JP3923950B2 - Method for producing gallium nitride single crystal, apparatus used therefor, and gallium nitride single crystal obtained by the production method - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ガリウム単結晶の製造方法、それに用いる装置および前記製造方法により得られた窒化ガリウム単結晶に関する。 The present invention relates to a method for producing a gallium nitride single crystal, an apparatus used therefor, and a gallium nitride single crystal obtained by the production method.
III族元素窒化物の半導体は、例えば、ヘテロ接合高速電子デバイスや光電子デバイス(半導体レーザ、発光ダイオード、センサ等)の分野に使用されており、特に、窒化ガリウム(GaN)が注目されている。従来から、窒化ガリウムの単結晶を得るために、窒化ガリウム粉末を1000℃程度に加熱して昇華させ、これを冷却させて再結晶化することを利用して窒化ガリウム単結晶を育成するという、いわゆる昇華法が実施されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。しかしながら、従来の製造方法では、窒化ガリウム単結晶の育成と同時に、加熱に伴う育成した窒化ガリウムの分解も起こっており、製造効率が悪い。これは、GaN単結晶だけでなく、AlN単結晶やInN単結晶でも問題になっている。
Group III element nitride semiconductors are used, for example, in the field of heterojunction high-speed electronic devices and optoelectronic devices (semiconductor lasers, light-emitting diodes, sensors, etc.), and gallium nitride (GaN) is particularly attracting attention. Conventionally, in order to obtain a single crystal of gallium nitride, the gallium nitride powder is heated to about 1000 ° C. and sublimated, and this is cooled and recrystallized to grow the gallium nitride single crystal. A so-called sublimation method is performed (see, for example, Non-Patent
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、結晶育成時の分解が抑制されて製造効率が向上した窒化ガリウム単結晶の製造方法の提供を、その目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a method for producing a gallium nitride single crystal in which the decomposition during crystal growth is suppressed and the production efficiency is improved.
前記目的を達成するために、本発明の第1の製造方法は、窒化ガリウム単結晶の原料から得られる気化物を結晶化することにより単結晶を育成する窒化ガリウム単結晶の製造方法であって、前記気化物が、GaH x を含み、前記単結晶の育成を加圧下で行うことを特徴とする窒化ガリウム単結晶の製造方法である。
また、本発明の第2の製造方法は、窒化ガリウム単結晶の原料を加熱して昇華または蒸発させて気化物とし、前記気化物を結晶化することにより単結晶を育成する窒化ガリウム単結晶の製造方法であって、前記原料を、水素の存在下、加熱して昇華または蒸発させて前記気化物を生成し、前記単結晶の育成を加圧下で行うことを特徴とする窒化ガリウム単結晶の製造方法である。
In order to achieve the above object, a first production method of the present invention is a method for producing a gallium nitride single crystal in which a single crystal is grown by crystallizing a vapor obtained from a raw material of the gallium nitride single crystal. A method for producing a gallium nitride single crystal , wherein the vaporized material contains GaH x and the single crystal is grown under pressure .
The second production method of the present invention, gallium nitride single crystal raw material is heated to a vaporization material was sublimed or evaporated, the vaporized material gallium nitride to grow a single crystal by crystallizing monocrystalline a manufacturing method, the raw material, the presence of hydrogen, heated to sublimation or evaporation to produce said vaporized product, the single crystal growth of the features and gallium nitride single crystal to be performed under a pressure of It is a manufacturing method.
このように、本発明の製造方法では、加圧下で単結晶の育成を行うことにより、育成した単結晶の分解を抑制することができるため、高い成長レートを達成し、結晶性の向上を測ることができる。さらに、本発明の製造方法では、得られる単結晶を一定の方向に揃えて育成できる。例えば、GaN単結晶であれば、c軸(0001)を基板と垂直にした状態で、かつ横方向にも方位がそろっていることが望ましい。 As described above, in the production method of the present invention, by growing a single crystal under pressure, decomposition of the grown single crystal can be suppressed, so that a high growth rate is achieved and crystallinity is improved. be able to. Furthermore, in the production method of the present invention, the resulting single crystal can be grown in a certain direction. For example, in the case of a GaN single crystal, it is desirable that the c-axis (0001) is perpendicular to the substrate and the orientation is aligned in the lateral direction.
本発明において、III族元素は、例えば、Ga、AlおよびInである。また、III族元素窒化物としては、例えば、GaN、AlN、InNなどがあり、このなかでもGaNが好ましい。 In the present invention, group III elements are, for example, Ga, Al, and In. Examples of group III element nitrides include GaN, AlN, and InN. Among these, GaN is preferable.
本発明において、前記原料は、特に制限されず、例えば、GaN粉末、Ga等があり、このなかで、GaN粉末が好ましい。例えば、GaN粉末を使用した場合、Ga(金属)を使用した場合に比べて原料の表面積を大きくすることができるため原料の分解量(蒸発量)を促進できる。また、前記原料を育成途中で追加し、原料の昇華若しくは蒸発を連続的に行うことが好ましい。 In the present invention, the raw material is not particularly limited, and examples thereof include GaN powder and Ga . Among these , GaN powder is preferable. For example, when GaN powder is used, since the surface area of the raw material can be increased compared to when Ga (metal) is used, the decomposition amount (evaporation amount) of the raw material can be promoted. Moreover, it is preferable to add the said raw material in the middle of a growth and to perform sublimation or evaporation of a raw material continuously.
前記本発明の製造方法において、前記気化物が、原料を加熱して昇華させて得られたものであり、前記結晶化が、前記気化物の冷却による再結晶化により行われることが好ましい。前記結晶化は、前記気化物と反応ガスとを反応させることにより行われてもよい。また、前記本発明の製造方法において、前記気化物が、原料を加熱して蒸発させて得られたものであり、前記結晶化が、前記気化物と反応ガスとを反応させることにより行われることが好ましい。また、前記気化物は、原料を加熱することにより分解、蒸発させて得られたものであることが好ましい。 In the production method of the present invention, it is preferable that the vaporized material is obtained by heating and sublimating a raw material, and the crystallization is performed by recrystallization by cooling the vaporized material. The crystallization may be performed by reacting the vaporized material with a reactive gas. In the production method of the present invention, the vaporized material is obtained by heating and evaporating a raw material, and the crystallization is performed by reacting the vaporized material with a reactive gas. Is preferred. The vaporized material is preferably obtained by decomposing and evaporating the raw material by heating.
前記本発明の製造方法において、前記気化物をキャリアガスにより結晶生成領域に供給し、前記結晶生成領域において前記単結晶の育成を行うことが好ましい。 In the manufacturing method of the present invention, it is preferable that the vaporized material is supplied to a crystal generation region by a carrier gas and the single crystal is grown in the crystal generation region.
