LEDや、Blu−ray(登録商標)の読取、書込みの光源として用いられる青紫LDなどの発光デバイスに用いられる材料として、その開発が盛んに行われている。高輝度かつ高い信頼性を有した上記の発光デバイスを実現するために、デバイスの下地基板となるIII族の窒化物結晶には、Fe、Zn、Mg、Al等の金属元素、OやC等の軽元素等のいずれの不純物も少なく、且つ、結晶中の転位密度が10cm−2以下の結晶品質が求められている。 In recent years, Group III nitride crystals such as GaN crystals and InGaAlN-based crystals are materials used for blue LEDs, white LEDs, and light emitting devices such as blue-violet LDs used as a light source for reading and writing Blu-ray (registered trademark). As, its development is actively done. In order to realize the above-described light emitting device having high brightness and high reliability, metal elements such as Fe, Zn, Mg, Al, O, C, etc. can be used as a group III nitride crystal to be a base substrate of the device. There is also a need for a crystal quality that is low in any impurities such as light elements of the above, and has a dislocation density of 10 4 cm −2 or less in the crystal.

現在、これらの半導体デバイスに用いられているIII族窒化物結晶は、その多くが、サファイアあるいはSiCを種基板として、MO−CVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法(分子線結晶成長法)等の気相法により製造されている。気相法の一部として、HVPE法(ハロゲン化気相エピタキシー法)ではサファイア基板、あるいはGaAs基板上にGaNを結晶成長させた後、基板からGaN結晶を分離することにより、GaN結晶が得られている。   At present, most of the group III nitride crystals used in these semiconductor devices are MO-CVD (metal organic chemical vapor deposition) or MBE (molecular beam crystal) using sapphire or SiC as a seed substrate. It is manufactured by vapor phase methods such as growth method). As part of the gas phase method, in the HVPE method (halogenated vapor phase epitaxy method), GaN crystal is grown on a sapphire substrate or a GaAs substrate and then a GaN crystal is obtained by separating the GaN crystal from the substrate. ing.

一方、液相法によるGaN結晶の製造方法として、アルカリ金属のナトリウム(Na)とIII族元素のガリウム(Ga)の混合融液中に窒素(N)を溶解してGaN結晶を成長させるフラックス法がある。 On the other hand, as a method for producing a GaN crystal by a liquid phase method, a flux which dissolves nitrogen (N 2 ) in a mixed melt of sodium (Na) of alkali metal and gallium (Ga) of group III element to grow GaN crystal. There is a law.

フラックス法は、他の液相成長と比較して、低温低圧下で結晶成長させることが可能であり、得られた結晶も低転位密度であるなどの利点を有している。   The flux method has advantages such as crystal growth under low temperature and pressure as compared with other liquid phase growth, and the obtained crystal also has a low dislocation density.

しかし、アルカリ金属の混合融液は、種基板上に窒化物の結晶成長をさせる効果を有する反面、その高い反応性から、種基板や、混合融液を収納する反応容器や、容器内部で使用する部材等をエッチングする作用がある。つまり、フラックス法は、混合融液に種基板や反応容器材質由来の不純物が溶け込むと、その融液から成長した窒化物結晶も種基板や反応容器材質由来の不純物を結晶中に取り込む課題を有している。   However, while the mixed melt of the alkali metal has the effect of causing the crystal growth of nitride on the seed substrate, it is used from the high reactivity of the seed substrate, the reaction container containing the mixed melt, and the inside of the container. Has an effect of etching the member to be That is, the flux method has a problem that when impurities derived from the seed substrate or the reaction container material are dissolved in the mixed melt, nitride crystals grown from the melt also incorporate impurities derived from the seed substrate or the reaction container material into the crystal. doing.

したがって、フラックス法には、特許文献1〜特許文献3のように、反応容器の材質や処理方法に関する発明が開示されている。   Therefore, the invention related to the material of the reaction container and the processing method is disclosed in the flux method as in Patent Documents 1 to 3.

また、フラックス法の反応容器を制限せずに、安定した窒化物結晶を得るために、特許文献4では、原料であるIII族窒化物を含む混合融液を、混合融液に対して濡れ性の良いアルミナ部材を伝って種基板に薄い液膜を被膜することで、III族窒化物結晶を成長させる方法が開示されている。   Further, in order to obtain a stable nitride crystal without limiting the reaction container of the flux method, in Patent Document 4, the mixed melt containing Group III nitride as the raw material is wettable to the mixed melt A method of growing a group III nitride crystal is disclosed by coating a thin liquid film on a seed substrate along a good alumina member.

特許第4398762号Patent No. 4398762 特許第5046490号Patent No. 5046490 特許第5496071号Patent No. 5496071 特許第5375690号Patent No. 5375690

しかしながら、特許文献4に記載のフラックス法では、アルミナ部材の濡れ性を介して、種基板上に融液が薄い被膜として存在している。種基板上の被膜は、他の融液と置換されにくく、種基板上に留まった被膜は、結晶成長に寄与するだけでなく、種基板の表面、および側面をエッチングする副作用を有する。したがって、得られるGaN結晶中には、反応容器や部材および種基板の構成元素に由来する不純物が混入してしまう。例えば、種基板にScAlMgOを使用した場合は、マグネシウム(Mg)が不純物として結晶に取り込まれる。種基板にサファイア(Al)や部材にアルミナ(Al)を使用した場合は、アルミニウム(Al)、酸素(O)等の不純物が結晶中に取り込まれる。これらの結晶では、上記不純物が光デバイスの製造において信頼性や、特性向上の阻害要因となりうる。 However, in the flux method described in Patent Document 4, the melt is present as a thin film on the seed substrate through the wettability of the alumina member. The film on the seed substrate is difficult to be replaced with another melt, and the film remaining on the seed substrate not only contributes to crystal growth, but also has the side effect of etching the surface and side of the seed substrate. Therefore, impurities derived from the constituent elements of the reaction vessel, the members and the seed substrate are mixed in the obtained GaN crystal. For example, when ScAlMgO 4 is used for the seed substrate, magnesium (Mg) is taken into the crystal as an impurity. When sapphire (Al 2 O 3 ) is used for the seed substrate and alumina (Al 2 O 3 ) is used for the member, impurities such as aluminum (Al) and oxygen (O) are taken into the crystal. In these crystals, the above-mentioned impurities can be an obstacle to the improvement of reliability and characteristics in the manufacture of optical devices.

本発明の目的は、フラックス法が有する問題に鑑みてなされたものであって、不純物が少なく、且つ、転移密度の少ないIII族窒化物結晶を従来よりも簡易に製造するIII族窒化物結晶の製造方法を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is made in view of the problems of the flux method, and is a group III nitride crystal which produces a group III nitride crystal with few impurities and a small transition density more easily than before. It is to provide a manufacturing method.

上述した、目的を達成するために、本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、反応容器内に、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液を準備する工程と、
前記反応容器内に窒素元素を含む気体を供給する工程と、
前記混合融液の液面から離間させて種基板を設置する工程と、
前記混合融液を加熱しその一部を蒸気にする工程と、
前記種基板を前記混合融液の蒸気が凝縮した液膜で被覆して、前記種基板にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、
を含む。
In order to achieve the above-described object, the method for producing a group III nitride crystal according to the present invention comprises the steps of: preparing a mixed melt containing an alkali metal and a group III element in a reaction vessel;
Supplying a gas containing nitrogen element into the reaction vessel;
Placing a seed substrate spaced from the surface of the mixed melt;
Heating the mixed melt to partially vaporize it;
Covering the seed substrate with a liquid film in which the vapor of the mixed melt is condensed to grow a group III nitride crystal on the seed substrate;
including.

本発明に係るIII族窒化物結晶製造装置は、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液と、前記混合融液の液面から離間して配置された種基板と、を格納する反応容器と、
前記反応容器内に窒素元素を含む気体を供給するガス供給管と、
前記混合融液を加熱し、その一部を蒸気にする加熱部と、
を備える。
The group III nitride crystal production apparatus according to the present invention comprises a reaction vessel for storing a mixed melt containing an alkali metal and a group III element, and a seed substrate disposed apart from the liquid surface of the mixed melt. When,
A gas supply pipe for supplying a gas containing nitrogen element into the reaction vessel;
A heating unit which heats the mixed melt and makes a part of it into a vapor;
Equipped with

本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法及び製造装置によれば、混合融液から発生した蒸気と種基板の温度差による凝縮現象から発生する種基板上の液膜のIII族元素と、液膜に溶解された窒素との反応によってIII族窒化物結晶の結晶成長を行うことができる。また、液膜が種基板をエッチングする前に入れ替わる効果を利用することによって、不純物が少なく、かつ転位欠陥の少ないIII族窒化物結晶を製造できるという効果がある。   According to the method and apparatus for producing a group III nitride crystal according to the present invention, a group III element of a liquid film on a seed substrate generated from a condensation phenomenon due to a temperature difference between a vapor generated from a mixed melt and the seed substrate Crystal growth of a group III nitride crystal can be performed by reaction with nitrogen dissolved in a liquid film. Further, by utilizing the effect that the liquid film is replaced before etching the seed substrate, there is an effect that it is possible to manufacture a group III nitride crystal with few impurities and few dislocation defects.

