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JP4609207B2 - Periodic table group 13 metal nitride crystal manufacturing method and semiconductor device manufacturing method using the same - Google Patents
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Periodic table group 13 metal nitride crystal manufacturing method and semiconductor device manufacturing method using the same Download PDF

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Description

本発明は、GaN結晶等の周期表第13族(以下単に第13族と略す)金属の窒化物結晶の製造方法および該製造方法を用いた半導体デバイスの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride crystal of a Group 13 (hereinafter simply referred to as Group 13) metal such as a GaN crystal, and a method for producing a semiconductor device using the production method.

窒化ガリウム(GaN)に代表される第13族金属と窒素との化合物結晶は、発光ダイオード、レーザダイオード、高周波対応の電子デバイス等で使用される物質として有用である。現在、GaNの場合、公知の方法で製造されるGaN結晶サイズは10mm程度であり(非特許文献1参照)、半導体デバイスへの応用は不十分である。実用的なGaN結晶の製造方法としては、サファイア基板または炭化珪素等のような基板上にMOCVD(Metal−Organic Chemical Vapor Deposition)法により気相エピタキシャル成長を行う方法が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。   A compound crystal of a Group 13 metal typified by gallium nitride (GaN) and nitrogen is useful as a material used in a light emitting diode, a laser diode, an electronic device for high frequency, and the like. At present, in the case of GaN, the GaN crystal size produced by a known method is about 10 mm (see Non-Patent Document 1), and its application to semiconductor devices is insufficient. As a practical method for producing a GaN crystal, a method of performing vapor phase epitaxial growth by MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) method on a substrate such as a sapphire substrate or silicon carbide has been proposed (for example, non-patent) Reference 2).

しかし、上記方法では、格子定数および熱膨張係数の異なる異種基板上にGaN結晶をエピタキシャル成長させるため、得られたGaN結晶には多くの格子欠陥が存在する。そのような格子欠陥が多く存在するGaN結晶を用いた場合、電子素子の動作に悪影響を与え、青色レーザ等の応用分野で用いるためには満足すべき性能を発現することはできない。このため、近年、基板上に成長したGaNの結晶の品質の改善、GaNの塊状単結晶の製造技術の確立が強く望まれている。   However, in the above method, since the GaN crystal is epitaxially grown on different substrates having different lattice constants and thermal expansion coefficients, the obtained GaN crystal has many lattice defects. When such a GaN crystal having many lattice defects is used, the operation of the electronic device is adversely affected, and satisfactory performance for use in an application field such as a blue laser cannot be expressed. For this reason, in recent years, it has been strongly desired to improve the quality of GaN crystals grown on a substrate and to establish a manufacturing technique for GaN bulk single crystals.

現在、気相法によるヘテロエピタキシャルGaN結晶成長法では、GaN結晶の欠陥濃度を減らすために、複雑かつ長い工程が必要とされる。このため、最近では、GaNの単結晶化について精力的な研究がなされており、高温、高圧下で窒素とGaを反応させる高圧法(非特許文献3参照)、GaとNaN3とを昇圧下で反応させる方法(非特許文献4)、フラックス成長法(非特許文献1、5、6参照)等が提案されている。フラックスには、アルカリ金属が使われる場合が多いが、結晶の成長速度が遅く、大きさも10mm程度の板状結晶が得られているだけで、結晶の成長のメカニズムや、10mm程度の大きさで結晶の成長が停止してしまう原因等、不明な点が多い。一方、溶融塩中で電極にしたGa表面で窒素イオンを酸化させてGaNを生成させようとの試みがなされているが(非特許文献7参照)、工業化に至るプロセスは確立されていない。さらに、アモノサーマル法によるGaNの合成法(非特許文献8参照)も報告されているが、結晶サイズと格子欠陥数等に問題があり、工業化されるに至っていない。
応用物理 第71巻 第5 号(2002)548頁 J. Appl. Phys. 37 (1998) 309頁 J. Crystal Growth 178 (1977) 174頁 J. Crystal Growth 218 (2000) 712頁 J. Crystal Growth 260 (2004) 327頁 金属 Vol.73 No.11(2003)1060頁 第29回溶融塩化学討論会要旨集 (1997) 11頁 Acta Physica Polonica A Vol.88 (1995) 137頁
Currently, the heteroepitaxial GaN crystal growth method by the vapor phase method requires a complicated and long process in order to reduce the defect concentration of the GaN crystal. For this reason, recently, vigorous research has been conducted on crystallization of GaN, and a high pressure method in which nitrogen and Ga are reacted at high temperature and high pressure (see Non-Patent Document 3), and Ga and NaN 3 are reduced in pressure. (Non-Patent Document 4), a flux growth method (see Non-Patent Documents 1, 5, and 6), and the like have been proposed. Alkali metal is often used for the flux, but the crystal growth rate is slow and a plate-like crystal having a size of about 10 mm is obtained. There are many unclear points such as the cause of crystal growth stopping. On the other hand, attempts have been made to generate GaN by oxidizing nitrogen ions on the Ga surface used as an electrode in molten salt (see Non-Patent Document 7), but the process leading to industrialization has not been established. Furthermore, a method for synthesizing GaN by the ammonothermal method (see Non-Patent Document 8) has also been reported, but there are problems with the crystal size and the number of lattice defects, and it has not been industrialized.
Applied Physics Vol.71 No.5 (2002) 548 J. Appl. Phys. 37 (1998) 309 J. Crystal Growth 178 (1977) 174 J. Crystal Growth 218 (2000) 712 J. Crystal Growth 260 (2004) 327 Metal Vol.73 No.11 (2003) 1060 Abstracts of 29th Molten Salt Chemistry Conference (1997), p. 11 Acta Physica Polonica A Vol.88 (1995) 137

上記のように、気相法による基板上へのヘテロエピタキシャル結晶成長法では格子欠陥が少ない第13族金属の窒化物結晶は得られない。さらに、他の高圧を用いる方法では装置が大掛かりとなり、経済性は低い。さらに、超臨界状態のアンモニアを使うアモノサーマル法では装置や使う材料が非常に高価である。   As described above, a group 13 metal nitride crystal with few lattice defects cannot be obtained by a heteroepitaxial crystal growth method on a substrate by a vapor phase method. Furthermore, other methods using high pressure require a large apparatus and are not economical. Furthermore, in the ammonothermal method using supercritical ammonia, the equipment and materials used are very expensive.

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、低圧または常圧でも良質のGaN結晶等の第13族金属窒化物結晶を製造することができる方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and an object of the present invention is to produce a Group 13 metal nitride crystal such as a high-quality GaN crystal even at a low pressure or normal pressure. It is to provide a method that can do this.

さらに、本発明のもう一つの目的は、前記製造方法を用いた発光ダイオード、レーザダイオード、高周波対応の電子デバイス等の半導体デバイスの製造方法を提供することにある。   Furthermore, another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device such as a light emitting diode, a laser diode, and a high frequency electronic device using the above manufacturing method.

本発明者らは、上記の課題に鑑み、工業的に利用可能であり、さらに経済的な方法により、半導体デバイスに応用可能な結晶サイズを有し、かつ高品質な金属窒化物結晶を成長させる方法につき鋭意検討し、本発明を完成するに至った。   In view of the above-mentioned problems, the present inventors grow a high-quality metal nitride crystal having a crystal size that can be used industrially and can be applied to a semiconductor device by an economical method. The method has been intensively studied and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の目的は、以下の第13族金属窒化物結晶の製造方法により達成される。
[1] 第13族の金属元素を含む液相(A)と、第13族以外の金属元素を含有する窒化物を溶融塩に溶解した液相(b1)または第13族の金属元素と第13族以外の金属元素を含有する複合窒化物を含む固相(b2)もしくは液相(b3)のいずれかの相(B)との反応を、該反応によって生成する第13族金属以外の金属元素を含む副生成物を反応場から取り除きながら進行させることによって、第13族金属窒化物結晶を成長させることを特徴とする第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[2] 前記副生成物を前記液相(A)中に移動させることによって前記反応場から取り除くことを特徴とする[1]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[3] 前記液相(A)が前記副生成物と合金化しうることを特徴とする[1]または[2]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[4] 前記液相(A)と前記液相(b1)とを互いに分離した状態を維持しながら反応させることを特徴とする[1]〜[3]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[5] 前記液相(A)と前記液相(b1)とを交互に接触させながら反応させることを特徴とする[1]〜[4]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[6] 前記液相(A)と前記固相(b2)との間に前記液相(b3)を形成することを特徴とする[1]〜[3]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[7] 電気化学的反応によって、前記副生成物を前記反応場から前記液相(A)を経由して取り除くことを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[8] 前記電気化学反応のカソード反応において、前記副生成物を窒素ガスと反応させて窒化物にすることを特徴とする[7]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[9] 前記電気化学反応のカソード反応において、前記副生成物をカソード電極に含まれる金属元素と合金化することを特徴とする[7]に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[10] 前記液相(A)にハロゲンまたはハロゲン化物のガスを反応させることによって、前記副生成物を前記液相(A)から取り除くことを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[11] 前記反応場の近傍において、種結晶表面または基板上に前記結晶を成長させることを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[12] 酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムを含む容器を用いて、前記第13族金属窒化物結晶を成長させることを特徴とする[1]〜[11]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[13] 前記第13族以外の金属元素がアルカリ金属またはアルカリ土類金属であることを特徴とする[1]〜[12]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[14] 前記溶融塩が金属ハロゲン化物であることを特徴とする[1]〜[5]または[7]〜[13]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
[15] 前記液相(A)および/または前記液相(b1)が、ドーパント元素を含む単体または化合物を含有することを特徴とする[1]〜[14]のいずれか一項に記載の第13族金属窒化物結晶の製造方法。
That is, the object of the present invention is achieved by the following Group 13 metal nitride crystal production method.
[1] A liquid phase (A) containing a Group 13 metal element, a liquid phase (b1) obtained by dissolving a nitride containing a metal element other than Group 13 in a molten salt, or a Group 13 metal element and A metal other than the Group 13 metal produced by the reaction with the phase (B) of either the solid phase (b2) or the liquid phase (b3) containing the composite nitride containing a metal element other than Group 13 A method for producing a Group 13 metal nitride crystal, wherein a Group 13 metal nitride crystal is grown by advancing while removing a by-product containing an element from the reaction field.
[2] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to [1], wherein the by-product is removed from the reaction field by moving into the liquid phase (A).
[3] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to [1] or [2], wherein the liquid phase (A) can be alloyed with the by-product.
[4] The thirteenth aspect according to any one of [1] to [3], wherein the liquid phase (A) and the liquid phase (b1) are reacted while maintaining a separated state. Group metal nitride crystal manufacturing method.
[5] The group 13 metal nitriding according to any one of [1] to [4], wherein the liquid phase (A) and the liquid phase (b1) are reacted while being alternately contacted. Method for producing physical crystals.
[6] The liquid phase (b3) is formed between the liquid phase (A) and the solid phase (b2), according to any one of [1] to [3] A method for producing a group 13 metal nitride crystal.
[7] The method according to any one of [1] to [6], wherein the by-product is removed from the reaction field via the liquid phase (A) by an electrochemical reaction. A method for producing a group 13 metal nitride crystal.
[8] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to [7], wherein in the cathode reaction of the electrochemical reaction, the by-product is reacted with nitrogen gas to form a nitride.
[9] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to [7], wherein in the cathode reaction of the electrochemical reaction, the by-product is alloyed with a metal element contained in the cathode electrode.
[10] Any one of [1] to [6], wherein the by-product is removed from the liquid phase (A) by reacting the liquid phase (A) with a halogen or halide gas. A method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to one item.
[11] The group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [6], wherein the crystal is grown on a seed crystal surface or a substrate in the vicinity of the reaction field. Production method.
[12] The Group 13 metal according to any one of [1] to [11], wherein the Group 13 metal nitride crystal is grown using a container containing magnesium oxide or calcium oxide. A method for producing a nitride crystal.
[13] The production of a Group 13 metal nitride crystal as described in any one of [1] to [12], wherein the metal element other than the Group 13 is an alkali metal or an alkaline earth metal. Method.
[14] The method for producing a Group 13 metal nitride crystal according to any one of [1] to [5] or [7] to [13], wherein the molten salt is a metal halide. .
[15] The liquid phase (A) and / or the liquid phase (b1) contains a simple substance or a compound containing a dopant element, as described in any one of [1] to [14] A method for producing a Group 13 metal nitride crystal.