前記本発明の製造方法において、前記原料の温度(T1(℃))と、前記結晶生成領域の温度(T2(℃))の温度とを独立に制御し、かつ、T1>T2の関係にすることが好ましい。T1(℃)は、例えば、300℃〜2600℃の範囲であり、好ましくは900℃〜2000℃の範囲であり、より好ましくは1000℃〜1400℃の範囲である。また、T2(℃)は、例えば、300℃〜2600℃の範囲であり、好ましくは500℃〜1600℃の範囲であり、より好ましくは800℃〜1400℃の範囲である。T2とT1との差は、例えば、5℃〜2000℃の範囲であり、好ましくは10℃〜1000℃の範囲であり、より好ましくは10℃〜500℃の範囲である。 In the manufacturing method of the present invention, the temperature of the raw material (T1 (° C.)) and the temperature of the crystal generation region (T2 (° C.)) are independently controlled, and a relationship of T1> T2 is established. It is preferable. T1 (° C.) is, for example, in the range of 300 ° C. to 2600 ° C., preferably in the range of 900 ° C. to 2000 ° C., and more preferably in the range of 1000 ° C. to 1400 ° C. Moreover, T2 (degreeC) is the range of 300 to 2600 degreeC, for example, Preferably it is the range of 500 to 1600 degreeC, More preferably, it is the range of 800 to 1400 degreeC. The difference between T2 and T1 is, for example, in the range of 5 ° C to 2000 ° C, preferably in the range of 10 ° C to 1000 ° C, and more preferably in the range of 10 ° C to 500 ° C.
前記気化物の一部若しくは全部が、例えば、GaH x であることが好ましい。 It is preferable that a part or all of the vaporized material is, for example, GaH x .
本発明において、前記キャリアガスとしては、例えば、N2ガス、不活性ガス(例えば、Ar、HeおよびNe)および水素ガス等があげられ、これらを1種類で使用しても、2種類以上を併用してもよい。前記キャリアガスは、例えば、後述する原料供給領域の下部より結晶生成領域に向かってガスフローさせることにより導入することができる。キャリアガスの流量は、例えば、50sccm〜20000sccm({50×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec)〜{20000×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec))の範囲であり、好ましくは100sccm〜10000sccm({100×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec)〜({10000×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec))の範囲であり、より好ましくは200sccm〜5000sccm({200×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec)〜{5000×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec))の範囲である。キャリアガスによる結晶生成領域への時間あたりの原料供給量は、例えば、0.001mol/h〜1mol/hの範囲であり、好ましくは0.005mol/h〜0.1mol/hの範囲である。 In the present invention, examples of the carrier gas include N 2 gas, inert gas (eg, Ar, He, and Ne), hydrogen gas, and the like. You may use together. The carrier gas can be introduced, for example, by causing a gas flow from a lower portion of a raw material supply region (to be described later) toward a crystal generation region. The flow rate of the carrier gas is, for example, 50 sccm to 20000 sccm ({50 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec) to {20000 × 1.01325 × 10 5 (Pa ) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec)), preferably 100 sccm to 10,000 sccm ({100 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 ))} / 60 (Sec) to ({10000 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec)), more preferably 200 sccm to 5000 sccm ({200 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec) to {5000 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec)) Career Material supply amount per time to the crystal formation area by scan, for example, in the range of 0.001mol / h~1mol / h, preferably in the range of 0.005mol / h~0.1mol / h.
本発明において、前記単結晶の育成は、窒素(N)含有ガスの雰囲気下で行うことが好ましい。前記窒素(N)含有ガスである雰囲気ガスとしては、例えば、窒素(N2)ガス、NH3ガスがあり、好ましくは、NH3ガスおよび前記両ガスの混合ガスである。また、原料を加熱して昇華させる場合、前記窒素(N)含有ガスとして、NH3とN2との混合ガスを使用することが好ましく、前記原料を加熱して蒸発若しくは加熱して分解、蒸発させる場合、N2ガスおよび不活性ガスの少なくとも一方を使用することが好ましい。前記窒素(N)含有ガスとして、NH3ガスを使用する場合、例えば、N2ガス、不活性ガス(例えば、Ar、HeおよびNe等)およびH2ガス等を混合することでNH3ガスの比率を制御することが好ましい。また、前記窒素(N)含有ガスとして、窒素(N2)ガスとNH3ガスとの混合ガスを使用する場合、その混合比(体積比)は、例えば、N2:NH3=95〜40:5〜60、好ましくは、90〜60:10〜40、より好ましくは、85〜70:15〜30である。 In the present invention, the single crystal is preferably grown in an atmosphere of a nitrogen (N) -containing gas. Examples of the atmospheric gas that is the nitrogen (N) -containing gas include nitrogen (N 2 ) gas and NH 3 gas, and preferably NH 3 gas and a mixed gas of both the gases. When the raw material is heated and sublimated, it is preferable to use a mixed gas of NH 3 and N 2 as the nitrogen (N) -containing gas, and the raw material is heated and evaporated or heated to decompose and evaporate. In this case, it is preferable to use at least one of N 2 gas and inert gas. When NH 3 gas is used as the nitrogen (N) -containing gas, for example, N 2 gas, inert gas (for example, Ar, He, Ne, etc.), H 2 gas, and the like are mixed to mix NH 3 gas. It is preferable to control the ratio. Further, as the nitrogen (N) containing gas, nitrogen (N 2) when using a mixed gas of gas and NH 3 gas, the mixing ratio (volume ratio), for example, N 2: NH 3 = 95 to 40 : 5-60, preferably 90-60: 10-40, more preferably 85-70: 15-30.
本発明において、前記反応ガスは、少なくともNH3ガスを含み、さらに、例えば、不活性ガスやH2ガスなどを含んでいることが好ましい。なお、前記原料を加熱して昇華させる場合においても、反応ガス中の窒素(N)と気化物とが反応してもよい。前記反応ガスの流量は、例えば、30sccm〜3000sccm({30×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec)〜{3000×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec))の範囲であり、好ましくは50sccm〜1000sccm({50×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec)〜{1000×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec))の範囲であり、より好ましくは100sccm〜500sccm({100×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec)〜{500×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec))の範囲である。 In the present invention, the reaction gas preferably includes at least NH 3 gas, and further includes, for example, an inert gas or H 2 gas. Even when the raw material is heated and sublimated, nitrogen (N) in the reaction gas and the vaporized product may react. The flow rate of the reaction gas is, for example, 30 sccm to 3000 sccm ({30 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec) to {3000 × 1.01325 × 10 5 ( Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec)), preferably 50 sccm to 1000 sccm ({50 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec) to {1000 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec)), more preferably 100 sccm to 500 sccm ({100 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec) to {500 × 1.01325 × 10 5 (Pa) × 10 −6 (m 3 )} / 60 (sec)) It is.