本発明の実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the group III nitride crystal production apparatus based on Embodiment 1 of this invention. 図1のIII族窒化物結晶製造装置において、反応容器、混合融液、種基板の配置例を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing an arrangement example of a reaction vessel, a mixed melt, and a seed substrate in the group-III nitride crystal production apparatus of FIG. 1. 実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置で結晶成長が行われる様子を段階的に示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the manner in which crystal growth is performed in the group III nitride crystal production apparatus according to Embodiment 1 in a stepwise manner. 実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置で結晶成長が行われる様子を段階的に示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the manner in which crystal growth is performed in the group III nitride crystal production apparatus according to Embodiment 1 in a stepwise manner. 実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置で結晶成長が行われる様子を段階的に示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the manner in which crystal growth is performed in the group III nitride crystal production apparatus according to Embodiment 1 in a stepwise manner. 実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置で結晶成長が行われる様子を段階的に示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the manner in which crystal growth is performed in the group III nitride crystal production apparatus according to Embodiment 1 in a stepwise manner. 実施例1の形態で、種基板と混合融液とを接触させる配置例を示す概略断面図である。In the form of Example 1, it is a schematic sectional drawing which shows the example of arrangement | positioning which makes a seed board | substrate and mixed melt solution contact.

第1の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、反応容器内に、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液を準備する工程と、
前記反応容器内に、窒素元素を含む気体を供給する工程と、
前記混合融液の液面から離間させて種基板を準備する工程と、
前記混合融液を加熱し、その一部を蒸気にする工程と、
前記種基板を前記混合融液の蒸気が凝縮した液膜で被覆して、前記種基板にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、
を含む。
The method for producing a group III nitride crystal according to the first aspect comprises the steps of: preparing a mixed melt containing an alkali metal and a group III element in a reaction vessel;
Supplying a gas containing nitrogen element into the reaction vessel;
Preparing a seed substrate by separating from the liquid surface of the mixed melt;
Heating the mixed melt to make part of it into a vapor;
Covering the seed substrate with a liquid film in which the vapor of the mixed melt is condensed to grow a group III nitride crystal on the seed substrate;
including.

第2の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1の態様において、前記混合融液の液面から離間させて前記種基板を準備する工程では、前記反応容器の底面を水平面に対して傾斜させ、前記混合融液は、前記反応容器の底面の一部を覆うようにし、前記種基板は、前記反応容器の底面において、前記混合融液の液面から離間して配置してもよい。   In the method for producing a group III nitride crystal according to the second aspect, in the step of preparing the seed substrate by separating from the liquid surface of the mixed melt in the first aspect, the bottom surface of the reaction vessel is a horizontal surface The mixed melt covers a portion of the bottom surface of the reaction vessel, and the seed substrate is disposed on the bottom surface of the reaction vessel at a distance from the liquid surface of the mixed melt May be

第3の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1又は第2の態様において、前記種基板は、サファイア基板であってもよい。   In the method for producing a group III nitride crystal according to the third aspect, in the first or second aspect, the seed substrate may be a sapphire substrate.

第4の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1又は第2の態様において、前記種基板は、ScAlMgO基板であってもよい。 In the method for producing a group III nitride crystal according to a fourth aspect, in the first or second aspect, the seed substrate may be a ScAlMgO 4 substrate.

第5の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1又は第2の態様において、前記種基板は、GaN基板であってもよい。   In the method for producing a group III nitride crystal according to the fifth aspect, in the first or second aspect, the seed substrate may be a GaN substrate.

第6の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第5のいずれかの態様において、前記アルカリ金属は、Naであってもよい。   In the method for producing a group III nitride crystal according to a sixth aspect, in any of the first to fifth aspects, the alkali metal may be Na.

第7の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第6のいずれかの態様において、前記III族元素は、ガリウムであってもよい。   In the method of producing a group III nitride crystal according to a seventh aspect, in any of the above first to sixth aspects, the group III element may be gallium.

第8の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第7のいずれかの態様において、前記窒素元素を含む気体は、窒素であってもよい。   In the method for producing a group III nitride crystal according to an eighth aspect, in any of the above first to seventh aspects, the gas containing the nitrogen element may be nitrogen.

第9の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第8のいずれかの態様において、前記混合融液に対する前記種基板の濡れ性は、前記混合融液に対する前記反応容器の濡れ性よりも高くてもよい。   In the method for producing a group III nitride crystal according to a ninth aspect, in any of the first to eighth aspects, the wettability of the seed substrate to the mixed melt is determined by the reaction vessel to the mixed melt. It may be higher than the wettability of

第10の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第9のいずれかの態様において、前記III族窒化物結晶を成長させる工程において、前記液膜が前記種基板をエッチングする前に混合融液に流してもよい。   In the method of producing a group III nitride crystal according to a tenth aspect, in the step of growing the group III nitride crystal according to any one of the first to ninth aspects, the liquid film etches the seed substrate It may be flowed into the mixed melt prior to

第11の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第2の態様において、前記反応容器の底面の傾斜角度は、13°以上、30°以下であり、
前記混合融液と前記種基板とは10mm以上離間させてもよい。
In the method for producing a group III nitride crystal according to an eleventh aspect, in the second aspect, the inclination angle of the bottom surface of the reaction vessel is 13 ° or more and 30 ° or less,
The mixed melt and the seed substrate may be separated by 10 mm or more.

第12の態様に係るIII族窒化物結晶の製造方法は、上記第1から第11のいずれかの態様において、前記蒸気の温度より、10℃以上前記種基板の表面温度が低くてもよい。   In the method for producing a group III nitride crystal according to a twelfth aspect, in any one of the first to eleventh aspects, the surface temperature of the seed substrate may be lower by 10 ° C. or more than the temperature of the vapor.

第13の態様に係るIII族窒化物結晶製造装置は、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液と、前記混合融液の液面から離間して配置された種基板と、を格納する反応容器と、
前記反応容器内に窒素元素を含む気体を供給するガス供給管と、
前記混合融液を加熱し、その一部を蒸気にする加熱部と、
を備える。
A group III nitride crystal production apparatus according to a thirteenth aspect stores a mixed melt containing an alkali metal and a group III element, and a seed substrate disposed apart from the liquid surface of the mixed melt. A reaction vessel,
A gas supply pipe for supplying a gas containing nitrogen element into the reaction vessel;
A heating unit which heats the mixed melt and makes a part of it into a vapor;
Equipped with

第14の態様に係るIII族窒化物結晶製造装置は、上記第13の態様において、前記反応容器は、底面が水平面に対して傾斜して配置され、前記混合融液は、前記反応容器の底面の一部を覆い、前記種基板は、前記反応容器の底面において、前記混合融液の液面から離間して配置されていてもよい。   In the group-III nitride crystal production apparatus according to a fourteenth aspect, in the thirteenth aspect, the reaction container is disposed such that the bottom surface is inclined with respect to a horizontal surface, and the mixed melt is a bottom surface of the reaction container The seed substrate may be disposed on the bottom surface of the reaction vessel at a distance from the liquid surface of the mixed melt.

第15の態様に係るIII族窒化物結晶製造装置は、上記第13又は第14の態様において、前記反応容器を格納し、前記ガス供給管を有し、密閉可能な耐圧容器をさらに備えてもよい。   The group III nitride crystal production apparatus according to a fifteenth aspect is the group III nitride crystal production apparatus according to the thirteenth or fourteenth aspect, wherein the reaction container is accommodated, the gas supply pipe is provided, and the pressure resistant container which can be sealed is further provided. Good.

以下、実施の形態に係るIII族窒化物結晶の製造方法及びIII族窒化物結晶製造装置について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。   Hereinafter, the method for producing a group III nitride crystal and the apparatus for producing a group III nitride crystal according to the embodiment will be described with reference to the attached drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.