本発明のもう一つの目的は、上記[1]〜[15]のいずれかに記載の製造方法により第13族金属窒化物結晶を製造する工程を有する半導体デバイスの製造方法により達成される。   Another object of the present invention is achieved by a semiconductor device manufacturing method including a step of manufacturing a Group 13 metal nitride crystal by the manufacturing method according to any one of the above [1] to [15].

本発明の製造方法によれば、低圧または常圧でも良質の第13族金属窒化物バルク結晶を製造することができる。特に、第13族金属合金と好ましくは溶融塩または第13族金属に溶解したイオン化した窒素源とを反応させて第13族金属窒化物結晶を成長させるにあたり、結晶の成長界面付近において、前記第13族金属合金中の前記金属組成を一定範囲に制御することにより、厚膜状またはバルク状の結晶を効率よく作製できる。これにより本発明によれば、従来技術のような高温、高圧工程を経ることなく、かつ反応容器もアルカリ土類金属、または、Zr,Ti,Y,Ce等の酸化物から成る耐火材、特に、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、ジルコニア等の安価な塩基性耐火材料の容器を用いて、半導体デバイスに応用するのに十分なサイズを有する第13族金属窒化物結晶を製造できる。   According to the production method of the present invention, a high-quality Group 13 metal nitride bulk crystal can be produced even at low pressure or normal pressure. In particular, when growing a Group 13 metal nitride crystal by reacting a Group 13 metal alloy with an ionized nitrogen source preferably dissolved in a molten salt or a Group 13 metal, the crystal By controlling the metal composition in the group 13 metal alloy within a certain range, a thick film or bulk crystal can be produced efficiently. As a result, according to the present invention, the refractory material made of an oxide of alkaline earth metal or Zr, Ti, Y, Ce, etc., without the high temperature and high pressure process as in the prior art, and the reaction vessel, particularly, Using a container of an inexpensive basic refractory material such as magnesium oxide, calcium oxide or zirconia, a Group 13 metal nitride crystal having a size sufficient for application to a semiconductor device can be produced.

本発明の半導体デバイスの製造方法は、本発明の第13族金属窒化物結晶を製造する工程を有する。これにより本発明によれば、高周波対応可能な半導体デバイスを製造することができ、産業的に大きなメリットがある。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of manufacturing the Group 13 metal nitride crystal of the present invention. As a result, according to the present invention, a semiconductor device capable of supporting high frequencies can be manufactured, which has a great industrial advantage.

以下に、本発明の第13族金属窒化物結晶の製造方法およびその製造方法を用いた半導体デバイスの製造方法について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の代表例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、本明細書において「基板表面」とは、サファイア、SiC、ZnO等の基板表面のほか、形成された第13族金属窒化物結晶表面も含まれる。また、「反応場」とは、第13族の金属元素を含む液相(A)と、第13族以外の金属元素を含有する窒化物を溶融塩に溶解した液相(b1)または第13族の金属元素と第13族以外の金属元素を含有する複合窒化物を含む固相(b2)もしくは液相(b3)のいずれかの相(B)との界面近傍をいう。反応場では、各相の成分が他の相に互いに拡散することによって反応が進行する。液相(b3)は固相(b2)の一部が溶解して形成されていてもよい。
Below, the manufacturing method of the group 13 metal nitride crystal of this invention and the manufacturing method of the semiconductor device using the manufacturing method are demonstrated in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on representative examples of embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.
In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value. In addition, in the present specification, the “substrate surface” includes the surface of a substrate such as sapphire, SiC, ZnO, etc., as well as the surface of the formed group 13 metal nitride crystal. The “reaction field” means a liquid phase (A) containing a metal element belonging to Group 13 and a liquid phase (b1) obtained by dissolving a nitride containing a metal element other than Group 13 in a molten salt. This refers to the vicinity of the interface between the phase (B) of either the solid phase (b2) or the liquid phase (b3) containing a composite nitride containing a metal element other than Group 13 and a metal element other than Group 13. In the reaction field, the reaction proceeds as components of each phase diffuse into each other in the other phases. The liquid phase (b3) may be formed by dissolving a part of the solid phase (b2).

[第13属金属窒化物結晶の製造方法]
本発明の製造方法は、第13族の金属元素を含む液相(A)と、第13族以外の金属元素を含有する窒化物を溶融塩に溶解した液相(b1)または第13族の金属元素と第13族以外の金属元素を含有する複合窒化物を含む固相(b2)もしくは液相(b3)のいずれかの相(B)との反応を、該反応によって生成する第13族金属以外の金属元素を含む副生成物を反応場から取り除きながら進行させることによって、第13族金属窒化物結晶を成長させることを特徴とする。
[Method for producing Group 13 metal nitride crystal]
The production method of the present invention includes a liquid phase (A) containing a Group 13 metal element and a liquid phase (b1) obtained by dissolving a nitride containing a metal element other than Group 13 in a molten salt or a Group 13 metal element. Group 13 which produces | generates reaction with the phase (B) of either the solid phase (b2) or liquid phase (b3) containing the composite nitride containing metal elements and metal elements other than Group 13 by this reaction A group 13 metal nitride crystal is grown by advancing while removing a by-product containing a metal element other than a metal from the reaction field.

第13族の金属元素を含む液相(A)は、液状の第13族金属合金相であるのが好ましい。本発明の製造方法で用いられる第13族金属合金は、第13属の金属元素と第13族以外の金属元素からなる。第13属の金属としては、Ga、Al、In、GaAl、GaIn等を好ましい例として挙げることができる。また、第13族以外の金属元素としては、Li、Na、Ca、Mg等を挙げることができ、中でもLi、Caを好ましい元素として挙げることができる。好ましい第13族金属合金の具体例として、Ga−Li合金、Ga−Ca合金等を挙げることができる。   The liquid phase (A) containing a Group 13 metal element is preferably a liquid Group 13 metal alloy phase. The Group 13 metal alloy used in the production method of the present invention comprises a Group 13 metal element and a metal element other than Group 13. Preferred examples of the Group 13 metal include Ga, Al, In, GaAl, and GaIn. In addition, examples of the metal element other than the group 13 include Li, Na, Ca, and Mg, and among them, Li and Ca can be cited as preferable elements. Specific examples of preferable Group 13 metal alloys include Ga-Li alloys and Ga-Ca alloys.

本発明の製造方法で相(B)に用いられる窒化物は、第13族金属窒化物結晶を成長させる際の窒素源となる。この窒化物は、第13族以外の金属元素の窒化物、または前記第13族金属と前記第13族以外の金属元素との複合窒化物である。好ましい窒化物として、Li3N、Ca32、GaLi32、Ca3Ga24等を挙げることができる。これらを溶融塩または第13族金属に溶解して用いることができる。 The nitride used for the phase (B) in the production method of the present invention becomes a nitrogen source when growing a Group 13 metal nitride crystal. This nitride is a nitride of a metal element other than Group 13 or a composite nitride of the Group 13 metal and a metal element other than Group 13. Preferred nitrides include Li 3 N, Ca 3 N 2 , GaLi 3 N 2 , Ca 3 Ga 2 N 4 and the like. These can be used by dissolving in a molten salt or a Group 13 metal.