本発明において、前記加圧条件は、例えば、1気圧を超えかつ10000気圧以下(1×1.013×105Paを超えかつ10000×1.013×105Pa以下)の範囲であり、好ましくは、3気圧を超えかつ1000気圧以下(3×1.013×105Paを超えかつ1000×1.013×105Pa以下)の範囲であり、より好ましくは、10気圧を超えかつ500気圧以下(10×1.013×105Paを超えかつ500×1.013×105Pa以下)の範囲である。 In the present invention, the pressure condition is , for example, in the range of more than 1 atm and 10000 atm or less (above 1 × 1.013 × 10 5 Pa and 10000 × 1.013 × 10 5 Pa or less), preferably Is in the range of more than 3 atmospheres and 1000 atmospheres or less (more than 3 × 1.013 × 10 5 Pa and less than 1000 × 1.013 × 10 5 Pa), more preferably more than 10 atmospheres and 500 atmospheres The range is below (over 10 × 1.013 × 10 5 Pa and below 500 × 1.013 × 10 5 Pa).
本発明において、前記原料の加熱条件は、例えば、300℃〜2400℃の範囲であり、例えば、GaN単結晶を製造する場合、好ましくは800℃〜1500℃の範囲であり、より好ましくは1000℃〜1400℃の範囲である。 In the present invention, the heating condition of the raw material is, for example, in the range of 300 ° C. to 2400 ° C., for example, when producing a GaN single crystal, preferably in the range of 800 ° C. to 1500 ° C., more preferably 1000 ° C. It is the range of -1400 degreeC.
本発明において、窒化ガリウム単結晶に不純物を導入するために、前記窒素(N)含有ガスに前記不純物を含ませることが好ましい。前記前記不純物は、例えば、珪素(Si)、アルミナ(Al2O3)インジウム(In)、アルミニウム(Al)、窒化インジウム(InN)、酸化珪素(SiO2)、酸化インジウム(In2O3)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、ゲルマニウム(Ge)等がある。 In the present invention, in order to introduce impurities into the gallium nitride single crystal, it is preferable that the nitrogen (N) -containing gas contains the impurities. Examples of the impurities include silicon (Si), alumina (Al 2 O 3 ) indium (In), aluminum (Al), indium nitride (InN), silicon oxide (SiO 2 ), and indium oxide (In 2 O 3 ). Zinc (Zn), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), germanium (Ge), and the like.
本発明において、予めIII族元素窒化物を準備し、これを結晶成長の核とし、この表面で前記単結晶を育成することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to prepare a group III element nitride in advance, use this as a nucleus for crystal growth, and grow the single crystal on this surface.
本発明において、核となるIII族元素窒化物は、単結晶であってもよいし、非晶質(アモルファス)であってもよい。また、核となる前記単結晶の形態は、特に制限されないが、例えば、薄膜の形態が好ましい。この薄膜は、基板の上に形成したものであってよい。基板の材質としては、例えば、非晶質窒化ガリウム(GaN)、非晶質窒化アルミニウム(AlN)、サファイア、シリコン(Si)、ガリウム・砒素(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ホウ素(BN)、酸化リチウムガリウム(LiGaO2)、ホウ素化ジルコニウム(ZrB2)、酸化亜鉛(ZnO)、各種ガラス、各種金属、リン化ホウ素(BP)、MoS2、LaAlO3、NbN、MnFe2O4、ZnFe2O4、ZrN、TiN、リン化ガリウム(GaP)、MgAl2O4、NdGaO3、LiAlO2、ScAlMgO4およびCa8La2(PO4)6O2等があり、このなかで、III族元素窒化物薄膜が好ましい。核となる薄膜の厚みは、特に制限されず、例えば、0.0005μm〜100000μm、好ましくは0.001μm〜50000μm、より好ましくは0.01μm〜5000μmの範囲である。III族元素窒化物単結晶薄膜は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD法)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、分子線エピタキシー法(MBE法)等によって、基板上に形成できる。また、基板上に窒化ガリウム薄膜を形成したものは、市販されているので、それを使用してもよい。前記薄膜の最大径は、例えば、2cm以上であり、好ましくは3cm以上であり、より好ましくは5cm以上であり、大きいほどよく、その上限は、限定されない。また、バルク状化合物半導体の規格が2インチであるから、この観点から、前記バルク状化合物半導体の最大径は5cmであることが好ましく、この場合、前記薄膜の最大径の範囲は、例えば、2cm〜5cmであり、好ましくは3cm〜5cmであり、より好ましくは5cmである。なお、前記最大径とは、前記薄膜表面の外周のある点と、その他の点を結ぶ線であって、最も長い線の長さをいう。 In the present invention, the group III element nitride serving as a nucleus may be a single crystal or may be amorphous. Further, the form of the single crystal serving as a nucleus is not particularly limited, but for example, the form of a thin film is preferable. This thin film may be formed on a substrate. Examples of the material of the substrate include amorphous gallium nitride (GaN), amorphous aluminum nitride (AlN), sapphire, silicon (Si), gallium / arsenic (GaAs), gallium nitride (GaN), and aluminum nitride (AlN). ), Silicon carbide (SiC), boron nitride (BN), lithium gallium oxide (LiGaO 2 ), zirconium boride (ZrB 2 ), zinc oxide (ZnO), various glasses, various metals, boron phosphide (BP), MoS 2 , LaAlO 3 , NbN, MnFe 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 , ZrN, TiN, gallium phosphide (GaP), MgAl 2 O 4 , NdGaO 3 , LiAlO 2 , ScAlMgO 4 and Ca 8 La 2 (PO 4 ) There are 6 O 2, etc., among this, III group element nitride films are preferred. The thickness of the thin film serving as a nucleus is not particularly limited, and is, for example, in the range of 0.0005 μm to 100,000 μm, preferably 0.001 μm to 50000 μm, and more preferably 0.01 μm to 5000 μm. The group III element nitride single crystal thin film can be formed on the substrate by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor deposition (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE) or the like. Moreover, since the thing which formed the gallium nitride thin film on the board | substrate is marketed, you may use it. The maximum diameter of the thin film is, for example, 2 cm or more, preferably 3 cm or more, more preferably 5 cm or more, and the larger the better, the upper limit is not limited. Further, since the standard of the bulk compound semiconductor is 2 inches, from this viewpoint, the maximum diameter of the bulk compound semiconductor is preferably 5 cm. In this case, the range of the maximum diameter of the thin film is, for example, 2 cm. -5 cm, preferably 3 cm-5 cm, more preferably 5 cm. The maximum diameter is a line connecting a point on the outer periphery of the thin film surface with other points and is the length of the longest line.