(実施の形態1)
<III族窒化物結晶製造装置の構成>
図1を参照して、本発明の実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法およびこれに使用されるIII族窒化物結晶製造装置10の構成例を説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置10の構成を示す概略断面図である。
実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置10は、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液28と種基板29とを格納する反応容器12と、反応容器12内に窒素元素を含む気体を供給する窒素ガス供給管15と、混合融液28を加熱し、その一部を蒸気にする加熱部と、を備える。反応容器12内において、種基板29は、混合融液28の液面から離間して配置されている。反応容器12は、底面33が水平面に対して傾斜して配置されている。これによって、混合融液28は、反応容器12の底面33の一部を覆い、種基板29は、反応容器12の底面33において、混合融液28の液面から離間して配置されている。また、反応容器12を格納し、窒素ガス供給管15を有し、密閉可能な耐圧容器11をさらに備えてもよい。
Embodiment 1
<Configuration of Group III Nitride Crystal Production Device>
With reference to FIG. 1, a method of manufacturing a group III nitride crystal according to the first embodiment of the present invention and a configuration example of a group III nitride crystal manufacturing apparatus 10 used therefor will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a group III nitride crystal production apparatus 10 according to Embodiment 1 of the present invention.
The group III nitride crystal production apparatus 10 according to the first embodiment includes a reaction vessel 12 storing a mixed melt 28 containing an alkali metal and a group III element and a seed substrate 29, and a nitrogen element in the reaction vessel 12. A nitrogen gas supply pipe 15 for supplying the contained gas, and a heating unit which heats the mixed melt 28 and makes a part of it a vapor. In the reaction vessel 12, the seed substrate 29 is disposed apart from the liquid surface of the mixed melt 28. The bottom surface 33 of the reaction vessel 12 is arranged to be inclined with respect to the horizontal plane. Thus, the mixed melt 28 covers a part of the bottom surface 33 of the reaction vessel 12, and the seed substrate 29 is disposed on the bottom surface 33 of the reaction vessel 12 so as to be separated from the liquid surface of the mixed melt 28. In addition, the reaction vessel 12 may be stored, a nitrogen gas supply pipe 15 may be provided, and the pressure resistant vessel 11 may be further provided.

このIII族窒化物結晶製造装置によれば、混合融液28から発生した蒸気30と種基板29との温度差による凝縮現象から発生する種基板29上の液膜のIII族元素と、液膜に溶解された窒素との反応によってIII族窒化物結晶の結晶成長を行うことができる。また、液膜31が種基板29をエッチングする前に入れ替わる効果を利用することによって、不純物が少なく、かつ転位欠陥の少ないIII族窒化物結晶を製造できる。   According to the group III nitride crystal manufacturing apparatus, the group III element of the liquid film on the seed substrate 29 and the liquid film generated from the condensation phenomenon due to the temperature difference between the vapor 30 generated from the mixed melt 28 and the seed substrate 29 Crystal growth of group III nitride crystals can be carried out by reaction with nitrogen dissolved therein. Further, by utilizing the effect that the liquid film 31 is replaced before etching the seed substrate 29, it is possible to manufacture a group III nitride crystal with few impurities and few dislocation defects.

以下に、III族窒化物結晶の製造方法およびIII族窒化物結晶製造装置10について説明する。   Hereinafter, a method for producing a group III nitride crystal and a group III nitride crystal production apparatus 10 will be described.

図1に示すIII族窒化物結晶製造装置10は、ステンレス製の閉じた形状の耐圧容器11を備えている。耐圧容器11内の反応容器設置台14には、反応容器12が設置される。なお、反応容器12は、反応容器設置台14に対して着脱可能となっている。   The group III nitride crystal production apparatus 10 shown in FIG. 1 is equipped with a closed pressure-resistant container 11 made of stainless steel. The reaction vessel 12 is installed on the reaction vessel installation base 14 in the pressure resistant vessel 11. The reaction container 12 is attachable to and detachable from the reaction container installation table 14.

<反応容器>
反応容器12は、アルカリ金属と少なくともIII族元素を含む物質とを有する混合融液28と、その混合融液28と接触しないように設置された種基板29と、を容器内部に保持して、結晶成長を行うための容器である。
<Reaction container>
The reaction vessel 12 holds a mixed melt 28 having an alkali metal and a substance containing at least a group III element, and a seed substrate 29 disposed so as not to contact the mixed melt 28 inside the vessel, It is a container for performing crystal growth.

反応容器12の材質は、混合融液28に対する種基板29との濡れ性より、混合融液28に対する反応容器12の濡れ性が低い材質であることが望ましい。本発明の実施の形態1においては、混合融液28に対する種基板29との濡れ性より低いことを満たせばよいため、反応容器12の材質は特に限定されることない。例えば、窒化ホウ素(BN)焼結体、P−BN等の窒化物、アルミナ(Al)、イットリア(Y)、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)等の酸化物、SiC等の炭化物を使用することができる。また、反応容器12の内壁表面を酸で洗浄する等の疎水化処理を施しても、実現することができる。 It is desirable that the material of the reaction vessel 12 be a material whose wettability of the reaction vessel 12 to the mixed melt 28 is lower than the wettability of the mixed melt 28 to the seed substrate 29. In Embodiment 1 of the present invention, the material of the reaction vessel 12 is not particularly limited because it is sufficient to satisfy that the wettability of the mixed melt 28 with the seed substrate 29 is lower. For example, boron nitride (BN) sintered body, nitride such as P-BN, alumina (Al 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), oxide such as yttrium aluminum garnet (YAG), SiC etc. Carbides can be used. The present invention can also be realized by subjecting the inner wall surface of the reaction vessel 12 to a hydrophobization treatment such as washing with an acid.

<混合融液>
混合融液28は、アルカリ金属と少なくともIII族元素を含む物質とを有する。混合融液28の原料であるアルカリ金属は、例えば、ナトリウム(Na)、あるいはナトリウム化合物(例えば、アジ化ナトリウム)が用いられる。その他に混合融液28の原料として、アルカリ金属には、リチウム(Li)や、カリウム(K)、当該アルカリ金属の化合物を用いてもよい。
<Mixed melt>
The mixed melt 28 contains an alkali metal and a substance containing at least a group III element. For example, sodium (Na) or a sodium compound (for example, sodium azide) is used as a source of the mixed melt 28. In addition, as a raw material of the mixed melt 28, lithium (Li), potassium (K), or a compound of the alkali metal may be used as the alkali metal.

また、混合融液28の原料であるIII族元素(長周期表では第13族元素)を含む物質としては、例えば、ガリウム(Ga)が用いられる。その他に混合融液28の原料であるIII族元素の物質は、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、III族塩素や、これらの混合物を用いることも可能である。   Moreover, as a material containing a Group III element (in the long period table, a Group 13 element) which is a raw material of the mixed melt 28, for example, gallium (Ga) is used. In addition, it is also possible to use boron (B), aluminum (Al), indium (In), group III chlorine, or a mixture thereof as the material of the group III element which is the raw material of the mixed melt 28.

混合融液28の原料として反応容器12内に投入されるアルカリ金属(例えばナトリウム(Na))およびIII族元素(例えば、ガリウム(Ga))の量比は、特に限定されるものではない。   There are no particular limitations on the quantitative ratio of the alkali metal (for example, sodium (Na)) and the Group III element (for example, gallium (Ga)) to be introduced into the reaction vessel 12 as a raw material of the mixed melt 28.

結晶成長に望ましい実施形態としては、アルカリ金属(例えばナトリウム)およびIII族元素(例えば、ガリウム)の総モル数に対するアルカリ金属のモル数の比率を0.6ないし0.8の範囲内とすることが望ましい。   In a desirable embodiment for crystal growth, the ratio of the number of moles of alkali metal to the total number of moles of alkali metal (for example, sodium) and the Group III element (for example, gallium) is in the range of 0.6 to 0.8. Is desirable.

<耐圧容器>
耐圧容器11には、その内部空間に、III族窒化物結晶の原料である窒素(N)ガスを供給する窒素ガス供給管15と、窒素ガスを一定量排気する窒素ガス排気管21と、内部空間を真空引きする真空引き管25と、が接続されている。
<Pressure resistant container>
The pressure container 11 includes a nitrogen gas supply pipe 15 for supplying nitrogen (N 2 ) gas, which is a raw material of group III nitride crystals, to the internal space thereof, and a nitrogen gas exhaust pipe 21 for exhausting a predetermined amount of nitrogen gas. An evacuation tube 25 for evacuating the internal space is connected.