本発明では、窒化物を含む液相を上記の第13族金属またはその合金相である液相と反応させることができる。この場合、反応物質として第13族金属単体を用いた場合でも、反応の進行により第13族金属合金相となる。窒化物を含む液相は、第13族金属合金と反応するものであれば特に制限はないが、窒化物をイオン性の融体である溶融塩に溶解させたもの、あるいは第13族金属に溶解した液相が好ましい。特に、窒化物が飽和した溶融塩や第13族金属を用いることが好ましく、具体的には、過剰のLi3Nをアルカリハライドの溶融塩に混合し、飽和溶解度に保つために固体のLi3Nを共存させたものを例示することができる。このような表面張力が小さい液相を用いれば、第13族金属窒化物結晶と第13族金属合金との界面に容易に侵入することができる。 In the present invention, a liquid phase containing a nitride can be reacted with a liquid phase that is the above Group 13 metal or an alloy phase thereof. In this case, even when a Group 13 metal simple substance is used as a reactant, a Group 13 metal alloy phase is formed by the progress of the reaction. The liquid phase containing the nitride is not particularly limited as long as it reacts with the Group 13 metal alloy, but is obtained by dissolving the nitride in a molten salt that is an ionic melt, or a Group 13 metal. A dissolved liquid phase is preferred. In particular, it is preferable to use a molten salt or a Group 13 metal saturated with nitride. Specifically, an excess of Li 3 N is mixed with an alkali halide molten salt, and solid Li 3 is used to maintain saturation solubility. An example in which N coexists can be exemplified. If such a liquid phase having a low surface tension is used, it can easily enter the interface between the Group 13 metal nitride crystal and the Group 13 metal alloy.

また、本発明では、上記窒化物を直接、第13族金属と接触させて第13族金属の界面付近に上記窒化物の溶解した液相を作り、内部の第13族金属合金相と反応させることができる。また、第13族金属に窒化物を溶解する場合は、窒化物が、単体のLi3N、Ca32の場合、Ga金属、あるいは生成したGaNとの化学平衡から、GaLi32、Ca3Ga24等の複合窒化物が生成すると考えられるため、反応の窒化源としては、最初からGaLi32、Ca3Ga24等の複合窒化物にしておくことも望ましい方法である。また、それらの窒化物は化学的に合成された結晶性のものではなくともよく、例えばサファイア基板や石英等のガラス状の基板上に、反応性スパッター等で作製した化学量論組成からずれた混合窒化物膜であってもよい。こうしたドライプロセスで作られた窒化物薄膜は、第13族金属と接触させておくと、窒化物薄膜から第13族金属へ窒化物が少しずつ溶解し、界面付近に拡散支配の窒化物溶解相を形成できるため特に好ましい。また、反応によって第13族金属合金中に吐き出された合金成分の元素、例えば、Li、Ca等は、一般に第13族金属よりも密度が小さい場合が多く、反応場から速やかに第13族金属合金中に拡散するためには、第13族金属合金の下部で反応し、密度差により、反応場から除かれるようにすることが望ましい。 In the present invention, the nitride is directly brought into contact with the Group 13 metal to form a liquid phase in which the nitride is dissolved in the vicinity of the interface of the Group 13 metal, and is reacted with the internal Group 13 metal alloy phase. be able to. Further, when the nitride is dissolved in the Group 13 metal, when the nitride is a simple Li 3 N or Ca 3 N 2 , GaLi 3 N 2 , since Ca 3 Ga composite nitride such as 2 N 4 is considered to be generated, as the nitriding source of the reaction, it is also desirable to the first GaLi 3 N 2, Ca 3 Ga 2 N composite nitride such as 4 way It is. In addition, these nitrides do not have to be chemically synthesized crystalline and deviate from the stoichiometric composition produced by reactive sputtering on a glassy substrate such as a sapphire substrate or quartz. A mixed nitride film may be used. When the nitride thin film produced by such a dry process is kept in contact with the Group 13 metal, the nitride gradually dissolves from the nitride thin film to the Group 13 metal, and a diffusion-dominated nitride dissolution phase is formed near the interface. Is particularly preferable. Further, the elements of the alloy components discharged into the Group 13 metal alloy by the reaction, for example, Li, Ca, etc., are generally often less dense than the Group 13 metal, and the Group 13 metal is promptly released from the reaction field. In order to diffuse into the alloy, it is desirable to react at the bottom of the Group 13 metal alloy and be removed from the reaction field due to density differences.

本発明を溶融塩を用いて実施する場合、使用する溶融塩の種類は、第13族金属と窒素イオン源との反応の進行を阻害しないものであれば特に制限なく、例えば、ハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、イオウ化物等を挙げることができる。これらの中では、安定で窒化物の溶解性が高いことから、ハロゲン化物を用いることが好ましい。また溶融塩は、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を含む塩で、窒素イオン源の生成反応に供されるような化合物であることがさらに好ましい。
そのような観点から、溶融塩は、Li、Na、K等のアルカリ金属塩および/またはMg、Ca、Sr等のアルカリ土類金属塩であることが好ましく、アルカリ金属塩であることがより好ましく、特にLi塩であることが好ましい。さらに溶融塩は、LiCl、KCl、NaCl、CaCl2、BaCl2、CsCl、LiBr、KBr、CsBr等の金属ハロゲン化物であることも好ましく、LiCl、KCl、NaCl、CsClおよびそれらの混合塩のいずれかであることがさらに好ましい。
When carrying out the present invention using a molten salt, the type of the molten salt used is not particularly limited as long as it does not inhibit the progress of the reaction between the Group 13 metal and the nitrogen ion source. Examples thereof include salts, nitrates, and sulfides. Among these, it is preferable to use a halide because it is stable and the solubility of nitride is high. Further, the molten salt is a salt containing an alkali metal and / or an alkaline earth metal, and more preferably a compound that is used for a reaction for generating a nitrogen ion source.
From such a viewpoint, the molten salt is preferably an alkali metal salt such as Li, Na, or K and / or an alkaline earth metal salt such as Mg, Ca, or Sr, and more preferably an alkali metal salt. In particular, a Li salt is preferable. Further, the molten salt is preferably a metal halide such as LiCl, KCl, NaCl, CaCl 2 , BaCl 2 , CsCl, LiBr, KBr, CsBr, and any of LiCl, KCl, NaCl, CsCl and mixed salts thereof. More preferably.

上記溶融塩に水等の不純物が含まれている場合は、反応性気体を吹き込んで予め溶融塩を精製しておくことが望ましい。反応性気体としては、例えば、塩化水素、ヨウ化水素、臭化水素、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、塩素、臭素、ヨウ素等を挙げることができ、塩化物の溶融塩に対しては、特に塩化水素を用いることが好ましい。   When impurities such as water are contained in the molten salt, it is desirable to purify the molten salt in advance by blowing a reactive gas. Examples of the reactive gas include hydrogen chloride, hydrogen iodide, hydrogen bromide, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium iodide, chlorine, bromine, iodine and the like. In particular, it is preferable to use hydrogen chloride.

本発明の製造方法では、窒化物を含む液相を上記の第13族金属またはその合金相と接触させて反応させる。このとき、第13族金属窒化物結晶または基板を結晶成長のための種結晶として用いることが好ましい。種結晶の形状は特に制限されず、平板状であっても、棒状であってもよい。また、ホモエピタキシャル成長用の種結晶であってもよいし、ヘテロエピタキシャル成長用の種結晶であってもよい。具体的には、気相成長させたGaN、InGaN、AlGaN等の13族金属窒化物の種結晶を挙げることができる。また、サファイア、シリカ、ZnO、BeO等の金属酸化物や、SiC、Si等の珪素含有物や、GaAs等の気相成長等で基板として用いられる材料を挙げることもできる。これらの種結晶や基板の材料は、本発明で成長させる第13族金属窒化物結晶の格子定数にできるだけ近いものを選択することが好ましい。棒状の種結晶を用いる場合には、最初に種結晶部分で成長させ、次いで、主に水平方向に結晶成長を行い、その後、垂直方向に結晶成長を行うことによってバルク状の結晶を作製することもできる。水平方向の結晶成長を行う時は、容器の側壁までの適当な部分で結晶成長が停止するように、水平方向で第13族合金の組成分布ができるように制御することが好ましい。   In the production method of the present invention, a liquid phase containing nitride is brought into contact with the above Group 13 metal or an alloy phase thereof for reaction. At this time, it is preferable to use a Group 13 metal nitride crystal or a substrate as a seed crystal for crystal growth. The shape of the seed crystal is not particularly limited, and may be a flat plate shape or a rod shape. Further, it may be a seed crystal for homoepitaxial growth or a seed crystal for heteroepitaxial growth. Specifically, a seed crystal of a group 13 metal nitride such as GaN, InGaN, or AlGaN which has been vapor-phase grown can be used. In addition, metal oxides such as sapphire, silica, ZnO, and BeO, silicon-containing materials such as SiC and Si, and materials used as a substrate in vapor phase growth of GaAs and the like can be given. The seed crystal and substrate material are preferably selected as close as possible to the lattice constant of the Group 13 metal nitride crystal grown in the present invention. When a rod-shaped seed crystal is used, a bulk crystal is produced by first growing in the seed crystal portion, then performing crystal growth mainly in the horizontal direction, and then performing crystal growth in the vertical direction. You can also. When the crystal growth in the horizontal direction is performed, it is preferable to control the group 13 alloy composition distribution in the horizontal direction so that the crystal growth stops at an appropriate portion up to the side wall of the container.

本発明において、第13族金属合金としてGa−Li合金を用い、窒素源として窒化リチウムまたはガリウムリチウム窒化物を用いた場合の反応は、基本的には以下の式等で表される。
Ga + Li3N = GaN + 3Li (1)
Ga + GaLi32 = 2GaN + 3Li (1)’
GaN粉またはGaN微結晶を、Ga金属、リチウム金属、リチウム窒化物等とともにルツボで溶解して、GaN結晶を生成することは従来より公知である(中国特許公開第1288079A号公報)。しかし、従来の技術では、Ga金属、Li金属、リチウム窒化物、GaLi窒化物等は、GaN粉またはGaN微結晶を溶解するための溶解剤と考えられているため、それらは同一ルツボ内に混合しておかれていた。このとき、反応場に溶融塩は使われていない。このようにして得られる結晶の大きさはせいぜい5〜10mmで、薄い板状結晶しか得られなかった。また、小さな結晶しか得られない原因を解明することは、反応物質と生成物質が一緒に混合され、また、それらは互いに溶解している系では極めて困難であった。
In the present invention, the reaction when a Ga—Li alloy is used as the Group 13 metal alloy and lithium nitride or gallium lithium nitride is used as the nitrogen source is basically represented by the following equation or the like.
Ga + Li 3 N = GaN + 3Li (1)
Ga + GaLi 3 N 2 = 2GaN + 3Li (1) '
It is conventionally known that a GaN crystal is produced by melting GaN powder or GaN microcrystal together with Ga metal, lithium metal, lithium nitride or the like with a crucible (Chinese Patent Publication No. 1288079A). However, in the prior art, Ga metal, Li metal, lithium nitride, GaLi nitride, etc. are considered as a dissolving agent for dissolving GaN powder or GaN microcrystals, so they are mixed in the same crucible. It was kept. At this time, molten salt is not used in the reaction field. The size of the crystals thus obtained was at most 5 to 10 mm, and only thin plate crystals were obtained. Further, it is very difficult to elucidate the reason why only small crystals are obtained in a system in which the reactant and the product are mixed together and they are dissolved in each other.