なお、前記結晶生成領域に予め準備したIII族元素窒化物上で、前記反応ガスがフローしていることが好ましい。前記反応ガスは、例えば、予め準備したIII族元素窒化物の横、水平もしくは斜め方向よりある角度をもって基板へフローさせることが好ましい。 It is preferable that the reaction gas flows on the group III element nitride prepared in advance in the crystal generation region. The reaction gas is preferably flowed to the substrate at a certain angle from the horizontal, horizontal, or oblique directions of the group III element nitride prepared in advance.
本発明において、前記薄膜を形成せずに、前記基板表面上に、直接、単結晶を育成してもよい。 In the present invention, a single crystal may be grown directly on the surface of the substrate without forming the thin film.
本発明において、前記窒化ガリウム単結晶の成長レートは、例えば、100μm/h以上であり、好ましくは500μm/h以上であり、より好ましくは1000μm/h以上である。前記成長レートは、例えば、雰囲気ガスの圧力を増加させたり、基板温度を低下させたり、原料供給領域の原料温度を増加させたりすることで、制御することができる。前記成長レートとは、1時間あたりに育成した窒化ガリウム単結晶の厚みを意味する。なお、前記窒化ガリウム単結晶の厚みは、結晶断面のSEM像の凸凹を平均化した値である。 In the present invention, the growth rate of the gallium nitride single crystal is, for example, 100 μm / h or more, preferably 500 μm / h or more, more preferably 1000 μm / h or more. The growth rate can be controlled, for example, by increasing the pressure of the atmospheric gas, lowering the substrate temperature, or increasing the raw material temperature in the raw material supply region. The growth rate means the thickness of the gallium nitride single crystal grown per hour. The thickness of the gallium nitride single crystal is a value obtained by averaging the unevenness of the SEM image of the crystal cross section.
本発明の製造装置は、本発明の製造方法に使用する窒化ガリウム単結晶の製造装置であって、前記原料の加熱手段と、前記単結晶の育成雰囲気の加圧手段とを有する装置である。前記加熱手段には、例えば、一般的加熱器が使用でき、前記加圧手段としては、例えば、供給ガス(例えば、キャリアガス、雰囲気ガス、反応ガス等)により加圧する手段がある。 The manufacturing apparatus of the present invention is an apparatus for manufacturing a gallium nitride single crystal used in the manufacturing method of the present invention, and includes an apparatus for heating the raw material and a pressing means for growing the single crystal. For example, a general heater can be used as the heating unit, and examples of the pressurizing unit include a unit that pressurizes with a supply gas (for example, a carrier gas, an atmospheric gas, a reactive gas, etc.).
前記装置は、さらに、前記原料に前記反応ガスをフローして結晶化する手段を有することが好ましく、さらに、原料供給領域と結晶生成領域を有し、前記原料供給領域に前記加熱手段と前記キャリアガス導入手段とが配置され、前記結晶生成領域に前記反応ガス導入手段が配置されていることが好ましい。 It is preferable that the apparatus further includes means for flowing and crystallizing the reaction gas to the raw material, further including a raw material supply region and a crystal generation region, and the heating means and the carrier in the raw material supply region. It is preferable that a gas introduction unit is disposed, and the reaction gas introduction unit is disposed in the crystal generation region.
また、本発明の製造装置は、前記原料供給領域と前記結晶生成領域とがバッフルにより分離されていることが好ましい。原料供給領域と結晶生成領域とを分離することで、結晶生成領域から原料供給領域へ原料やIII族窒化物等の混入を防止することができ、その結果、結晶生成領域内における窒化ガリウム単結晶の生成をより効率的に低減できる。 In the manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the raw material supply region and the crystal generation region are separated by a baffle. By separating the raw material supply region and the crystal generation region, it is possible to prevent mixing of raw materials and group III nitrides from the crystal generation region to the raw material supply region. As a result, the gallium nitride single crystal in the crystal generation region Can be more efficiently reduced.
つぎに、本発明の窒化ガリウム単結晶は、前記本発明の製造方法により得られたものである。 Next, the gallium nitride single crystal of the present invention is obtained by the production method of the present invention.
本発明の窒化ガリウム単結晶の半値全幅は、例えば、10秒〜1000秒の範囲であり、好ましくは30秒〜300秒の範囲である。前記半値全幅は、例えば、X線解析装置を用いたωスキャン測定の結果より求めることができる。 The full width at half maximum of the gallium nitride single crystal of the present invention is, for example, in the range of 10 seconds to 1000 seconds, and preferably in the range of 30 seconds to 300 seconds. The full width at half maximum can be obtained, for example, from the result of ω scan measurement using an X-ray analyzer.
つぎに、本発明の窒化ガリウム透明単結晶を使用した半導体装置としては、例えば、電界効果トランジスタ、発光ダイオード(LED)、半導体レーザ(LD)および光センサ等があるが、本発明の装置は、これらに限定されない。これらの他にも、本発明の単結晶を使用した半導体装置があり、例えば、p型半導体とn型半導体を単に接合しただけの単純な構造の半導体装置であって、前記半導体に本発明の単結晶を使用したもの(例えば、pnp型トランジスタ、npn型トランジスタ、npnp型サイリスタ等)や、絶縁層、絶縁基板若しくは絶縁性半導体として本発明の単結晶を使用した半導体装置等がある。本発明の半導体装置は、本発明の製造方法と、従来の方法を組み合わせて製造することができる。例えば、本発明の製造方法によりGaN基板を製造し、この上に、MOCVD法等により、半導体層を積層してもよい。その他に、本発明の製造方法により、半導体層を形成することも可能である。すなわち、まず、窒素(N)含有ガス雰囲気下で、本発明の製造方法によりn型GaN層を形成し、この上に、材料を代える他は前記と同様にして、p型GaN層を形成すると、pn接合の半導体装置が製造できる。このようすれば、電界効果トランジスタ、LED、LD、半導体光センサ、その他の半導体装置も製造できる。但し、本発明の半導体装置は、上記に示した製造方法に限定されず、その他の製造方法でも製造できる。 Next, examples of the semiconductor device using the gallium nitride transparent single crystal of the present invention include a field effect transistor, a light emitting diode (LED), a semiconductor laser (LD), and an optical sensor. It is not limited to these. In addition to these, there is a semiconductor device using the single crystal of the present invention, for example, a semiconductor device having a simple structure in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are simply joined. There are a device using a single crystal (for example, a pnp transistor, an npn transistor, an npnp thyristor, etc.), a semiconductor device using the single crystal of the present invention as an insulating layer, an insulating substrate, or an insulating semiconductor. The semiconductor device of the present invention can be manufactured by combining the manufacturing method of the present invention and a conventional method. For example, a GaN substrate may be manufactured by the manufacturing method of the present invention, and a semiconductor layer may be stacked thereon by MOCVD or the like. In addition, a semiconductor layer can be formed by the manufacturing method of the present invention. That is, first, an n-type GaN layer is formed by the manufacturing method of the present invention in a nitrogen (N) -containing gas atmosphere, and a p-type GaN layer is formed thereon in the same manner as described above except that the material is changed. A pn junction semiconductor device can be manufactured. In this way, field effect transistors, LEDs, LDs, semiconductor optical sensors, and other semiconductor devices can be manufactured. However, the semiconductor device of the present invention is not limited to the manufacturing method described above, and can be manufactured by other manufacturing methods.