窒素ガスは、窒素(N)ガスが充填された窒素ガスボンベ20と接続された窒素ガス供給管15から供給される。窒素ガス供給管15および圧力調節器16、バルブ19を使用し、反応容器12の圧力を結晶成長に必要な圧力(例えば4.0MPa)に設定する。なお結晶成長中は、窒素ガス供給管15に取り付けてあるマスフローコントローラ18によって一定流量(例えば1000sccm)の窒素を供給することが望ましい。結晶成長中の設定圧力を一定にするため、窒素ガス排気管21に設置した圧力調節器22が圧力計17の圧力を一定に維持するように圧力調整を行う。 Nitrogen gas is supplied from a nitrogen gas supply pipe 15 connected to a nitrogen gas cylinder 20 filled with nitrogen (N 2 ) gas. The pressure of the reaction vessel 12 is set to the pressure necessary for crystal growth (for example, 4.0 MPa) using the nitrogen gas supply pipe 15, the pressure regulator 16, and the valve 19. During crystal growth, it is desirable to supply nitrogen at a constant flow rate (for example, 1000 sccm) by a mass flow controller 18 attached to the nitrogen gas supply pipe 15. In order to make constant the set pressure during crystal growth, the pressure regulator 22 installed in the nitrogen gas exhaust pipe 21 performs pressure regulation so as to maintain the pressure of the pressure gauge 17 constant.

また、図1に示すように、耐圧容器11の外周にはヒータ13が設置されている。ヒータ13は、耐圧容器11および反応容器12を加熱して、混合融液28の温度を調整することができる。またヒータ13は数個の独立したヒータから構成されているため、上下方向に温度の分布をつけることも可能である。   Further, as shown in FIG. 1, a heater 13 is installed on the outer periphery of the pressure resistant container 11. The heater 13 can adjust the temperature of the mixed melt 28 by heating the pressure-resistant vessel 11 and the reaction vessel 12. Moreover, since the heater 13 is comprised from several independent heaters, it is also possible to attach temperature distribution to an up-down direction.

本実施の形態1のIII族窒化物結晶の製造方法における混合融液28の結晶成長温度は700℃以上が望ましい。   The crystal growth temperature of the mixed melt 28 in the method for producing a group III nitride crystal according to the first embodiment is preferably 700 ° C. or more.

更に好適には、結晶成長温度を870℃とし、当該温度における耐圧容器内11の窒素圧力を3.2MPaとすることがより好ましい。   More preferably, the crystal growth temperature is 870 ° C., and the nitrogen pressure in the pressure container 11 at the temperature is more preferably 3.2 MPa.

混合融液28の蒸気が、反応容器12内に満たされるかどうかは、耐圧容器11内の圧力および混合融液28の温度、量および反応容器の体積、の少なくとも一つの設定によって変化する。そこで好適には、上述した結晶成長条件において、反応容器12内に混合融液28の蒸気が満たされるように混合融液28の投入量と、反応容器12の内径、高さで体積を設定する。結晶成長に必要な設定は、上記設定の組み合わせに依存するため、本実施の形態において、耐圧容器11内の圧力および混合融液28の温度は特に限定されるものではない。   Whether or not the vapor of the mixed melt 28 is filled in the reaction vessel 12 varies depending on the pressure in the pressure-resistant vessel 11 and the temperature, amount of the mixed melt 28, and the volume of the reaction vessel. Therefore, preferably, the volume is set by the input amount of the mixed melt 28 and the inner diameter and height of the reaction vessel 12 so that the vapor of the mixed melt 28 is filled in the reaction vessel 12 under the crystal growth conditions described above. . Since the setting required for crystal growth depends on the combination of the above settings, the pressure in the pressure resistant container 11 and the temperature of the mixed melt 28 are not particularly limited in the present embodiment.

<種基板及び混合融液の設置方法>
次に、III族窒化物結晶製造装置10において、III族窒化物結晶の結晶成長に必要な種基板29および混合融液28を設置する方法について説明する。
<Installation method of seed substrate and mixed melt>
Next, a method of installing the seed substrate 29 and the mixed melt 28 necessary for crystal growth of the group III nitride crystal in the group III nitride crystal production apparatus 10 will be described.

反応容器12に原料を投入する作業は、反応容器12を、例えばアルゴンガスのような不活性ガス雰囲気としたグローブボックス内に収容して作業を行う。   The operation of charging the raw material into the reaction vessel 12 is carried out by housing the reaction vessel 12 in a glove box having an inert gas atmosphere such as argon gas, for example.

反応容器12の底面33を傾斜させて配置し、反応容器12の底面33の下部側には、混合融液28の原料であるアルカリ金属とIII族元素とが投入される。   The bottom surface 33 of the reaction vessel 12 is inclined and disposed, and to the lower side of the bottom surface 33 of the reaction vessel 12, the alkali metal and the Group III element, which are the raw materials of the mixed melt 28, are charged.

種基板29は、傾斜させた反応容器12の底面33の上部側に配置する。ここで種基板29を結晶成長中に動かないようにするため、反応容器12の底面は、種基板29の外径から少し大きめにザグリ加工をしている等の加工をされていることが望ましい。これによって、種基板29を反応容器12の底面33に固定でき、さらに種基板29の表面と反応容器12の底面33とをほぼ面一にできる。   The seed substrate 29 is disposed on the upper side of the bottom surface 33 of the inclined reaction vessel 12. Here, in order to prevent movement of the seed substrate 29 during crystal growth, it is desirable that the bottom surface of the reaction vessel 12 be processed such as counterbore slightly larger from the outer diameter of the seed substrate 29. . As a result, the seed substrate 29 can be fixed to the bottom surface 33 of the reaction container 12, and the surface of the seed substrate 29 and the bottom surface 33 of the reaction container 12 can be made substantially flush.

結晶成長中に混合融液28と種基板29とが接触せず、液膜31が種基板29をエッチングする前に、混合融液28に流れるように、反応容器12の底面33を水平面に対して傾斜させる角度θを設定する。   The bottom surface 33 of the reaction vessel 12 is horizontal to the horizontal surface so that the mixed melt 28 does not contact the seed substrate 29 during crystal growth, and the liquid film 31 flows to the mixed melt 28 before etching the seed substrate 29. Is set to be inclined.

種基板29上の液膜31が、種基板29をエッチングする前に、混合融液28に流れ落ちるかどうかは、反応容器12の底面33を水平面に対して傾斜させる角度θと、種基板29と混合融液から発生する蒸気30の温度差と、によって決定される。例えば、混合融液の蒸気の温度を870℃、種基板29の表面温度を800℃と設定した際には、耐圧容器11内で反応容器12の底面33を水平面に対して13°以上、30°以下の角度θで傾斜させることが望ましい。   Whether the liquid film 31 on the seed substrate 29 flows down to the mixed melt 28 before etching the seed substrate 29 depends on the angle θ at which the bottom surface 33 of the reaction vessel 12 is inclined to the horizontal surface, and the seed substrate 29 It is determined by the temperature difference of the vapor 30 generated from the mixed melt. For example, when the temperature of the vapor of the mixed melt is set to 870 ° C. and the surface temperature of the seed substrate 29 is set to 800 ° C., the bottom 33 of the reaction vessel 12 in the pressure container 11 is at least 13 ° to 30 ° with respect to the horizontal plane. It is desirable to incline at an angle θ less than or equal to °.

結晶成長中に混合融液28が反応容器12の濡れ性によって、種基板29上に液膜31を発生させないように、混合融液28の投入量を設定する。混合融液28の温度を870℃に設定した場合、種基板29と混合融液28との間隔は10mm以上であることが望ましい。   The amount of the mixed melt 28 is set so that the mixed melt 28 does not generate the liquid film 31 on the seed substrate 29 due to the wettability of the reaction vessel 12 during crystal growth. When the temperature of the mixed melt 28 is set to 870 ° C., the distance between the seed substrate 29 and the mixed melt 28 is preferably 10 mm or more.

上記の設置方法は、本発明の実施の形態1に係るIII族窒化物結晶製造装置10を実現するための混合融液28及び種基板29の設置方法の一例である。
なお、混合融液28の設定温度や反応容器12の径によっても影響されるため、反応容器12の底面33を傾斜させる角度、種基板29と混合融液28との間隔は上記の例に限定されるものではない。
The above installation method is an example of the installation method of the mixed melt 28 and the seed substrate 29 for realizing the group III nitride crystal production apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
In addition, since the setting temperature of the mixed melt 28 and the diameter of the reaction vessel 12 also affect the angle at which the bottom surface 33 of the reaction vessel 12 is inclined, the distance between the seed substrate 29 and the mixed melt 28 is limited to the above example. It is not something to be done.