反応式(1)、(1)’によって生成するLi金属は、反応源の一つであるGa金属に溶解するが、反応の進行とともにGa金属中のLi金属濃度は上昇し、式(1)、(1)’の反応は平衡に達して停止する。本発明者らは、このために従来の技術では結晶の成長が遅くて小さな結晶しか得られないと考え、この問題を解決する手段を有する本発明を開発した。
本発明においては、反応源であるGa金属と溶融塩中、または、Ga金属中に溶けているLi3N、GaLi32はそれぞれ別の液相を構成しており、反応式(1)、(1)’によって生成するLi金属は、反応源の一つであるGa金属に溶解する。反応の進行とともにGa金属中のLi金属濃度は上昇するが、Ga金属と合金をつくるLi金属を、何らかの手段で濃度を制御する。つまり、生成系側のLi濃度を、反応系側のGa合金に吸収させることによって、反応式(1)、(1)’の反応が常に右側に進行することが可能になる。窒化物との反応部分をGa金属の下部の方にすると、反応によって生成したLi金属は密度がGa金属よりも小さいため、Ga−Li合金中を上部の方向に移動し、上部でLi濃度が高くなる。つまり、反応部付近のGa−Li合金中を上部の方向に移動し、上部でLi濃度が高くなる。つまり、反応部付近のGa−Li合金中のLi濃度を自然に制御することができる。こうして上部で濃度の高くなったLiを何らかの方法で取り除く。1つの方法としては、電気化学的な方法等でGa金属合金相から取り除くことにより、Ga金属合金相の組成を一定範囲内にして式(1)、(1)’の反応を連続的に行わせることができる。
Li metal produced by the reaction formulas (1) and (1) ′ is dissolved in Ga metal which is one of the reaction sources, but as the reaction proceeds, the Li metal concentration in the Ga metal increases, and the formula (1) , (1) 'reaction reaches equilibrium and stops. For this reason, the inventors of the present invention considered that the growth of crystals is slow and that only a small crystal can be obtained by the conventional technique, and developed the present invention having means for solving this problem.
In the present invention, Ga metal as a reaction source and Li 3 N and GaLi 3 N 2 dissolved in the molten salt or Ga metal constitute separate liquid phases, respectively, and the reaction formula (1) , (1) ′, Li metal is dissolved in Ga metal which is one of the reaction sources. The Li metal concentration in the Ga metal increases with the progress of the reaction, but the concentration of the Li metal that forms an alloy with the Ga metal is controlled by some means. That is, by allowing the reaction system side Ga alloy to absorb the Li concentration on the production system side, the reactions of the reaction formulas (1) and (1) ′ can always proceed to the right side. When the reaction portion with the nitride is directed to the lower part of the Ga metal, the Li metal produced by the reaction has a density lower than that of the Ga metal, and therefore moves in the Ga-Li alloy in the upper direction, and the Li concentration is higher in the upper part. Get higher. That is, it moves in the upper direction in the Ga—Li alloy near the reaction part, and the Li concentration becomes higher at the upper part. That is, the Li concentration in the Ga—Li alloy near the reaction part can be controlled naturally. Thus, the Li having a high concentration at the top is removed by some method. As one method, the reaction of the formulas (1) and (1) ′ is continuously performed by removing the Ga metal alloy phase by an electrochemical method or the like so that the composition of the Ga metal alloy phase is within a certain range. Can be made.

窒素源を含んだ溶融塩をGaのような低融点の第13族金属の液体上に浮かし、Ga金属の表面に種結晶を置くと、種結晶表面と液体Ga金属の間に溶融塩が入り込み、薄膜状の窒化物溶解相を形成して結晶の成長を行うことができる。結晶の成長に伴い、反応生成物であるアルカリ金属元素(Li)は、液体Ga金属に溶解して合金となる。このとき、アルカリ金属元素(Li)を取り除く方法として、例えば、液体Ga合金をアノード溶解して溶融塩にLiイオンの形で溶解させ、さらに浴中のカソード側ではLiと合金化するGaやAl等の金属をカソード電極にする方法を採用することができ、これによって容易にLiを回収することができる。また、電気化学的な方法以外としては、第13族金属合金を別の反応容器に移し、そこで組成を調整した後、結晶成長の反応器に戻す方法もある。また、Li金属濃度の上昇した第13族金属合金を別の容器に導き、そこでハロゲンまたはハロゲン化物のガスを反応させることによりLiハロゲン化物とする方法もある。生成したLiハロゲン化物は溶融塩に容易に溶解する。   When a molten salt containing a nitrogen source is floated on a low melting point Group 13 metal liquid such as Ga and a seed crystal is placed on the surface of the Ga metal, the molten salt enters between the seed crystal surface and the liquid Ga metal. A thin film-like nitride dissolved phase can be formed to grow a crystal. As the crystal grows, the alkali metal element (Li), which is a reaction product, dissolves in the liquid Ga metal to form an alloy. At this time, as a method of removing the alkali metal element (Li), for example, Ga or Al which is dissolved in the form of Li ions in the molten salt by anodic dissolution of the liquid Ga alloy and alloyed with Li on the cathode side in the bath A method of using a metal such as a cathode as a cathode electrode can be employed, whereby Li can be easily recovered. In addition to the electrochemical method, there is also a method of transferring the Group 13 metal alloy to another reaction vessel, adjusting the composition there, and then returning it to the crystal growth reactor. There is also a method in which a Group 13 metal alloy having an increased Li metal concentration is led to another container, where a halogen or halide gas is reacted to form Li halide. The produced Li halide is easily dissolved in the molten salt.

これらの方法によって、本発明では、反応場に近いGa金属合金相の組成を一定範囲内にして式(1)、(1)’の反応を連続的に行わせることができる。ここでいう一定範囲内とは、Ga金属合金相におけるGa含有率の変動幅が±25原子%以内であることを意味し、±10原子%以内であることがより好ましく、±5原子%以内であることがさらに好ましい。
このようにして第13族窒化物結晶の成長界面付近において、第13族金属合金相の組成を一定範囲に制御することにより、厚膜状またはバルク状の第13族金属窒化物の結晶を成長させることが可能になる。また、本発明によって得られる第13族窒化物結晶の品質は、このようにして制御される反応のスピードにも左右される。Ga金属との合金をつくるLi金属の濃度により反応速度が変化するため、合金の組成も最適値を選ぶようにするのが好ましい。
By these methods, in the present invention, the reactions of the formulas (1) and (1) ′ can be continuously performed with the composition of the Ga metal alloy phase close to the reaction field within a certain range. The term “within a certain range” means that the fluctuation range of the Ga content in the Ga metal alloy phase is within ± 25 atomic%, more preferably within ± 10 atomic%, more preferably within ± 5 atomic%. More preferably.
Thus, by controlling the composition of the group 13 metal alloy phase within a certain range in the vicinity of the growth interface of the group 13 nitride crystal, a thick or bulk group 13 metal nitride crystal is grown. It becomes possible to make it. The quality of the Group 13 nitride crystals obtained by the present invention also depends on the reaction speed controlled in this way. Since the reaction rate varies depending on the concentration of Li metal that forms an alloy with Ga metal, it is preferable to select an optimum composition for the alloy.

本発明において、第13族金属と窒素源との反応は、前記液相界面あるいは基板表面で行われるが、反応温度としては、通常200〜1000℃であり、好ましくは400〜850℃、さらに好ましくは、600〜800℃である。   In the present invention, the reaction between the Group 13 metal and the nitrogen source is carried out at the liquid phase interface or the substrate surface. The reaction temperature is usually 200 to 1000 ° C., preferably 400 to 850 ° C., more preferably. Is 600-800 degreeC.

本発明において、窒素源を溶融塩に溶解させて用いれば、窒素源の化合物の融点より低温で用いることが可能となる。また、過剰の窒素源を入れておけば、溶融塩中の濃度は飽和溶解度となり、式(1)、(1)’におけるLi3N、GaLi32の活量は1となるため好ましい。また、溶融塩と第13属金属合金とは完全に別の相として存在し、それらの界面での反応も均一で、また、反応の速度を促進できるため好ましい。窒化物溶解相を第13族金属内に作る場合には、窒化物の固体を第13族金属に接触させ、接触部分からの溶解、自然拡散によって界面に窒化物の溶解した液相を作り、対流などでこの相の形状が乱されないようにするのが好ましい。また、ドーピングを目的として第13属金属以外の物質を用いたい場合は、溶融塩あるいは第13族金属合金に添加することによって、本発明の製造工程内で目的を達成することができる。 In the present invention, if a nitrogen source is dissolved in a molten salt, it can be used at a temperature lower than the melting point of the nitrogen source compound. Further, if an excessive nitrogen source is added, the concentration in the molten salt becomes saturated solubility, and the activities of Li 3 N and GaLi 3 N 2 in the formulas (1) and (1) ′ are preferably 1. Also, the molten salt and the Group 13 metal alloy are preferable because they exist as completely separate phases, the reaction at their interface is uniform, and the rate of the reaction can be accelerated. In the case where the nitride-dissolved phase is formed in the Group 13 metal, the nitride solid is brought into contact with the Group 13 metal, and a liquid phase in which the nitride is dissolved is formed at the interface by dissolution from the contact portion and natural diffusion. It is preferable that the shape of this phase is not disturbed by convection. When a substance other than the Group 13 metal is used for the purpose of doping, the object can be achieved within the production process of the present invention by adding to a molten salt or a Group 13 metal alloy.