つぎに、本発明の製造方法の一例について図1に基づき説明する。 Next, an example of the production method of the present invention will be described with reference to FIG.
図1に、本発明で使用する製造装置の一例を示す。図示のように、耐熱耐圧反応容器(図示せず)の中に、坩堝1を配置し、これに、単結晶原料(例えば、GaN粉末やGa金属等)2を充填する。前記坩堝1は、特に制限されないが、例えば、BN坩堝、AlN坩堝、アルミナ坩堝、SiC坩堝、グラファイト坩堝、ダイヤモンドライクカーボン等の炭素系材料の坩堝等が使用できる。そして、坩堝1の上方には、基板3を配置する。前記基板3と前記原料2との距離は、例えば、2mm〜200mm、好ましくは3mm〜50mm、より好ましくは5mm〜30mmである。そして、坩堝1を1000℃程度に加熱するとともに、前記耐熱耐圧容器中に、NH3ガスとN2ガスとの混合ガスを導入し、圧力を約5気圧(5×1.013×105Pa)程度とする。原料2は、加熱により昇華、または分解蒸発し、気体となる。基板3表面で、分解した原料が反応ガスを反応して結晶化したり、GaNが冷却され再結晶化したりして、前記基板3表面で単結晶が成長する。この結晶育成の際に、加圧されているため、窒化ガリウムの分解が抑制され、しかも単結晶が一定の方向に揃って育成される。
FIG. 1 shows an example of a manufacturing apparatus used in the present invention. As shown in the figure, a
つぎに、図2Aに、本発明の製造装置のその他の例を示す。同図に示すように、この装置は、耐圧チャンバー21内に、加熱容器22が配置され、この加熱容器22内に、坩堝28が収容可能となっている。前記加熱容器22の下部の壁内には、原料加熱用ヒータ27が埋設されており、また、前記加熱容器22の上部天井には、ホルダーおよび基板ヒータ26を介して基板32が取り付け可能となっている。坩堝28は、図2Bに示すように、その中央に貫通孔cを有する。この坩堝28を、加熱容器22内に配置した場合、前記貫通孔cに位置合わせした状態で、キャリアガス導入管24が加熱容器22および耐圧チャンバー21の下部を貫通する状態で配置され、また、バッフル31が、坩堝28の上部に配置されて、これによって、原料供給領域29と、結晶生成領域30とが隔てられる。そして、基板32の取り付け部付近に、その先端が位置するように、反応ガス導入管23が、加熱容器22および耐圧チャンバー21の側壁(同図において右側上部側壁)を貫通した状態で配置されている。同図では反応ガス導入管23が水平方向に設置されているが、ある角度をもって斜めに取り付けられ、反応ガスが直接基板に供給されるような構成であれば、基板32に効率よく反応ガスが供給されるのでさらに好ましい。また、熱電対25が、加熱容器22および耐圧チャンバー21の下部側壁(同図において左側下部側壁)を貫通した状態で配置されている。
Next, FIG. 2A shows another example of the manufacturing apparatus of the present invention. As shown in the figure, in this apparatus, a
この装置を用いた窒化ガリウム単結晶の製造方法の一例を説明する。すなわち、まず、基板ヒータ26に基板32(例えば、サファイア基板、窒化物半導体基板等)を取り付け、坩堝28にGaN粉末等の結晶原料33を入れ、これを加熱容器22内部の所定の位置に配置する。この状態で、原料ヒータ27で坩堝28を加熱(例えば、1000℃)すると共に、キャリアガス(同図において矢印b)を導入管24から、坩堝28の貫通孔cを通して、基板32に向かって流し、かつ反応ガス(アンモニア(NH3)含有ガス)を導入管23から、基板32の表面付近に流す(同図において矢印a)ことによって原料と反応ガス中の窒素(N)とを反応させる。また、加熱容器22内部は、加圧状態(約5気圧(5×1.013×105Pa))とする。
すると、加熱されたGaN粉末は、分解して、下記式(1)のように、GaとNとに熱分解する。ただし、雰囲気ガス、キャリアガスおよび反応ガスに水素(H2)が含まれている場合には、下記式(3)および(4)のようにGaNが分解してGaを生じ、そのGaと前記水素(H2)とが反応して、GaHx、GaNxHなどが生成される。これは、Gaの活性化エネルギーよりも、GaHxの活性化エネルギーの方が小さいためである。これらは、中間生成物として作用するため、原料の分解反応および蒸発過程が促進され好ましい。また、Ga金属を原料とした場合においても、下記式(4)のように、例えば、GaHx等が生成される。
そして、キャリアガスによって、原料供給領域29から基板32表面付近の結晶生成領域30に向かって流れ、ここで、反応ガス中のアンモニア(NH3)が分解し生じたラジカル窒素と反応し結晶化し、基板32表面に堆積し、この結果、GaN単結晶が成長していく。なお、分解したGaと前記反応ガス中のアンモニア(NH3)との反応は、下記式(2)のとおりであり、GaHxと前記反応ガス中のアンモニア(NH3)との反応は、下記式(5)のとおりである。
GaN → Ga+(1/2)N2 (1)
Ga+NH3 → GaN+(3/2)H2 (2)
GaN+(3/2)H2 → Ga+NH3 (3)
Ga+(x/2)H2 → GaHx (4)
GaHx+NH3 → GaN+((3+x)/2)H2 (5)
An example of a method for producing a gallium nitride single crystal using this apparatus will be described. That is, first, a substrate 32 (for example, a sapphire substrate, a nitride semiconductor substrate, etc.) is attached to the
Then, the heated GaN powder is decomposed and thermally decomposed into Ga and N as shown in the following formula (1). However, when hydrogen (H 2 ) is contained in the atmosphere gas, the carrier gas, and the reaction gas, GaN is decomposed to generate Ga as in the following formulas (3) and (4), and the Ga and the above-mentioned Reaction with hydrogen (H 2 ) generates GaH x , GaN x H, and the like. This is because the activation energy of GaH x is smaller than the activation energy of Ga. Since these act as intermediate products, the decomposition reaction and evaporation process of the raw materials are promoted, which is preferable. Further, even when Ga metal is used as a raw material, for example, GaH x or the like is generated as in the following formula (4).