上記種基板29及び混合融液28の設置によって、種基板29およびアルカリ金属とIII族元素を含む混合融液28が設置された反応容器12をグローブボックスから出し、当該III族窒化物結晶製造装置10の耐圧容器11内へと設置する。   By installing the seed substrate 29 and the mixed melt 28, the seed substrate 29 and the reaction vessel 12 in which the mixed melt 28 containing an alkali metal and a group III element is placed are taken out from the glove box, and the group III nitride crystal manufacturing apparatus It is installed in the pressure container 11 of ten.

<反応容器内への窒素ガス供給>
当該III族窒化物結晶製造装置10の耐圧容器11において、窒素(N)ガス供給管15からの窒素ガスの供給と、真空引き管25からの排気と、を繰り返す(パージ作業)。これによって、耐圧容器11内に設置した反応容器12の内部は不純物が少ない窒素ガスで満たされる。
<Nitrogen gas supply to the reaction vessel>
The supply of nitrogen gas from the nitrogen (N 2 ) gas supply pipe 15 and the exhaust from the vacuum pipe 25 are repeated in the pressure resistant container 11 of the group III nitride crystal production apparatus 10 (purge operation). As a result, the inside of the reaction vessel 12 installed in the pressure resistant vessel 11 is filled with nitrogen gas with few impurities.

さらに、反応容器12内の清浄な窒素ガス雰囲気を達成するために、耐圧容器11を真空引き管25から真空ポンプ27を使って一定時間、真空引きを実施してもよい。   Furthermore, in order to achieve a clean nitrogen gas atmosphere in the reaction vessel 12, the pressure-tight vessel 11 may be evacuated for a certain period of time using a vacuum pump 27 from an evacuation pipe 25.

<結晶成長方法>
図3−1から図3−4を参照して、III族窒化物結晶の結晶成長方法について説明する。図3−1から図3−4は、実施の形態1におけるIII族窒化物結晶の結晶成長過程(結晶成長が行われる様子)を段階的に示す概略断面図である。
<Crystal growth method>
A method of growing a group III nitride crystal will be described with reference to FIGS. 3-1 to 3-4. FIGS. 3-1 to 3-4 are schematic cross-sectional views showing the crystal growth process (the state of crystal growth being performed) of the group III nitride crystal in Embodiment 1 in a stepwise manner.

図3−1は、温度、圧力を結晶成長条件に設定する前の反応容器12内の様子を示す図である。図3−1において、反応容器12、混合融液28および種基板29は、図3−1とともに上述の設置方法で既に説明したように配置されている。   3-1 is a figure which shows the mode inside reaction container 12 before setting temperature and pressure to crystal growth conditions. In FIG. 3-1, the reaction vessel 12, the mixed melt 28, and the seed substrate 29 are arranged as already described in the installation method described above in conjunction with FIG. 3-1.

図3−1の段階は、温度、圧力を結晶成長条件に設定した時点の様子を示す図であり、温度、圧力を一定に維持している様子を示すものである。   The stage of FIG. 3-1 is a figure which shows a mode at the time of setting temperature and pressure to crystal growth conditions, and shows a mode that temperature and pressure are maintained constant.

図3−2の段階において、高温状態の混合融液28から蒸気30が発生し、反応容器12に充満する。この際、反応容器12の内壁は濡れていない。もしくはわずかに濡れている程度である。   In the stage of FIG. 3B, the vapor 30 is generated from the mixed melt 28 in the high temperature state, and the reaction vessel 12 is filled. At this time, the inner wall of the reaction vessel 12 is not wetted. Or it is slightly wet.

このとき、混合融液28の蒸気30には、反応容器12内の気相から窒素(N)が溶解する。 At this time, nitrogen (N 2 ) is dissolved in the vapor 30 of the mixed melt 28 from the gas phase in the reaction vessel 12.

図3−3の段階において、ヒータ13の下部側の温度を低くするなどの設定を行う。これによって、種基板29の表面温度を混合融液28の蒸気30の温度より低くできる。例えば、混合融液28の蒸気30の温度より、10℃以上、表面温度が低い種基板29上には、混合融液28の蒸気30から凝縮現象が発生することにより、種基板29上に混合融液の液膜31が被膜される。   At the stage of FIG. 3-3, settings such as lowering the temperature on the lower side of the heater 13 are performed. This allows the surface temperature of the seed substrate 29 to be lower than the temperature of the vapor 30 of the mixed melt 28. For example, the condensation phenomenon occurs from the vapor 30 of the mixed melt 28 on the seed substrate 29 whose surface temperature is lower by 10 ° C. or more than the temperature of the vapor 30 of the mixed melt 28, whereby the mixture is mixed onto the seed substrate 29. The liquid film 31 of the melt is coated.

図3−4の段階において、種基板29上の液膜31には、既に反応容器12内の窒素が溶解しており、結晶成長に必要な原料が存在していることから、種基板29上から窒化物結晶32の成長が行われる。   At the stage of FIG. 3-4, the nitrogen in the reaction vessel 12 has already been dissolved in the liquid film 31 on the seed substrate 29, and the raw material necessary for crystal growth is present. Growth of the nitride crystal 32 is performed.

この場合において、反応容器12の底面33が傾斜していることにより、種基板29の表面も傾斜している。そこで、種基板29上の液膜31は、種基板29の表面や側面を侵食する前に、混合融液28に流れていく。さらに、液膜31は、反応容器12の内壁とも接触していないため、反応容器12の表面も侵食しない。このため、混合融液28には種基板29、反応容器12由来の不純物が取り込まれない。清浄な混合融液28で、種基板29上に結晶成長が実施されるため、不純物の少ない結晶を得ることができる。   In this case, since the bottom surface 33 of the reaction container 12 is inclined, the surface of the seed substrate 29 is also inclined. Therefore, the liquid film 31 on the seed substrate 29 flows to the mixed melt 28 before eroding the surface and the side surface of the seed substrate 29. Furthermore, since the liquid film 31 is not in contact with the inner wall of the reaction vessel 12, the surface of the reaction vessel 12 is not eroded as well. Therefore, impurities derived from the seed substrate 29 and the reaction vessel 12 are not taken into the mixed melt 28. Since crystal growth is performed on the seed substrate 29 with the clean mixed melt 28, crystals with few impurities can be obtained.

温度が870℃、圧力が3.2MPaを維持した状態で、反応容器12内では、図3−3の段階と図3−4の段階とを繰り返す。これによって結晶成長を続けることができる。   With the temperature maintained at 870 ° C. and the pressure maintained at 3.2 MPa, the steps of FIGS. 3-3 and the steps of FIGS. 3-4 are repeated in the reaction vessel 12. Crystal growth can be continued by this.

上述のように、実施の形態1では、反応容器12内に存在する混合融液28の蒸気30が種基板29の表面に液膜31を発生させる凝縮現象と、種基板29上の液膜31が反応容器12の底面33の傾斜に起因する種基板29の傾斜によって種基板29の表面から流れ落ちて混合融液28に戻る現象と、を繰り返す。これによって、種基板29の結晶成長面には、清浄な液膜31が供給され続ける。その結果、不純物の少ない結晶を成長することができるという効果を奏する。   As described above, in the first embodiment, the condensation phenomenon in which the vapor 30 of the mixed melt 28 present in the reaction vessel 12 generates the liquid film 31 on the surface of the seed substrate 29, and the liquid film 31 on the seed substrate 29. And the phenomenon of flowing down from the surface of the seed substrate 29 and returning to the mixed melt 28 due to the inclination of the seed substrate 29 caused by the inclination of the bottom surface 33 of the reaction vessel 12. Thus, the clean liquid film 31 is continuously supplied to the crystal growth surface of the seed substrate 29. As a result, it is possible to grow a crystal with few impurities.

(実施例1)
図1に示すIII族窒化物結晶製造装置10を用いて、窒化物結晶32として窒化ガリウム(GaN)の結晶成長を実施した。
Example 1
Crystal growth of gallium nitride (GaN) as nitride crystal 32 was performed using group III nitride crystal production apparatus 10 shown in FIG.

まず、耐圧容器11から反応容器12を取り外し、反応容器12を、アルゴン雰囲気のグローブボックスに収納した。   First, the reaction vessel 12 was removed from the pressure resistant vessel 11, and the reaction vessel 12 was housed in a glove box under an argon atmosphere.