窒素源として用いるLi3N等の粉末は吸湿性があり、原料として用いると水分等を含みやすいため、反応系外からの水分等の不純物の混入を防ぐ観点から、Li3Nをあらかじめ、るつぼ等で加熱溶融した後に固化したものを用いるのがよい。
また、GaLi32は、GaNとLi3Nを約800℃で焼結するか、あるいはGa−Li合金を窒素雰囲気中で600〜800℃で加熱処理することによって作製することができる。GaLi32は単独でも用いることができるが、Li窒化物と混合物にして用いてもよい。こうすることで溶融塩やGa合金に溶融しやすくすることができる。また、Li金属、Ga−Li合金をターゲットとして、窒素プラズマによる反応性スパッターを行い、Li−N、Ga−Li−Nの混合組成薄膜を作り、これをLi3N、GaLi32の代用とすることもできる。この場合は薄膜状の結晶を作るのに好都合であるばかりでなく、化学的には合成が困難な材料系、例えばGa−Naの複合窒化物のような材料でも作製が可能という長所がある。
Since powders such as Li 3 N used as a nitrogen source are hygroscopic and easily contain moisture etc. when used as a raw material, Li 3 N is preliminarily added to the crucible from the viewpoint of preventing the entry of impurities such as moisture from outside the reaction system. It is preferable to use a material that has been solidified after being melted by heating.
GaLi 3 N 2 can be produced by sintering GaN and Li 3 N at about 800 ° C. or by heat-treating a Ga—Li alloy at 600 to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. GaLi 3 N 2 can be used alone or as a mixture with Li nitride. By doing so, it can be easily melted into the molten salt or Ga alloy. Also, Li metal, the Gali alloy as a target, perform reactive sputtering using a nitrogen plasma, Li-N, make a mixed composition film of Gali-N, which Li 3 N, substitution of Gali 3 N 2 It can also be. In this case, not only is it convenient for producing a thin film-like crystal, but there is an advantage that a material system that is difficult to synthesize chemically, for example, a material such as Ga-Na composite nitride, can be produced.

本発明の製造方法により得られる第13族金属窒化物結晶は、単独金属のナイトライド(例えば、GaN、AlN、InN)または合成組成のナイトライド(例えば、GaInN、GaAlN)であり、特にGaNの結晶製造方法として好適に用いることができる。第13属金属窒化物の結晶成長は、種結晶を用いてまたは基板上に結晶を成長させることにより行うことが好ましい。   The Group 13 metal nitride crystal obtained by the production method of the present invention is a single metal nitride (for example, GaN, AlN, InN) or a nitride of a synthetic composition (for example, GaInN, GaAlN), particularly GaN. It can be suitably used as a crystal production method. Crystal growth of the Group 13 metal nitride is preferably performed using a seed crystal or by growing a crystal on a substrate.

次に、本発明の製造方法を図面を参照しながらさらに具体的に説明する。図1、図2、図3、図13、図14は、本発明を実施する際に用いる第13族金属窒化物結晶成長のための製造装置の構成例を示す図であり、図4、図5、図15は、本発明の実施例にて使用した装置を示す図である。また、図6は、溶融塩の精製装置の概略説明図であり、結晶成長に用いられる溶融塩はあらかじめこの装置により精製(主として脱水)しておくことが好ましい。   Next, the manufacturing method of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. 1, FIG. 2, FIG. 3, FIG. 13 and FIG. 14 are diagrams showing a configuration example of a manufacturing apparatus for growing a group 13 metal nitride crystal used in carrying out the present invention. 5 and 15 are diagrams showing the apparatus used in the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic explanatory diagram of the apparatus for purifying molten salt. It is preferable that the molten salt used for crystal growth is purified (mainly dehydrated) in advance by this apparatus.

塩化物等の溶融塩は、一般に吸湿性が強いために多くの水分を含んでいる。本発明を実施する際に水分を含んでいる溶融塩を用いると、反応容器内で第13族金属の酸化物が形成され、また、反応容器が腐食しやすくなることから好ましくない。そこで、図6に示すような試料密封型の前処理装置(溶融塩、熱技術の基礎、(株)アグネ技術センター発行p266参照)を用いて、予め水等の不純物を取り除いておくことが好ましい。図6に示す装置を用いて精製するときは、まず精製しようとする金属塩を精製容器25中に入れ、真空下またはガス排出口23から精製容器25内を真空に引きながら、塩精製装置用電気炉29の温度を昇温させ、さらにアルゴンガス等の不活性ガスまたは塩化水素ガス等の反応性ガス雰囲気に切り替えて金属塩を溶融させる。その後、溶融状態の金属塩に、塩化水素ガス等の反応性ガスをガス導入管24から多孔質フィルター26を介して約1時間以上吹き込んでバブリングを行う。バブリング終了後に、ガス導入管24側を減圧し、必要に応じてガス排出口23側から不活性ガスを用いて圧力をかけることにより、溶融塩を試料溜め27に移す。冷却後、真空状態にして試料溜め27の上部を封じ切ることで、精製試料を真空封入して保存する。なお、溶融塩中に上記方法では除去できない重金属等が含まれている場合には、この塩をさらにゾーンメルト法によって精製することが好ましい。   Molten salts such as chlorides generally contain a large amount of moisture because of their high hygroscopicity. When a molten salt containing water is used in carrying out the present invention, it is not preferable because an oxide of a Group 13 metal is formed in the reaction vessel and the reaction vessel is easily corroded. Therefore, it is preferable to remove impurities such as water in advance by using a sample-sealed pretreatment apparatus as shown in FIG. 6 (molten salt, basics of thermal technology, see p266 issued by Agne Technical Center Co., Ltd.). . When purifying using the apparatus shown in FIG. 6, first, the metal salt to be purified is placed in the purification container 25, and the inside of the purification container 25 is evacuated from the gas outlet 23 under vacuum or for the salt purification apparatus. The temperature of the electric furnace 29 is increased, and the metal salt is melted by switching to an inert gas atmosphere such as argon gas or a reactive gas atmosphere such as hydrogen chloride gas. Thereafter, a reactive gas such as hydrogen chloride gas is blown into the molten metal salt from the gas introduction pipe 24 through the porous filter 26 for about 1 hour or longer to perform bubbling. After bubbling is completed, the molten salt is transferred to the sample reservoir 27 by depressurizing the gas inlet tube 24 side and applying pressure using an inert gas from the gas outlet 23 side as necessary. After cooling, the purified sample is vacuum-sealed and stored by evacuating and sealing the upper portion of the sample reservoir 27. In addition, when heavy metals etc. which cannot be removed by the above method are contained in the molten salt, it is preferable to further purify the salt by the zone melt method.

次に、本発明の製造方法にしたがって第13族金属窒化物結晶を成長させる工程を具体的に説明する。ここでは、第13族の金属元素と第13族以外の金属元素からなる第13族金属合金としてGa−Li合金、溶融塩として図6の装置により精製したLiCl−KClの溶融塩、前記第13族金属以外の金属元素の窒化物としてLi3N、GaLi32を用いた場合を例にとって説明する。以下の説明は、これら以外の材料を選択した場合にも応用しうる。 Next, the step of growing a Group 13 metal nitride crystal according to the production method of the present invention will be specifically described. Here, a Ga—Li alloy as a Group 13 metal alloy composed of a Group 13 metal element and a metal element other than Group 13, a LiCl—KCl molten salt purified by the apparatus of FIG. 6 as the molten salt, A case where Li 3 N or GaLi 3 N 2 is used as a nitride of a metal element other than a group metal will be described as an example. The following description can also be applied when other materials are selected.

図1は、本発明を実施する際に用いる典型的な製造装置の模式図である。まず、酸化マグネシウムの反応容器15中にGa金属またはGa−Li合金4を入れ、その上に精製したLiClまたは2元共晶塩LiCl−KCl等の低融点をもつ溶融塩7を入れる。この溶融塩には、窒素源であるLi3N、GaLi32を飽和溶解度まで溶解させる。溶融塩の温度がLi3Nの融点(813℃)、GaLi32の融点よりも低い場合は、固体のLi3N塊8を溶融塩7に浮かせることにより飽和溶解度を保つことができる。GaLi32の場合は密度から溶融塩7とGa金属5の界面に保つ。ここで用いるLi3N塊は、別の反応容器でLi3Nを溶解、凝固させた後、砕いて作製しうる。Li3Nのような小さい密度をもつ窒化物の場合においては、溶融塩の密度がLi3N塊の密度(約1.4g/cm3)よりも非常に大きい場合、溶解したLi3Nが溶融塩の上方だけに分布し、Ga合金との界面付近のLi3N濃度が上がりにくくなるため、本発明では、Li3Nよりも僅かに高い密度を有する溶融塩を選択して用いることが好ましい。通常は、密度が1.6〜2.2g/cm3程度の溶融塩を使用する。なお、溶融塩中のLi3Nの濃度にバラツキがある場合は、静かに浴を撹拌してもよい。 FIG. 1 is a schematic view of a typical manufacturing apparatus used in carrying out the present invention. First, Ga metal or Ga-Li alloy 4 is placed in a magnesium oxide reaction vessel 15, and a molten salt 7 having a low melting point such as purified LiCl or binary eutectic salt LiCl-KCl is placed thereon. In this molten salt, Li 3 N and GaLi 3 N 2 which are nitrogen sources are dissolved to saturation solubility. When the temperature of the molten salt is lower than the melting point of Li 3 N (813 ° C.) and the melting point of GaLi 3 N 2 , saturation solubility can be maintained by floating the solid Li 3 N mass 8 in the molten salt 7. In the case of GaLi 3 N 2 , the interface between the molten salt 7 and the Ga metal 5 is maintained from the density. The Li 3 N lump used here can be prepared by dissolving and solidifying Li 3 N in another reaction vessel and then crushing it. In the case of a nitride having a small density such as Li 3 N, if the density of the molten salt is much larger than the density of the Li 3 N mass (about 1.4 g / cm 3 ), the dissolved Li 3 N is Since it is distributed only above the molten salt and the Li 3 N concentration near the interface with the Ga alloy is difficult to increase, in the present invention, a molten salt having a slightly higher density than Li 3 N can be selected and used. preferable. Usually, a molten salt having a density of about 1.6 to 2.2 g / cm 3 is used. If the concentration of Li 3 N in the molten salt varies, the bath may be gently stirred.