Then, the carrier gas flows from the raw
GaN → Ga + (1/2) N 2 (1)
Ga + NH 3 → GaN + (3/2) H 2 (2)
GaN + (3/2) H 2 → Ga + NH 3 (3)
Ga + (x / 2) H 2 → GaH x (4)
GaH x + NH 3 → GaN + ((3 + x) / 2) H 2 (5)
なお、前記基板32の表面は、予め、MOCVD法若しくはHVPE法等により、GaN薄膜を形成しておくことが好ましい。
In addition, it is preferable to form a GaN thin film on the surface of the
このようにして、本発明の窒化ガリウム単結晶が得られるが、本発明の製造方法以外の製造方法で、本発明の窒化ガリウム単結晶を製造してもよい。 In this way, the gallium nitride single crystal of the present invention is obtained by the manufacturing method other than the production method of the present invention may be produced gallium nitride single crystal of the present invention.
つぎに、本発明の実施例について、比較例と併せて説明する。なお、以下の実施例および比較例において、昇華法とは、原料を加熱により昇華し、冷却して再結晶化する方法、原料を加熱して分解し、蒸発させ、反応ガスと反応して結晶化する方法、原料を加熱して蒸発させ、反応ガスと反応して結晶化する方法を含む。 Next, examples of the present invention will be described together with comparative examples. In the following examples and comparative examples, the sublimation method is a method in which a raw material is sublimated by heating, cooled and recrystallized, the raw material is heated to decompose, evaporate, react with a reaction gas, and crystallize. And a method of heating and evaporating the raw material and reacting with the reaction gas to crystallize.
(参考例1−1〜1−7)
図1に示すように、耐熱耐圧反応容器(図示せず)の中に、坩堝1を配置し、これに、単結晶原料(GaN粉末)2を充填した。そして、坩堝1の上方には、基板3を配置した。そして、坩堝1を加熱するとともに、前記耐熱耐圧容器中に、NH3とN2との混合ガスを導入し、5気圧(5×1.013×105Pa)に加圧して、窒化ガリウム単結晶を昇華法により前記基板3表面上で育成した。この育成条件は、GaN粉末原料2g、基板と原料間距離140mm、基板材料:サファイア、供給NH3流量(10%NH3ガス):50sccm({50×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec))である。この単結晶の育成において、下記表1に示すように、参考例1−1〜1−4では、成長温度を1000℃〜1090℃の範囲で変化させた。また、下記表2に示すように、参考例1−5〜1−7では、育成温度を1000℃一定とし、NH3ガス濃度及びガス流量を変化させて、窒化ガリウム単結晶を育成した。
(Reference Examples 1-1 to 1-7)
As shown in FIG. 1, a
このようにして得られた参考例1−1〜1−7の窒化ガリウム単結晶について、走査電子顕微鏡(SEM)により観察して、平均厚み(平均膜厚)を求めた。この結果を、下記の表1および表2に示す。また、参考例1−1のSEM写真を図10(結晶表面SEM像)および図11(結晶断面SEM像)に示し、参考例1−2のSEM写真を図12(結晶表面SEM像)および図13(結晶断面SEM像)に示し、参考例1−3のSEM写真を図14(結晶表面SEM像)および図15(結晶断面SEM像)に示し、参考例1−4のSEM写真を図16(結晶表面SEM像)および図17(結晶断面SEM像)に示し、参考例1−5のSEM写真を図18(結晶表面SEM像)および図19(結晶断面SEM像)に示し、参考例1−6のSEM写真を図20(結晶表面SEM像)および図21(結晶断面SEM像)に示し、参考例1−7のSEM写真を図22(結晶表面SEM像)および図23(結晶断面SEM像)に示す。また、前記単結晶については、X線回析(XRD)測定も行った。参考例1−1のXRD測定結果を図3に、参考例1−2のXRD測定結果を図4に、参考例1−3のXRD測定結果を図5に、参考例1−4のXRD測定結果を図6に、参考例1−5のXRD測定結果を図7に、参考例1−6のXRD測定結果を図8に、参考例1−7のXRD測定結果を図9に、それぞれ示す。なお、平均膜厚測は、結晶断面のSEM像の凸凹を平均化した値であり、XRD測定は、X線解析装置を用いた2θ−ωスキャン測定によるものである。 The gallium nitride single crystals of Reference Examples 1-1 to 1-7 thus obtained were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average thickness (average film thickness) was determined. The results are shown in Table 1 and Table 2 below. Further, the SEM photograph of Reference Example 1-1 is shown in FIG. 10 (crystal surface SEM image) and FIG. 11 (crystal cross-sectional SEM image), and the SEM photograph of Reference Example 1-2 is shown in FIG. 12 (crystal surface SEM image) and FIG. 13 (crystal cross-sectional SEM image), the SEM photograph of Reference Example 1-3 is shown in FIG. 14 (crystal surface SEM image) and FIG. 15 (crystal cross-sectional SEM image), and the SEM photograph of Reference Example 1-4 is shown in FIG. (Crystal surface SEM image) and FIG. 17 (Crystal cross section SEM image), and SEM photographs of Reference Example 1-5 are shown in FIG. 18 (Crystal surface SEM image) and FIG. 19 (Crystal cross section SEM image). SEM photographs of -6 are shown in FIG. 20 (crystal surface SEM image) and FIG. 21 (crystal cross section SEM image), and SEM photographs of Reference Example 1-7 are shown in FIG. 22 (crystal surface SEM image) and FIG. Image). The single crystal was also subjected to X-ray diffraction (XRD) measurement. FIG. 3 shows the XRD measurement result of Reference Example 1-1, FIG. 4 shows the XRD measurement result of Reference Example 1-2, FIG. 5 shows the XRD measurement result of Reference Example 1-3, and XRD measurement of Reference Example 1-4. The results are shown in FIG. 6, the XRD measurement results of Reference Example 1-5 are shown in FIG. 7, the XRD measurement results of Reference Example 1-6 are shown in FIG. 8, and the XRD measurement results of Reference Example 1-7 are shown in FIG. . The average film thickness measurement is a value obtained by averaging the unevenness of the SEM image of the crystal cross section, and the XRD measurement is based on 2θ-ω scan measurement using an X-ray analyzer.