III族窒化物結晶製造装置10に接続されている圧力調節器16、22、バルブ26を閉じることによって、耐圧容器11を閉空間とした。次に、バルブ26を開き、真空ポンプ27を運転した。これによって、耐圧容器11内から大気を追い出し、耐圧容器11内部を1.0×10−3Pa以下の真空状態にすることで、耐圧容器11内に酸素や水分等の不純物が残留することを防止することができる。 By closing the pressure regulators 16 and 22 and the valve 26 connected to the group III nitride crystal production apparatus 10, the pressure resistant container 11 is made into a closed space. Next, the valve 26 was opened and the vacuum pump 27 was operated. As a result, the atmosphere is expelled from the pressure-resistant container 11 and the inside of the pressure-resistant container 11 is evacuated to 1.0 × 10 -3 Pa or less, whereby impurities such as oxygen and water remain in the pressure-resistant container 11. It can be prevented.

グローブボックスに収納した反応容器12の材質にはアルミナ(Al)を用いた。グローブボックス内で反応容器12にIII族元素のガリウム(Ga)と、アルカリ金属のナトリウム(Na)とを入れた。混合融液28中における、ナトリウムおよびガリウムの総モル数に対するナトリウムのモル数の比率、Na/(Na+Ga)は、0.73とした。 Alumina (Al 2 O 3 ) was used as the material of the reaction vessel 12 housed in the glove box. Gallium (Ga) of Group III element and sodium (Na) of alkali metal were put into the reaction vessel 12 in the glove box. The ratio of the number of moles of sodium to the total number of moles of sodium and gallium in the mixed melt 28, Na / (Na + Ga), was 0.73.

種基板29は、下地材料であるScAlMgOの単結晶上にMO−CVD法でGaN結晶を5μm成長したものを使用した。種基板29は、図2に示すように、傾斜させた反応容器12の上側の基板保持部に設置した。 The seed substrate 29 used was obtained by growing a GaN crystal to 5 μm by MO-CVD on a single crystal of ScAlMgO 4 which is a base material. The seed substrate 29 was placed on the upper substrate holding portion of the inclined reaction vessel 12, as shown in FIG.

窒素配管およびバルブ19、圧力調節器16を開き、窒素(N)ガスを供給し耐圧容器11内を0.1MPa程度に設定した後、バルブ19を閉じた。 The nitrogen pipe and the valve 19 and the pressure regulator 16 were opened, and nitrogen (N 2 ) gas was supplied to set the inside of the pressure resistant container 11 to about 0.1 MPa, and then the valve 19 was closed.

種基板29と混合融液28の原料であるNa(ナトリウム)とGa(ガリウム)が設置された反応容器12をグローブボックスから出した。   The reaction container 12 in which Na (sodium) and Ga (gallium) which are raw materials of the seed substrate 29 and the mixed melt 28 were placed was taken out of the glove box.

反応容器12を、III族窒化物結晶製造装置10内の反応容器設置台14に設置した。   The reaction vessel 12 was placed on the reaction vessel installation stage 14 in the group III nitride crystal production apparatus 10.

バルブ26を開き、真空ポンプ27を一定時間、運転した。真空ポンプ27の運転によって、反応容器12の設置作業で、耐圧容器11内に混入した大気成分を外部へ追い出した。一定時間、真空ポンプ27を運転した後、バルブ26を閉め、真空ポンプ27の運転を切った。   The valve 26 was opened and the vacuum pump 27 was operated for a fixed time. By the operation of the vacuum pump 27, the atmospheric component mixed in the pressure resistant container 11 was expelled to the outside in the installation work of the reaction container 12. After operating the vacuum pump 27 for a fixed time, the valve 26 was closed and the operation of the vacuum pump 27 was stopped.

再度、バルブ19、圧力調節器16を開き、耐圧容器内に窒素ガスを入れ、耐圧容器11内の窒素圧力を3.2MPaに設定した。   Again, the valve 19 and the pressure regulator 16 were opened, nitrogen gas was introduced into the pressure container, and the nitrogen pressure in the pressure container 11 was set to 3.2 MPa.

次に、マスフローコントローラ18の流量を1000sccmに設定した。排気側の圧力調節器22を調整することで、清浄な窒素(N)ガスを供給しながら、容器内の圧力を3.2MPaに維持する環境を構築した。 Next, the flow rate of the mass flow controller 18 was set to 1000 sccm. By adjusting the pressure regulator 22 on the exhaust side, an environment was maintained in which the pressure in the container was maintained at 3.2 MPa while supplying clean nitrogen (N 2 ) gas.

その後、ヒータ13に通電し、混合融液28を結晶成長温度の870℃まで昇温した。   Thereafter, the heater 13 was energized to raise the temperature of the mixed melt 28 to 870 ° C., which is the crystal growth temperature.

耐圧容器内部を870℃、3.2MPaの状態で50時間維持して結晶成長を行った後、ヒータ13の通電を切り、反応容器12の温度を、室温付近まで降温した。バルブ26を開き、容器内の圧力を0.1MPaに戻した後、反応容器12をIII族窒化物結晶製造装置10から外部に取出した。反応容器12から取出した種結晶29には、C面を主面とした約0.5mmの厚みのGaNの単結晶が成長していた。   After the crystal growth was performed by maintaining the inside of the pressure container at 870 ° C. and 3.2 MPa for 50 hours, energization of the heater 13 was turned off, and the temperature of the reaction container 12 was lowered to around room temperature. After the valve 26 was opened and the pressure in the vessel was returned to 0.1 MPa, the reaction vessel 12 was taken out of the group III nitride crystal production apparatus 10. In the seed crystal 29 taken out of the reaction vessel 12, a single crystal of GaN having a thickness of about 0.5 mm with the C plane as the main surface was grown.

実施例1により得られた結晶断面を、種基板29側、GaN結晶の表面側の2箇所の不純物濃度を二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ、両測定箇所とも、マグネシウム(Mg)の不純物濃度が1×1015Atoms/cmであった。得られたGaN結晶のMg(マグネシウム)の不純物濃度はD−SIMSにおける測定下限を示した。アルミニウム(Al)の不純物濃度は、1×1017Atoms/cm、酸素(O)の不純物濃度は、1×1017Atoms/cmであった。特にMgは後述する比較例1に対して、種基板29のScAlMgOに由来するMgの不純物混入を防止できていることを確認した。 The crystal cross-sections obtained in Example 1 were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) at the two impurity concentrations on the seed substrate 29 side and on the surface side of the GaN crystal. The impurity concentration of 1) was 1 × 10 15 atoms / cm 3 . The impurity concentration of Mg (magnesium) of the obtained GaN crystal showed the measurement lower limit in D-SIMS. The impurity concentration of aluminum (Al) was 1 × 10 17 atoms / cm 3 , and the impurity concentration of oxygen (O) was 1 × 10 17 atoms / cm 3 . In particular, it was confirmed that Mg can prevent mixing of Mg impurities derived from ScAlMgO 4 of the seed substrate 29 to Comparative Example 1 described later.

実施例1により得られた結晶表面の転位密度を評価したところ、3.0×10cm−2であり、転位欠陥の少ない高品質な窒化物のGaN結晶を得た。 When the dislocation density on the crystal surface obtained in Example 1 was evaluated, it was 3.0 × 10 5 cm −2 , and a high quality nitride GaN crystal with few dislocation defects was obtained.

(実施例2)
実施例2では、種基板29の下地材料にサファイア(Al)を用いた以外には実施例1と同様の構成で結晶成長を行った。この場合にも、種基板29上には、C面を主面とした厚みが0.5mmのGaNの単結晶が成長していた。
(Example 2)
In Example 2, crystal growth was performed with the same configuration as in Example 1 except that sapphire (Al 2 O 3 ) was used as a base material of the seed substrate 29. Also in this case, a single crystal of GaN having a thickness of 0.5 mm with the C plane as the main surface was grown on the seed substrate 29.