図中、1は成長中のGaN結晶である。上記溶融塩は、GaN結晶1とGa合金4の界面に侵入して薄膜状の窒化物溶解相14となり、Ga合金中のGaと上記式(1)に示す反応式にしたがってGaN結晶を生成し、副産物であるLi金属はGa金属と合金をつくる。   In the figure, 1 is a growing GaN crystal. The molten salt penetrates into the interface between the GaN crystal 1 and the Ga alloy 4 to form a thin-film nitride dissolved phase 14, and forms a GaN crystal according to the reaction formula shown in the Ga and the above equation (1). Li metal as a by-product forms an alloy with Ga metal.

式(1)における標準の自由エネルギΔG0は42.5kJ/mol(900K)であり、標準状態での反応は左辺側に偏っているが、Ga合金中のLi濃度が低い場合は反応は右側に進む。なお、このデータはThermochemical Data of Pure Substances: 2nd Edition (1993) 出版社:VCH Verlagsgesellschaft mbH, D6940 Weinheim (Federal Republic of Germany) から引用したものである。反応式(1)において、900Kにおける平衡状態のLiの活量aLiを求めると約0.15となる。これは、式(2)において△G=0(平衡条件)として計算したものである。
△G = △G0 + RT ln Kp (2)
Kp = aLi3GaN / aLi3NGaより、 aLi = exp(−△G0/3RT)
The standard free energy ΔG 0 in equation (1) is 42.5 kJ / mol (900 K), and the reaction in the standard state is biased to the left side, but when the Li concentration in the Ga alloy is low, the reaction is on the right side. Proceed to This data is quoted from Thermochemical Data of Pure Substances: 2nd Edition (1993) Publisher: VCH Verlagsgesellschaft mbH, D6940 Weinheim (Federal Republic of Germany). In the reaction formula (1), the Li activity a Li in an equilibrium state at 900 K is about 0.15. This is calculated as ΔG = 0 (equilibrium condition) in equation (2).
△ G = △ G 0 + RT ln Kp (2)
From Kp = a Li3 a GaN / a Li3N a Ga , a Li = exp (− △ G 0 / 3RT)

Ga−Liの2元系状態図(Landolt−Bornstein "Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology"New Series (Editor in Chief:W.Marienssen)
Group IV: Physical Chemistry, Volume 5 "Phase Equilibria, Crystallographic and Thermodynamic Data of Binary Alloys" を見ると明らかなように、この系は組成比1:1のところで高融点の金属間化合物を作ることから、Ga高濃度側(Li低濃度側)でのLiの活量係数はかなり小さいと考えられる。事実、上記状態図と共に記載されている活量線図ではLiの活量は50原子%−Liで約0.15(活量係数は約0.3)となる。Liが低濃度では活量係数はさらに低下し、10原子%−Li以下では0.01の桁になると考えられる。すなわちLiは活量は10-3を大きく下回る値にまで低下する。したがって、反応初期の極端に低いLi活量では式(1)の反応は非常に速やかに進行するが、反応に伴いGa合金中のLi濃度が増加すると反応は急速に進行し難くなり、50原子%−Liの組成に近づくと停止する。このように反応の進行程度によってGa合金中のLi濃度は大きく変動し、これに伴って反応速度も大きく変動する。安定に結晶を成長させるためには、このような反応速度の不安定化を回避しておくことが好ましい。
Ga-Li binary phase diagram (Landolt-Bornstein "Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology" New Series (Editor in Chief: W. Marienssen)
As seen in Group IV: Physical Chemistry, Volume 5 “Phase Equilibria, Crystallographic and Thermodynamic Data of Binary Alloys”, this system produces a high melting point intermetallic compound at a composition ratio of 1: 1. It is considered that the activity coefficient of Li on the high concentration side (Li low concentration side) is considerably small. In fact, in the activity diagram described together with the above phase diagram, the activity of Li is about 0.15 (activity coefficient is about 0.3) at 50 atomic% -Li. It is considered that the activity coefficient is further lowered when Li is at a low concentration, and is on the order of 0.01 below 10 atomic% -Li. That is, the activity of Li decreases to a value that is much less than 10 −3 . Accordingly, the reaction of formula (1) proceeds very rapidly at an extremely low Li activity at the beginning of the reaction, but the reaction does not proceed rapidly as the Li concentration in the Ga alloy increases with the reaction, and 50 atoms It stops when it approaches the composition of% -Li. Thus, the Li concentration in the Ga alloy varies greatly depending on the degree of progress of the reaction, and the reaction rate also varies greatly accordingly. In order to grow a crystal stably, it is preferable to avoid such instability of the reaction rate.

そこで本発明では、反応の進行に伴ってGa合金中に生成するLiを抜き取り、Li濃度を一定値に制御することが好ましい。例えば、図1や図2に示す装置を用いれば、Li濃度を一定値に制御することができる。図1の装置において、結晶1を図の矢印ように回転すると、結晶の下にあるGa合金4は遠心力で外側に動かされるため、容器内のGa合金4に矢印のような流動が起こる。このとき、容器内に仕切板6が設置されていると、その仕切板6の上部では容器内壁近傍のGa合金4の動きが遅くなり、式(1)により生成したLi金属の濃度がその部分で上昇する。その結果、容器内壁近傍ではLiの活量が高くなって式(1)の平衡は左よりとなり、溶融塩7とGa合金4の界面で余分なGaNが生成してクラスト状になるのを防ぐことができる。さらに、容器内壁近傍のGa合金にはカーボン製の電極9が差し込まれているため、合金はアノード溶解する。GaよりもLiの方が電位的に溶解し易いため、Liは容易にアノード溶解されて電解浴7中にイオンとして溶解し、カソード電極10で金属Liを生成する。図1では、生成した金属Liに窒素ガス12を反応させて、浴中でLi3Nを生成させ、再び窒素源として用いている。図2では、カソード電極16として液体のGaや固体または液体のAlを用い、析出した金属LiをGaまたはAlと合金化することによって、金属Liを固定化している。一方、GaN結晶1とGa合金4の界面に溶融塩が侵入することによって形成された薄膜状の窒化物溶解相14は、反応が進むと窒素源濃度が減少するため、バルクの浴7から窒素源を供給する必要がある。結晶成長が遅い場合には窒素源の供給に問題はないが、成長速度が速い場合には結晶1を成長の途中で僅かに上下に動かして、新しい電解浴を界面に取り込むようにすることが好ましい。このようにして、連続的にGaNの結晶を成長させることができる。 Therefore, in the present invention, it is preferable to extract Li generated in the Ga alloy as the reaction proceeds and to control the Li concentration to a constant value. For example, if the apparatus shown in FIGS. 1 and 2 is used, the Li concentration can be controlled to a constant value. In the apparatus of FIG. 1, when the crystal 1 is rotated as indicated by the arrow in the figure, the Ga alloy 4 under the crystal is moved outward by centrifugal force, so that the Ga alloy 4 in the container flows as indicated by the arrow. At this time, if the partition plate 6 is installed in the container, the movement of the Ga alloy 4 in the vicinity of the inner wall of the container is slow in the upper part of the partition plate 6, and the concentration of the Li metal generated by the equation (1) To rise. As a result, in the vicinity of the inner wall of the container, the activity of Li is increased, and the equilibrium of the formula (1) is from the left, preventing excessive GaN from being formed at the interface between the molten salt 7 and the Ga alloy 4 and becoming crusted. be able to. Furthermore, since the carbon electrode 9 is inserted into the Ga alloy near the inner wall of the container, the alloy is anodic dissolved. Since Li is easier to dissolve in terms of potential than Ga, Li is easily anodicly dissolved and dissolved as ions in the electrolytic bath 7 to produce metallic Li at the cathode electrode 10. In FIG. 1, nitrogen gas 12 is reacted with the produced metal Li to produce Li 3 N in a bath and used again as a nitrogen source. In FIG. 2, liquid Ga or solid or liquid Al is used as the cathode electrode 16, and the deposited metal Li is alloyed with Ga or Al to immobilize the metal Li. On the other hand, the thin film nitride dissolved phase 14 formed by the molten salt entering the interface between the GaN crystal 1 and the Ga alloy 4 decreases the nitrogen source concentration as the reaction proceeds. It is necessary to supply the source. When the crystal growth is slow, there is no problem with the supply of the nitrogen source, but when the growth rate is fast, the crystal 1 may be moved up and down slightly during the growth so that a new electrolytic bath is taken into the interface. preferable. In this way, GaN crystals can be continuously grown.

なお、生成した金属Liの濃度を制御する方法は、図1、2で示した電気化学的な方法に限定されない。例えば、金属Liの濃度が高くなったGa合金を容器の外部に取り出し、塩化水素ガスや、塩素ガス等のハロゲンガスを吹き込等の処理によってもGa合金中の金属Liを取り除くことが可能である。   In addition, the method of controlling the density | concentration of the produced | generated metal Li is not limited to the electrochemical method shown in FIG. For example, it is possible to remove the metal Li in the Ga alloy by taking out a Ga alloy having a high concentration of metal Li outside the container and blowing a halogen gas such as hydrogen chloride gas or chlorine gas. is there.