前記表1および表2に示すように、参考例1−1〜1−7では、後述の比較例1−1〜1−10よりも、単結晶の平均膜厚が大きかった。また、図3から図9のXRD測定結果に示すように、得られた単結晶は、一定の方向に揃って成長しており、特に、参考例1−6の単結晶では、ほぼ完全なc軸配向を示した。 As shown in Table 1 and Table 2, in Reference Examples 1-1 to 1-7, the average film thickness of the single crystal was larger than Comparative Examples 1-1 to 1-10 described later. Further, as shown in the XRD measurement results of FIGS. 3 to 9, the obtained single crystal is grown in a certain direction. In particular, in the single crystal of Reference Example 1-6, almost complete c Axial orientation was shown.
(比較例1−1〜1−10)
図1に示すように、耐熱耐圧反応容器(図示せず)の中に、坩堝1を配置し、これに、単結晶原料(GaN粉末)2を充填した。そして、坩堝1の上方には、基板3を配置した。そして、坩堝1を加熱するとともに、前記耐熱耐圧容器中に、NH3とN2の混合ガスを導入し、大気圧条件下(加圧なし)、窒化ガリウム単結晶を昇華法により前記基板3表面上で育成した。この育成条件は、GaN粉末原料2g、基板と原料間距離35mm、基板材料:サファイア、供給NH3流量(10%NH3ガス):50sccm({50×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec))である。この単結晶の育成において、下記表3に示すように、比較例1−1〜1−6では、成長温度を950℃〜1100℃の範囲で変化させた。また、下記表4に示すように、比較例1−7〜1−10では、育成温度を1000℃一定とし、NH3ガス濃度及びガス流量を変化させて、窒化ガリウム単結晶を育成した。
(Comparative Examples 1-1 to 1-10)
As shown in FIG. 1, a
比較例1−1〜1−10の窒化ガリウム単結晶の育成結果(平均膜厚)を、下記の表3および表4に示す。なお、平均膜厚は、参考例1と同様にして測定した。また、比較例1−3の単結晶のSEM写真を、図27(結晶表面SEM像)および図28(結晶断面SEM像)に示し、比較例1−8の単結晶のSEM写真を、図29(結晶表面SEM像)に示し、比較例1−9の単結晶のSEM写真を、図30(結晶表面SEM像)に示す。そして、実施例と同様にして、比較例1−3、1−8および1−9の単結晶について、XRD測定を行った。比較例1−3のXRD測定結果を図24に、比較例1−8のXRD測定結果を図25に、比較例1−9のXRD測定結果を図26に、それぞれ示す。 The growth results (average film thickness) of the gallium nitride single crystals of Comparative Examples 1-1 to 1-10 are shown in Tables 3 and 4 below. The average film thickness was measured in the same manner as in Reference Example 1. Moreover, the SEM photograph of the single crystal of Comparative Example 1-3 is shown in FIG. 27 (crystal surface SEM image) and FIG. 28 (crystal cross-sectional SEM image), and the SEM photograph of the single crystal of Comparative Example 1-8 is shown in FIG. (Crystal surface SEM image) and a SEM photograph of the single crystal of Comparative Example 1-9 is shown in FIG. 30 (Crystal surface SEM image). And it carried out similarly to the Example, and performed the XRD measurement about the single crystal of Comparative Examples 1-3, 1-8, and 1-9. The XRD measurement result of Comparative Example 1-3 is shown in FIG. 24, the XRD measurement result of Comparative Example 1-8 is shown in FIG. 25, and the XRD measurement result of Comparative Example 1-9 is shown in FIG.
前記表3および表4に示すように、比較例1−1〜1−10において、単結晶の生成が確認できたのは、比較例1−3、1−8および1−9のみであり、最も厚みの大きい比較例1−3の単結晶であっても、参考例1でえられたすべての単結晶より小さかった。また、図24から図26のXRD測定結果に示すように、比較例の単結晶の育成方向はランダムであった。 As shown in Table 3 and Table 4, in Comparative Examples 1-1 to 1-10, it was only Comparative Examples 1-3, 1-8 and 1-9 that the generation of single crystals could be confirmed. Even the single crystal of Comparative Example 1-3 having the largest thickness was smaller than all the single crystals obtained in Reference Example 1. Further, as shown in the XRD measurement results of FIGS. 24 to 26, the growth direction of the single crystal of the comparative example was random.
(実施例1−1〜1−3)
図2Aに示すように、耐圧チャンバー21の中に、坩堝28を配置し、これに、単結晶原料(GaN粉末)33を充填した。この育成条件は、GaN粉末4g、基板と原料間距離140mm、キャリアガス(N2:95%、H2:5%、流量:200sccm({200×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec)))、原料温度1150℃、雰囲気ガス(N2:100%)、反応ガス(NH3:100%、流量:200sccm({200×1.01325×105(Pa)×10-6(m3)}/60(sec)))、成長時間30minとした。H2ガスにより、GaNの分解蒸発が促進される。なお、雰囲気ガスとしては、N2にNH3が含有されていてもよいし、Arなどの不活性ガスであってよい。また、反応ガス中にもN2や不活性ガスが含有されていてもよい。この条件において、耐圧チャンバー21内の圧力を5気圧(5×1.013×105Pa)に加圧し、基板温度を900℃(実施例1−1)、1000℃(実施例1−2)および1100℃(実施例1−3)として、窒化ガリウム単結晶を育成した。
(Examples 1-1 to 1-3)
As shown in FIG. 2A, a
(比較例2−1〜2−3)
比較例2−1〜2−3として、耐圧チャンバー21内の圧力を大気圧条件下(加圧なし)とし、基板温度を900℃(比較例2−1)、970℃(比較例2−2)、1020℃(比較例2−3)とした以外は、前記実施例2と同様にして窒化ガリウム単結晶を育成した。
( Comparative Examples 2-1 to 2-3 )
As Comparative Examples 2-1 to 2-3 , the pressure in the pressure-
実施例1−1〜1−3および比較例2−1〜2−3の窒化ガリウム単結晶の育成結果(平均膜厚)を、下記表5に示す。なお、平均膜厚は、前記参考例1と同様にして測定した。また、実施例1−1の単結晶のSEM写真を、図31(結晶断面SEM像)に示し、実施例1−2の単結晶のSEM写真を、図32(結晶断面SEM像)に示し、実施例1−3単結晶のSEM写真を、図33(結晶断面SEM像)に示した。比較例2−1の単結晶のSEM写真を、図34(結晶断面SEM像)に示し、比較例2−2の単結晶のSEM写真を、図35(結晶断面SEM像)に示し、比較例2−3の単結晶のSEM写真を、図36(結晶断面SEM像)に示す。 Example 1 -1 1 -3 and Comparative Example 2 -1 2 -3 growth of gallium nitride single crystal results (average film thickness), shown in Table 5 below. The average film thickness was measured in the same manner as in Reference Example 1. Further, an SEM photograph of the single crystal of Example 1 -1, shown in FIG. 31 (crystal cross-sectional SEM image), the SEM photograph of the single crystal of Example 1 -2, shown in FIG. 32 (crystal cross-sectional SEM image), Example 1-3 A SEM photograph of single crystal is shown in FIG. 33 (crystal cross-sectional SEM image). The SEM photograph of the single crystal of Comparative Example 2 -1, shown in FIG. 34 (crystal cross-sectional SEM image), the SEM photograph of the single crystal of Comparative Example 2-2, shown in FIG. 35 (crystal cross-sectional SEM image), Comparative Example A SEM photograph of the 2-3 single crystal is shown in FIG. 36 (crystal cross-sectional SEM image).