実施例2で得られた結晶中の不純物濃度を二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ、実施例1と同様のGaN結晶の表面側の両測定点とも、マグネシウム(Mg)の不純物濃度は1×1015Atoms/cmであった。得られたGaN結晶のMg(マグネシウム)の不純物濃度はD−SIMSにおける測定下限を示した。アルミニウム(Al)の不純物濃度は、GaN結晶の表面側が3.0×1016Atoms/cm、種基板29側が、2.5×1017Atoms/cm、酸素(O)の不純物濃度は、両測定点とも、1×1017Atoms/cmであった。特に結晶中に取り込まれたアルミニウム(Al)は後述する比較例2と比較して、種基板29のサファイア(Al)に由来するアルミニウム(Al)の不純物混入を防止できていることを確認した。 When the impurity concentration in the crystal obtained in Example 2 was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS), both of the measurement points on the surface side of the GaN crystal as in Example 1 were impurities of magnesium (Mg). The concentration was 1 × 10 15 Atoms / cm 3 . The impurity concentration of Mg (magnesium) of the obtained GaN crystal showed the measurement lower limit in D-SIMS. The impurity concentration of the aluminum (Al), the surface side of 3.0 × 10 16 Atoms / cm 3 of GaN crystal, the seed substrate 29 side is, 2.5 × 10 17 Atoms / cm 3, the impurity concentration of oxygen (O) is Both measurement points were 1 × 10 17 atoms / cm 3 . In particular, aluminum (Al) taken into the crystal is capable of preventing contamination of aluminum (Al) derived from sapphire (Al 2 O 3 ) of the seed substrate 29 as compared with Comparative Example 2 described later. confirmed.

実施例2により得られたGaN結晶中の転位密度を評価したところ、1.0×10cm−2であった。また、実施例1と比較して、種基板29と窒化物結晶32との熱膨張係数差に起因すると思われる転位欠陥が発生していることを確認した。 The dislocation density in the GaN crystal obtained in Example 2 was evaluated to be 1.0 × 10 7 cm −2 . In addition, as compared with Example 1, it was confirmed that dislocation defects which are considered to be caused by the difference in thermal expansion coefficient between the seed substrate 29 and the nitride crystal 32 were generated.

本発明における実施例1および実施例2の有用性を判断するため、比較例として、以下に示す構成で、GaN結晶の成長を行った。   In order to judge the usefulness of Example 1 and Example 2 in the present invention, as a comparative example, growth of a GaN crystal was performed with the configuration shown below.

(比較例1)
図4のように、混合融液28と種基板29とが接触するように設置を行い、実施例1と同様に種基板29の下地材料にScAlMgOの単結晶を用いて、III族窒化物結晶の結晶成長を実施した。厚みが0.5mmのGaNの単結晶を得られた。しかし、実施例1と同様のGaN結晶の表面側の2箇所について、結晶中の不純物量を二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ、両測定箇所ともマグネシウム(Mg)の不純物濃度が3.0×1019Atoms/cm、アルミニウム(Al)の不純物濃度、1×1017Atoms/cm 、酸素(O)の不純物濃度、1×1017Atoms/cmであった。実施例1と比較例1のマグネシウム(Mg)の不純物濃度の差異から、図4の混合融液28が種基板29のScAlMgOをエッチングし、種基板29の構成元素であるマグネシウム(Mg)がGaN結晶中に不純物として取り込まれていることがわかる。
(Comparative example 1)
As shown in FIG. 4, the mixed melt 28 and the seed substrate 29 are placed in contact with each other, and a single crystal of ScAlMgO 4 is used as a base material of the seed substrate 29 as in the first embodiment. Crystal growth of crystals was carried out. A single crystal of GaN with a thickness of 0.5 mm was obtained. However, when the amount of impurities in the crystal is measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) at two points on the surface side of the same GaN crystal as in Example 1, the impurity concentration of magnesium (Mg) in both measurement points is The impurity concentration was 3.0 × 10 19 atoms / cm 3 , the impurity concentration of aluminum (Al) was 1 × 10 17 atoms / cm 3 , and the impurity concentration of oxygen (O) was 1 × 10 17 atoms / cm 3 . From the difference in the impurity concentration of magnesium (Mg) of Example 1 and Comparative Example 1, the mixed melt 28 of FIG. 4 etches ScAlMgO 4 of the seed substrate 29 and magnesium (Mg) which is a constituent element of the seed substrate 29 It can be seen that they are taken into the GaN crystal as impurities.

(比較例2)
図4のように、混合融液28と種基板29とが接触するように設置を行い、実施例2と同様に種基板29の下地材料にサファイア(Al)を用いたIII族窒化物結晶の結晶成長を実施した。厚みが0.5mmのGaNの単結晶を得られた。実施例1と同様のGaN結晶の表面側の2箇所について、結晶中の不純物量を二次イオン質量分析法(SIMS)により測定したところ、両測定点とも、マグネシウム(Mg)の不純物濃度が1.0×1015Atoms/cmであった。得られたGaN結晶のMg(マグネシウム)の不純物濃度はD−SIMSにおける測定下限を示した。アルミニウム(Al)の不純物濃度は種基板29側が、7.0×1017Atoms/cmであり、表面側が 、2.6×1017Atoms/cmであった。酸素(O)の不純物濃度は、両測定点とも、1×1017Atoms/cmであった。実施例2と比較すると、アルミニウム(Al)は種基板29の界面および、GaN結晶の表面とも、有意な差異があることが確認された。このことから、図4の混合融液28が種基板29のサファイア(Al)をエッチングし、種基板29の構成元素であるアルミニウム(Al)が不純物として結晶に取り込まれていることがわかる。
(Comparative example 2)
As shown in FIG. 4, the mixed melt 28 and the seed substrate 29 were placed in contact with each other, and III-nitrided using sapphire (Al 2 O 3 ) as a base material of the seed substrate 29 as in the second embodiment. Crystal growth was carried out. A single crystal of GaN with a thickness of 0.5 mm was obtained. The amount of impurities in the crystal was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) at two points on the surface side of the same GaN crystal as in Example 1. As a result, the impurity concentration of magnesium (Mg) was 1 at both measurement points. It was .0 × 10 15 Atoms / cm 3 . The impurity concentration of Mg (magnesium) of the obtained GaN crystal showed the measurement lower limit in D-SIMS. The impurity concentration of aluminum (Al) was 7.0 × 10 17 atoms / cm 3 on the seed substrate 29 side and 2.6 × 10 17 atoms / cm 3 on the surface side. The impurity concentration of oxygen (O) was 1 × 10 17 atoms / cm 3 at both measurement points. As compared with Example 2, it was confirmed that aluminum (Al) had a significant difference between the interface of the seed substrate 29 and the surface of the GaN crystal. From this, the mixed melt 28 of FIG. 4 etches sapphire (Al 2 O 3 ) of the seed substrate 29 and aluminum (Al) which is a constituent element of the seed substrate 29 is taken into the crystal as an impurity. Recognize.

種基板29の材料にGaNを用いた場合、結晶中の不純物を少なくする効果は得られにくくなる。しかし、GaN結晶の大量生産を前提とした製造時において、種基板29のGaN結晶の酸素(O)、アルミニウム(Al)の不純物濃度は、容易にばらつくことが予想される。本発明の実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造方法によれば、種基板29の材料に窒化ガリウム(GaN)を選択した場合でも、安定的に不純物の少ないGaN単結晶を得ることができる。   When GaN is used as the material of the seed substrate 29, the effect of reducing the amount of impurities in the crystal is hardly obtained. However, it is expected that the impurity concentrations of oxygen (O) and aluminum (Al) in the GaN crystal of the seed substrate 29 are easily dispersed at the time of production on the premise of mass production of the GaN crystal. According to the method of manufacturing a group III nitride crystal according to the first embodiment of the present invention, it is possible to stably obtain a GaN single crystal with few impurities even when gallium nitride (GaN) is selected as the material of seed substrate 29. Can.