図3は、本発明を実施するのに適した別の形式の結晶成長装置である。酸化マグネシウムの反応容器15中にGa−Li合金4を入れ、その上に精製したLiClまたは、2元共晶塩LiCl−KCl等の低融点をもつ溶融塩7を入れる。また、前記溶融塩には、窒素源であるLi3N、GaLi32を飽和溶解度まで溶解させる。また、前記2液相の界面20にほぼ平行な回転軸を有する基板ホルダ21に複数の円盤状の基板19を載せ、これを回転させることによって板状の基板が前記溶融塩7と前記合金4を交互に接触するようにする。こうすることにより、基板が前記2液相界面20を通過するとき、および/または、基板表面に付着した溶融塩7が基板の回転によって前記合金内に入り込んだときに結晶成長が起こる。図3において、アノード電極9とカソード電極16は、前記合金4中の金属Liの濃度を制御するために使われる。つまり、Ga−Li合金4をアノードにすると、Liが優先的にアノード溶解し、電解浴7にイオンとして溶け出す。また、このLiイオンはカソード16で金属Liとして析出し、合金化する。したがって、電気化学的にGa−Li合金の組成を制御することが可能となる。 FIG. 3 is another type of crystal growth apparatus suitable for practicing the present invention. A Ga-Li alloy 4 is placed in a magnesium oxide reaction vessel 15, and a molten salt 7 having a low melting point such as purified LiCl or binary eutectic salt LiCl-KCl is placed thereon. Further, in the molten salt, Li 3 N and GaLi 3 N 2 which are nitrogen sources are dissolved to saturation solubility. Further, a plurality of disk-like substrates 19 are placed on a substrate holder 21 having a rotation axis substantially parallel to the interface 20 between the two liquid phases, and the plate-like substrate is rotated to rotate the molten salt 7 and the alloy 4. Are in contact with each other. By doing so, crystal growth occurs when the substrate passes through the two-liquid phase interface 20 and / or when the molten salt 7 attached to the substrate surface enters the alloy by rotation of the substrate. In FIG. 3, the anode electrode 9 and the cathode electrode 16 are used for controlling the concentration of metal Li in the alloy 4. That is, when the Ga—Li alloy 4 is used as an anode, Li is preferentially dissolved in the anode and dissolved into the electrolytic bath 7 as ions. The Li ions are deposited as metal Li at the cathode 16 and alloyed. Therefore, the composition of the Ga—Li alloy can be controlled electrochemically.

なお、基板間のGa合金からLi金属を均一にLiイオンとして溶融塩にアノード溶解するためには、基板間にカソード16を配置するのが有効であり、また、通常、基板は外周部を支持する構造が用いられるため、基板間に配置されたカソードは、基板の回転に伴い、基板ホルダ21にぶつからないように、回転運動と同期して可動する構造にするのが好ましい。   In order to anodically dissolve Li metal from the Ga alloy between the substrates as Li ions in the molten salt, it is effective to dispose the cathode 16 between the substrates, and the substrate usually supports the outer periphery. Therefore, the cathode disposed between the substrates is preferably configured to move in synchronization with the rotational movement so that the cathode does not collide with the substrate holder 21 as the substrate rotates.

基板19としては、例えばサファイア、SiC等を用いることができるが、板状のGaN結晶を用いることが好ましい。板状のGaN結晶の両面に結晶を成長させ、何枚かのウエハーを作り、それらの一枚を次の結晶成長用の基板とするのが好ましい。結晶の成長に合わせて、窒素源であるLi3N、GaLi32はリザーパ30から適宜補給するようにするとよい。 As the substrate 19, for example, sapphire, SiC or the like can be used, but a plate-like GaN crystal is preferably used. Crystals are preferably grown on both sides of a plate-like GaN crystal to form several wafers, and one of them is used as a substrate for the next crystal growth. It is preferable that Li 3 N and GaLi 3 N 2 that are nitrogen sources are appropriately supplied from the reservoir 30 as the crystal grows.

図13および図14は、窒化物の溶解した液相をGa−Li合金に作る場合の装置を示したものであり、化学的あるいは反応性スパッター等の物理的プロセスを使って別途作製したGaLi32等の窒化物8をマグネシアあるいはタングステン等の容器31内に固定し、Ga合金と直接接触させるようにして液体Ga金属の中に窒化物の溶解した液相32を作る。式(1)’にしたがって生成したGaNは、基板2の上にエピ成長し、Liは合金相4に取り込まれる。このとき、結晶の成長を促進するために、基板支持棒3をゆっくりと回転してもよい。なお、合金相4は反応が始まるとGa−Li合金となるため、最初はGa金属単体でもかまわない。このとき、反応によってLi濃度が高くなり密度が小さくなると、反応場近くのLi濃度の高い合金部分は上部に自然に移動するため、Ga合金の量が十分に多ければ、反応は止まることなく継続し、Ga合金の上部5でLi濃度が高くなるため、Li濃度を人為的に制御しなくても薄膜状のGaN結晶や小さなバルク状の結晶は製造可能である。GaNを厚膜またはバルクとして大きく成長させるためには、例えば図13で示した溶融塩7を合金4の上部に置き、Liをアノード溶解してカソード16へ移動させ、合金4中のLi濃度を制御すればよい。なお、固形状のGaLi32を作るには、GaN粉末とLi3N粉末を適当なフラックス、例えばアルカリハライド(LiCl等)を少量加えて焼結するとよい。また、最初にGa−Li合金を作製し、これを窒素雰囲気下600〜700℃にすると、GaLi32を作ることができる。これを砕いて、少量のアルカリハライドを加えて焼結する方法も簡便で有効な方法である。 FIGS. 13 and 14 show an apparatus for producing a liquid phase in which a nitride is dissolved in a Ga—Li alloy. GaLi 3 separately produced using a physical process such as chemical or reactive sputtering. A nitride 8 such as N 2 is fixed in a vessel 31 such as magnesia or tungsten, and a liquid phase 32 in which nitride is dissolved in liquid Ga metal is formed so as to be in direct contact with the Ga alloy. GaN produced according to the formula (1) ′ grows epitaxially on the substrate 2, and Li is taken into the alloy phase 4. At this time, the substrate support rod 3 may be slowly rotated in order to promote crystal growth. In addition, since the alloy phase 4 becomes a Ga—Li alloy when the reaction starts, it may be a Ga metal alone at first. At this time, when the Li concentration increases and the density decreases due to the reaction, the alloy portion with a high Li concentration near the reaction field moves naturally upward, so if the amount of Ga alloy is sufficiently large, the reaction continues without stopping. In addition, since the Li concentration is increased in the upper portion 5 of the Ga alloy, a thin GaN crystal or a small bulk crystal can be manufactured without artificially controlling the Li concentration. In order to greatly grow GaN as a thick film or bulk, for example, the molten salt 7 shown in FIG. 13 is placed on the upper part of the alloy 4, Li is anodically dissolved and moved to the cathode 16, and the Li concentration in the alloy 4 is increased. Control is sufficient. In order to produce solid GaLi 3 N 2 , GaN powder and Li 3 N powder may be sintered by adding a suitable flux, for example, a small amount of alkali halide (LiCl or the like). Further, the first time to prepare a Gali alloy, which is under a nitrogen atmosphere 600 to 700 ° C., can make GaLi 3 N 2. A method of crushing this and adding a small amount of alkali halide to sinter is also a simple and effective method.

また、図14は、スパッターなどのドライプロセスを使って、石英、サファイア、GaN等の基板34の上に、Ga−Li−N等の混合物からなる薄膜35を作り、Ga金属4と接触させて、窒化物溶解相34を作り、基板34上にGaN結晶を成長させる。図中、36は、結晶成長部分以外での窒化物薄膜35とGa金属4の反応を防ぐための仕切り板であり、材料としてはタングステン等が使われる。
また、反応容器内の雰囲気17は、窒素雰囲気でもよいが、窒素雰囲気だとGa−Li合金との界面でLiと反応して窒化物を作り、これがGaと反応して結晶性の悪いGaNを作りやすくなるといった悪影響を及ぼすため、本発明においては、雰囲気はAr等の不活性ガスの方が望ましい。
FIG. 14 shows a case where a thin film 35 made of a mixture such as Ga—Li—N is formed on a substrate 34 made of quartz, sapphire, GaN or the like by using a dry process such as sputtering and is brought into contact with the Ga metal 4. Then, a nitride dissolved phase 34 is formed, and a GaN crystal is grown on the substrate 34. In the figure, reference numeral 36 denotes a partition plate for preventing the reaction between the nitride thin film 35 and the Ga metal 4 at portions other than the crystal growth portion, and tungsten or the like is used as the material.
The atmosphere 17 in the reaction vessel may be a nitrogen atmosphere, but if it is a nitrogen atmosphere, it reacts with Li at the interface with the Ga—Li alloy to form a nitride, which reacts with Ga to form GaN with poor crystallinity. In the present invention, the atmosphere is preferably an inert gas such as Ar because it has an adverse effect that it is easy to make.

生成したGaNの解離圧は、生成の自由エネルギーから計算すると650℃で1気圧となり、一般には、大気圧で650℃以上の温度になると分解が始まるといわれている。しかし、本発明によれば、大気圧800℃の温度であっても合金あるいは溶融塩中でGaNがGa金属と窒素ガス等に分解することはない。また、式(1)から明らかなように、Ga合金中のLi濃度によりGaN結晶の溶解・析出を制御できるため、結晶成長の固液界面において再溶解と再結晶を繰り返すことができる。その結果、結晶の高品質化を図ることができるため、本発明は極めて有利である。   The dissociation pressure of the generated GaN is 1 atmosphere at 650 ° C. when calculated from the free energy of generation, and it is generally said that decomposition starts when the temperature reaches 650 ° C. or higher at atmospheric pressure. However, according to the present invention, even at an atmospheric pressure of 800 ° C., GaN does not decompose into Ga metal and nitrogen gas in the alloy or molten salt. Further, as apparent from the equation (1), since dissolution and precipitation of GaN crystals can be controlled by the Li concentration in the Ga alloy, remelting and recrystallization can be repeated at the solid-liquid interface of crystal growth. As a result, since the quality of the crystal can be improved, the present invention is extremely advantageous.

[半導体デバイスの製造方法]
本発明の製造方法は、半導体デバイスの製造方法における第13族金属窒化物結晶を製造する工程に用いることができる。その他の工程における原料、製造条件および装置は一般的な半導体デバイスの製造方法で用いられる原料、条件および装置をそのまま適用できる。
[Method for Manufacturing Semiconductor Device]
The manufacturing method of this invention can be used for the process of manufacturing the group 13 metal nitride crystal in the manufacturing method of a semiconductor device. The raw materials, conditions, and apparatuses used in general semiconductor device manufacturing methods can be applied as they are for the raw materials, manufacturing conditions, and apparatuses in other processes.

以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.