前記表5に示すように、最も厚みの大きい比較例2−1および2−2の単結晶であっても、実施例1−1、1−2および1−3の単結晶と同じ若しくは小さかった。また、実施例1−3で得られた結晶は、実施例の中でも優れた結晶性を示した。 As shown in Table 5, even the most thickness greater Comparative Example 2 -1 and 2 -2 single crystal, Example 1 -1 was equal to or smaller as the single crystal of 1 -2 and 1 -3 . Further, the crystals obtained in Example 1-3 exhibited excellent crystallinity among the examples.
図37に、MOCVDでサファイア基板上に形成したGaN膜を、各温度、大気圧条件下(加圧なし)、または5気圧(5×1.013×105Pa))で15分間加熱し、育成した膜厚の減少量よりGaNの分解速度を見積もった結果を示す。結果より、加圧雰囲気中(5気圧(5×1.013×105Pa))では大幅にGaNの分解速度が低減していることが分かった。 In FIG. 37, the GaN film formed on the sapphire substrate by MOCVD is heated for 15 minutes at various temperatures, atmospheric pressure conditions (no pressure applied), or 5 atmospheric pressure (5 × 1.013 × 10 5 Pa)), The result of estimating the decomposition rate of GaN from the reduction amount of the grown film thickness is shown. From the results, it was found that the decomposition rate of GaN was greatly reduced in a pressurized atmosphere (5 atm (5 × 1.013 × 10 5 Pa)).
図38に、大気圧条件下(加圧なし)でGaN単結晶を育成した場合と5気圧(5×1.013×105Pa)でGaN単結晶を育成した場合の基板温度と成長レートとの関係を示す。加圧雰囲気中(5気圧(5×1.013×105Pa))で育成した場合、最大で、130μm/hというGaN単結晶の高い成長レートが得られた。この結果より、加圧雰囲気中で、結晶成長することにより基板上でのGaNの分解が抑制され、高い成長レートが得られることがわかった。 FIG. 38 shows the substrate temperature and growth rate when a GaN single crystal is grown under atmospheric pressure conditions (without pressure) and when a GaN single crystal is grown at 5 atm (5 × 1.013 × 10 5 Pa). The relationship is shown. When grown in a pressurized atmosphere (5 atm (5 × 1.013 × 10 5 Pa)), a high growth rate of a GaN single crystal of 130 μm / h at maximum was obtained. From this result, it was found that the crystal growth in a pressurized atmosphere suppresses the decomposition of GaN on the substrate, and a high growth rate can be obtained.
図39に、X線解析装置を用いたωスキャン測定の結果を示す。半値全幅を求めると、大気圧条件下(加圧なし)で育成したGaN単結晶では3546秒であったのに対し、5気圧(5×1.013×105Pa)で育成したGaN単結晶では、1155秒であった。加圧雰囲気中(5気圧(5×1.013×105Pa))で育成したGaN結晶の方が、結晶性の上でも向上することが示された。 FIG. 39 shows the results of ω scan measurement using an X-ray analyzer. When the full width at half maximum was determined, it was 3546 seconds for a GaN single crystal grown under atmospheric pressure conditions (no pressure applied), whereas a GaN single crystal grown at 5 atmospheric pressure (5 × 1.013 × 10 5 Pa). Then, it was 1155 seconds. It was shown that the GaN crystal grown in a pressurized atmosphere (5 atm (5 × 1.013 × 10 5 Pa)) is improved in terms of crystallinity.
以上のように、本発明の製造方法によれば、結晶育成時の分解を抑制してIII族元素窒化物単結晶を製造することができる。したがって、本発明の製造方法は、製造効率に優れる。また、本発明の製造方法によれば、III族元素窒化物単結晶を一定の方向に揃えて育成できるため、得られる単結晶が高品質となる。 As described above, according to the production method of the present invention, it is possible to produce a group III element nitride single crystal while suppressing decomposition during crystal growth. Therefore, the production method of the present invention is excellent in production efficiency. Further, according to the production method of the present invention, the group III element nitride single crystal can be grown in a certain direction, so that the obtained single crystal has high quality.
1、28 坩堝
2、33 GaN粉末
3、32 基板
21 耐圧チャンバー
22 加熱容器
23 反応ガス導入管
24 キャリアガス導入管
25 熱電対
26 基板ヒータ
27 原料ヒータ
29 原料供給領域
30 結晶生成領域
31 バッフル
a、b ガス導入方向
c 貫通孔
1, 28
Claims (33)
前記気化物が、GaH x を含み、前記単結晶の育成を加圧下で行うことを特徴とする窒化ガリウム単結晶の製造方法。 A method for producing a gallium nitride single crystal, wherein a single crystal is grown by crystallizing a vapor obtained from a raw material of the gallium nitride single crystal,
The method for producing a gallium nitride single crystal, wherein the vaporized material contains GaH x and the single crystal is grown under pressure .
前記原料を、水素の存在下、加熱して昇華または蒸発させて前記気化物を生成し、前記単結晶の育成を加圧下で行うことを特徴とする窒化ガリウム単結晶の製造方法。 A method for producing a gallium nitride single crystal in which a raw material of a gallium nitride single crystal is heated to sublimate or evaporate to form a vapor, and the single crystal is grown by crystallizing the vapor.
A method for producing a gallium nitride single crystal, wherein the raw material is heated in the presence of hydrogen to be sublimated or evaporated to produce the vaporized product, and the single crystal is grown under pressure .
前記原料の加熱手段と、前記単結晶の育成雰囲気の加圧手段を有する製造装置。The manufacturing apparatus which has a heating means of the said raw material, and a pressurizing means of the growth atmosphere of the said single crystal.
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