表1に示すように、得られた窒化物結晶の不純物濃度の結果について、種基板29の材料にScAlMgOを用いた実施例1及び比較例1を対比すると、以下のことがわかる。すなわち、種基板29と混合融液28とが接触しない構成で、種基板29への凝縮現象を活用する結晶成長によって、種基板29由来のMgの不純物濃度が少ない窒化物結晶が得ることができる。また、得られた結晶の不純物濃度の結果について、種基板29の材料にAlを用いた実施例2及び比較例2を対比すると、以下のことがわかる。すなわち、種基板29と混合融液28とが接触しない構成で、種基板29への凝縮現象を活用する結晶成長によって、種基板29由来のAlの不純物濃度が少ない窒化物結晶が得ることができる。また、実施例1及び実施例2から得られた結晶の転位密度の結果を対比すると、実施例1の構成は、実施例2と比較して、窒化物結晶32と種基板29の熱膨張係数差が、小さいため、転位密度が少ない窒化物結晶を得ることができる。 As shown in Table 1, the comparison of Example 1 and Comparative Example 1 in which ScAlMgO 4 is used for the material of the seed substrate 29 shows the following about the result of the impurity concentration of the obtained nitride crystal. That is, in a configuration in which the seed substrate 29 and the mixed melt 28 are not in contact with each other, crystal growth utilizing the condensation phenomenon on the seed substrate 29 can obtain a nitride crystal having a low impurity concentration of Mg derived from the seed substrate 29. . Further, with regard to the result of the impurity concentration of the obtained crystal, the following can be understood when Example 2 and Comparative Example 2 in which Al 2 O 3 is used for the material of the seed substrate 29 are compared. That is, in a configuration in which the seed substrate 29 and the mixed melt 28 are not in contact with each other, crystal growth utilizing the condensation phenomenon on the seed substrate 29 can obtain a nitride crystal having a low impurity concentration of Al derived from the seed substrate 29. . Further, comparing the results of dislocation density of the crystals obtained from Example 1 and Example 2, the configuration of Example 1 is the thermal expansion coefficient of the nitride crystal 32 and the seed substrate 29 in comparison with Example 2. Since the difference is small, it is possible to obtain a nitride crystal with a low dislocation density.

Figure 2018177587
Figure 2018177587

実施例1で種基板29の材料に用いたScAlMgOでは、GaN結晶との熱膨張係数差が少ないが、一方、アルカリ金属の融液に対して、エッチングされやすい物性を持つ材料で得られる効果が大きい。したがって、種基板29の材料は、本発明では、特に限定されるものではない。 In ScAlMgO 4 used as the material of the seed substrate 29 in Example 1, the difference in thermal expansion coefficient with the GaN crystal is small, but on the other hand, the effect obtained with the material having physical properties that are easily etched with respect to the alkali metal melt Is large. Therefore, the material of the seed substrate 29 is not particularly limited in the present invention.

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び/又は実施例のうちの任意の実施の形態及び/又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び/又は実施例が有する効果を奏することができる。   Note that the present disclosure includes appropriate combinations of any of the various embodiments and / or examples described above, and the respective embodiments and / or examples. The effects of the embodiment can be exhibited.

本発明に係るIII族窒化物結晶の製造方法及び製造装置によって得られる、III族窒化物結晶からなる半導体基板は、LEDやLD等の発光デバイスの作成に利用することができ、その発光特性や信頼性の向上に有用である。また、FETなどのその他一般の半導体デバイスにも有用できる。   The semiconductor substrate comprising a group III nitride crystal obtained by the method and apparatus for producing a group III nitride crystal according to the present invention can be used to create a light emitting device such as an LED or LD, and It is useful to improve the reliability. It can also be useful for other common semiconductor devices such as FETs.

10 :III族窒化物結晶製造装置
11 :耐圧容器
12 :反応容器
13 :ヒータ
14 :反応容器設置台
15 :窒素ガス供給管
16 :圧力調節器
17 :圧力計
18 :マスフローコントローラ
19、26 :バルブ
20 :窒素ガスボンベ
21 :窒素ガス排気管
22 :圧力調節器
23 :装置外部の大気
24 :圧力制御の通信ケーブル
25 :耐圧容器の真空引き管
26 :バルブ
27 :真空ポンプ
28 :混合融液
29 :種基板
30 :混合融液から発生する混合融液の蒸気
31 :種基板上の混合融液の液膜
32 :GaN単結晶
33 :底面
10: Group III nitride crystal production apparatus 11: Pressure vessel 12: reaction vessel 13: heater 14: reaction vessel installation table 15: nitrogen gas supply pipe 16: pressure regulator 17: pressure gauge 18: mass flow controller 19, 26: valve 20: nitrogen gas cylinder 21: nitrogen gas exhaust pipe 22: pressure regulator 23: air outside the apparatus 24: communication cable 25 for pressure control: vacuum tube 26 of pressure container 26: valve 27: vacuum pump 28: mixed melt 29: Seed substrate 30: Vapor of mixed melt generated from mixed melt 31: Liquid film of mixed melt on seed substrate 32: GaN single crystal 33: Bottom surface

Claims (13)

反応容器内に、アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液を準備する工程と、
前記反応容器内に、窒素元素を含む気体を供給する工程と、
前記混合融液の液面から離間させて種基板を準備する工程と、
前記混合融液を加熱し、その一部を蒸気にする工程と、
前記種基板を前記混合融液の蒸気が凝縮した液膜で被覆して、前記種基板にIII族窒化物結晶を成長させる工程と、
を含む、III族窒化物結晶の製造方法。
Preparing a mixed melt containing an alkali metal and a group III element in a reaction vessel;
Supplying a gas containing nitrogen element into the reaction vessel;
Preparing a seed substrate by separating from the liquid surface of the mixed melt;
Heating the mixed melt to make part of it into a vapor;
Covering the seed substrate with a liquid film in which the vapor of the mixed melt is condensed to grow a group III nitride crystal on the seed substrate;
A method for producing a group III nitride crystal, comprising
前記混合融液の液面から離間させて前記種基板を準備する工程では、前記反応容器の底面を水平面に対して傾斜させ、前記混合融液は、前記反応容器の底面の一部を覆うようにし、前記種基板は、前記反応容器の底面において、前記混合融液の液面から離間して配置する、請求項1に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   In the step of preparing the seed substrate by separating it from the liquid surface of the mixed melt, the bottom surface of the reaction container is inclined with respect to a horizontal plane, and the mixed melt covers a part of the bottom surface of the reaction container The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein the seed substrate is disposed on the bottom surface of the reaction vessel at a distance from the liquid surface of the mixed melt. 前記種基板は、サファイア基板である、請求項1又は2に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein the seed substrate is a sapphire substrate. 前記種基板は、ScAlMgO基板である、請求項1又は2に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein the seed substrate is a ScAlMgO 4 substrate. 前記種基板は、GaN基板である、請求項1又は2に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to claim 1, wherein the seed substrate is a GaN substrate. 前記アルカリ金属は、Naである、請求項1から5のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the alkali metal is Na. 前記III族元素は、ガリウムである、請求項1から6のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein the group III element is gallium. 前記窒素元素を含む気体は、窒素であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 7, wherein the gas containing nitrogen element is nitrogen. 前記混合融液に対する前記種基板の濡れ性は、前記混合融液に対する前記反応容器の濡れ性よりも高い、請求項1から8のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   The method for producing a group III nitride crystal according to any one of claims 1 to 8, wherein the wettability of the seed substrate to the mixed melt is higher than the wettability of the reaction container to the mixed melt. 前記III族窒化物結晶を成長させる工程において、前記液膜が前記種基板をエッチングする前に混合融液に流す、請求項1から9のいずれか1項に記載のIII族窒化物結晶の製造方法。   10. The method for producing group III nitride crystals according to any one of claims 1 to 9, wherein in the step of growing group III nitride crystals, the liquid film is allowed to flow through the mixed melt before etching the seed substrate. Method. アルカリ金属とIII族元素とを含む混合融液と、前記混合融液の液面から離間して配置された種基板と、を格納する反応容器と、
前記反応容器内に窒素元素を含む気体を供給する窒素ガス供給管と、
前記混合融液を加熱し、その一部を蒸気にする加熱部と、
を備えた、III族窒化物結晶製造装置。
A reaction vessel for storing a mixed melt containing an alkali metal and a group III element, and a seed substrate disposed apart from the liquid surface of the mixed melt;
A nitrogen gas supply pipe for supplying a gas containing elemental nitrogen into the reaction vessel;
A heating unit which heats the mixed melt and makes a part of it into a vapor;
A group III nitride crystal production apparatus comprising:
前記反応容器は、底面が水平面に対して傾斜して配置され、前記混合融液は、前記反応容器の底面の一部を覆い、前記種基板は、前記反応容器の底面において、前記混合融液の液面から離間して配置されている、請求項11に記載のIII族窒化物結晶製造装置。   The bottom surface of the reaction container is arranged to be inclined with respect to the horizontal plane, and the mixed melt covers a part of the bottom surface of the reaction container, and the seed substrate is the mixed melt on the bottom surface of the reaction container The group III nitride crystal production apparatus according to claim 11, which is disposed apart from the liquid surface of 前記反応容器を格納し、前記窒素ガス供給管を有し、密閉可能な耐圧容器をさらに備える、請求項11又は12に記載のIII族窒化物結晶製造装置。   The group III nitride crystal production apparatus according to claim 11, further comprising a pressure resistant container that houses the reaction container, has the nitrogen gas supply pipe, and is sealable.
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