(実施例1)
図5に示す装置を用いて、GaNの種結晶や基板等を使わずに、溶融塩とGa−Li合金の界面でGaNの結晶成長を行った。溶融塩約4.6g、Li3N約0.6g、Ga−Li合金(Li約3原子%)約7gを酸化マグネシウムの反応容器(ルツボ)15の中に入れ、窒素雰囲気(大気圧)で溶解した。密度の関係で、図5に示すように溶融塩7の上相部とGa−Li合金4の下相部の2相に分離した状態となり、ブロック状のLi3N8は溶融塩浴に浮いた状態で飽和濃度まで溶解した。なお、Li3Nは予め別のルツボで窒素雰囲気中で溶解し、凝固したのち、砕いてブロック状にしたものを用いた。また、溶融塩としては、融点約370℃のLiCl−KClの2元系塩(60/40モル%)を用いた。LiCl−KCl2元系の各塩は、それぞれ単独で図6で示される装置を用いて塩を精製した後、サンプルを秤量し、真空下で溶解して混合塩とした。式(1)の反応で析出した金属LiがGa金属と合金をつくり、GaNの成長と共にLi濃度が上昇した。この上昇するLi濃度を一定に保つため、Ga−Li合金に電極9を入れてアノードとし、合金中のLiを溶融塩7中にイオンとしてアノード溶解させた。一方、溶融塩7中には、Ga金属の液体を入れたカソード16を置き、Liイオンを析出させ、Ga−Li合金をつくることによって、下相部のGa−Li合金の組成を制御した。
Example 1
Using the apparatus shown in FIG. 5, GaN crystal growth was performed at the interface between the molten salt and the Ga—Li alloy without using a GaN seed crystal or substrate. About 4.6 g of molten salt, about 0.6 g of Li 3 N, and about 7 g of a Ga—Li alloy (about 3 atomic% of Li) are put in a magnesium oxide reaction vessel (crucible) 15 in a nitrogen atmosphere (atmospheric pressure). Dissolved. Due to the density, as shown in FIG. 5, the molten salt 7 is separated into two phases, that is, the upper phase portion of the molten salt 7 and the lower phase portion of the Ga—Li alloy 4, and the block-like Li 3 N8 floats in the molten salt bath. Dissolved to saturation concentration. Li 3 N was previously melted in a nitrogen atmosphere with another crucible, solidified, and then crushed into a block shape. As the molten salt, a binary salt (60/40 mol%) of LiCl—KCl having a melting point of about 370 ° C. was used. Each salt of the LiCl-KCl binary system was purified by itself using the apparatus shown in FIG. 6, and the sample was weighed and dissolved under vacuum to obtain a mixed salt. The metal Li deposited by the reaction of formula (1) formed an alloy with Ga metal, and the Li concentration increased with the growth of GaN. In order to keep this rising Li concentration constant, the electrode 9 was put in a Ga—Li alloy to make an anode, and Li in the alloy was anodic dissolved as ions in the molten salt 7. On the other hand, in the molten salt 7, a cathode 16 containing a Ga metal liquid was placed, Li ions were precipitated, and a Ga—Li alloy was produced, thereby controlling the composition of the lower phase Ga—Li alloy.

反応容器15の内部温度を約780℃に維持し、40mAの電解電流を8時間流した(電気量は約1,000クーロン)。実験終了後、静置した状態で常温まで冷却し、Ga合金を完全に固化するために液体窒素を使って冷却し、金属成分を分離した後、ルツボの内容物を濃塩酸で溶出した。Ga−Li合金4のLi濃度は、ICP−AES標準添加法(Li)によると、実験前が3.2原子%、実験後が4.3原子%であり、実験中のLiの濃度変動は1原子%程度に抑えられたものと考えられる。なお、冷却過程で、Ga−Li合金の高融点をもつ金属間化合物が分離して2相に分離するため、分析はそれらの全量を一様に溶かして行った。このようにして取り出した透明な結晶性の粉(直径0.5〜1mm)の顕微鏡写真を図7に示す。図7から分かるように、結晶は渦巻き成長をしており、また、C面上で平らな面をもっていることから、合金4と電解浴7との界面で成長をしたものと考えられる。Ga−Li合金の密度よりも生成したGaNの方がやや大きいが、静置した場合、表面張力の関係で合金4と電解浴7との界面にかなりの部分は止まるものと考えられる。図8には、X線の回折データを示した。(002)からの回折ピークが大きいのが特徴的で、これから、C面が発達し、結晶性が高いことが分かる。得られた結晶のX線回折データの代表的回折ピークの半値幅を表1に示す。   The internal temperature of the reaction vessel 15 was maintained at about 780 ° C., and an electrolysis current of 40 mA was passed for 8 hours (the amount of electricity was about 1,000 coulombs). After the experiment was completed, the sample was allowed to stand and cooled to room temperature, cooled with liquid nitrogen to completely solidify the Ga alloy, the metal components were separated, and the contents of the crucible were eluted with concentrated hydrochloric acid. According to the ICP-AES standard addition method (Li), the Li concentration of the Ga-Li alloy 4 is 3.2 atomic% before the experiment and 4.3 atomic% after the experiment. It is thought that it was suppressed to about 1 atomic%. In addition, since the intermetallic compound having a high melting point of the Ga—Li alloy is separated and separated into two phases during the cooling process, the analysis was performed by dissolving all of them uniformly. FIG. 7 shows a photomicrograph of the transparent crystalline powder (diameter 0.5 to 1 mm) thus taken out. As can be seen from FIG. 7, the crystal grows in a vortex and has a flat surface on the C plane, so it is considered that the crystal has grown at the interface between the alloy 4 and the electrolytic bath 7. Although the generated GaN is slightly larger than the density of the Ga—Li alloy, it is considered that a considerable portion stops at the interface between the alloy 4 and the electrolytic bath 7 due to the surface tension when left standing. FIG. 8 shows X-ray diffraction data. It is characteristic that the diffraction peak from (002) is large. From this, it can be seen that the C plane is developed and the crystallinity is high. Table 1 shows the half widths of typical diffraction peaks of the X-ray diffraction data of the obtained crystals.

(実施例2)
電流を20mAとし、通電時間を16時間に延ばしたこと以外は実施例1と同じ条件で結晶成長を行った(電気量は実施例1とほぼ同じ約1000クーロン)。実施例1と同様に、得られた透明な粉末(直径0.5〜2mm)の顕微鏡写真とSEM写真を図9と図10にそれぞれ示した。結晶が平面的に大きくなっていること以外は実施例1と殆ど同じであり、また、Ga−Li合金のLi濃度は、実験前が2.9原子%、実験後が4.8原子%であった。
なお、X線の回折データは、実施例1と全く同じであるため図は省略した。なお、図9、図10に示した写真は、結晶粒の表面で、形態が似たような部分を選んで撮影しているが、同じ場所ではない。
(Example 2)
Crystal growth was performed under the same conditions as in Example 1 except that the current was set to 20 mA and the energization time was extended to 16 hours (the amount of electricity was approximately 1000 coulombs which was almost the same as in Example 1). Similarly to Example 1, micrographs and SEM photographs of the obtained transparent powder (diameter 0.5-2 mm) are shown in FIGS. 9 and 10, respectively. It is almost the same as Example 1 except that the crystal is enlarged in a plane, and the Li concentration of the Ga—Li alloy is 2.9 atomic% before the experiment and 4.8 atomic% after the experiment. there were.
Since the X-ray diffraction data is exactly the same as in Example 1, the illustration is omitted. Note that the photographs shown in FIG. 9 and FIG. 10 are taken by selecting a portion having a similar shape on the surface of the crystal grain, but it is not the same place.

(実施例3)
電極を備えていない図4の装置を用いたことと、電気分解を行わなかったこと以外は実施例1と同じ条件で結晶成長を行った。実験の時間は8時間である。得られた白色の粉末(直径0.5mm未満)の顕微鏡写真を図11に示した。Ga−Li合金4のLi濃度は、実験前が3.1原子%、実験後が13.7原子%であり、電気分解を行った実施例1、2に比べると大幅にGa−Li合金4のLi濃度は上昇しており、得られた粉末結晶の大きさも小さかった。X線の回折データの回折ピークの強度比は、実施例1、2と殆ど同じであるが、それぞれのピークの半値幅は表1に示すように、実施例1、2に比較してやや広くなっており、結晶性がやや悪化しているものと思われる。
(Example 3)
Crystal growth was performed under the same conditions as in Example 1 except that the apparatus of FIG. 4 without electrodes was used and electrolysis was not performed. The duration of the experiment is 8 hours. A micrograph of the obtained white powder (diameter less than 0.5 mm) is shown in FIG. The Li concentration of the Ga—Li alloy 4 is 3.1 atomic% before the experiment and 13.7 atomic% after the experiment, which is significantly higher than those of Examples 1 and 2 in which electrolysis was performed. The Li concentration was increased, and the size of the obtained powder crystals was small. The diffraction peak intensity ratio of the X-ray diffraction data is almost the same as in Examples 1 and 2, but the half-value width of each peak is slightly wider than in Examples 1 and 2, as shown in Table 1. It seems that the crystallinity is slightly deteriorated.

(実施例4)
実験時間を16時間に延ばしたこと以外は実施例3と同じ条件で結晶成長を行った。得られた白色の粉末結晶(直径0.5mm未満)の顕微鏡写真を図12に示した。実験の時間を延ばしたにもかかわらず、結晶の大きさは実施例3の結晶と比べてさほど大きくなっていない。また、Ga−Li合金4のLi濃度は、実験前が3.3原子%、実験後が14.1原子%であり、やはり電気分解を行った実施例1、2に比べると大幅にGa−Li合金4のLi濃度は上昇していた。X線の回折データの回折ピークの半値幅は表1に示すとおりであり、実施例1、2に比較してやや広くなっていた。
Example 4
Crystal growth was performed under the same conditions as in Example 3 except that the experiment time was extended to 16 hours. A photomicrograph of the resulting white powder crystal (diameter less than 0.5 mm) is shown in FIG. Despite extending the experiment time, the size of the crystal is not so large compared to the crystal of Example 3. Further, the Li concentration of the Ga—Li alloy 4 was 3.3 atomic% before the experiment and 14.1 atomic% after the experiment, which is significantly higher than that of Examples 1 and 2 in which electrolysis was performed. The Li concentration of the Li alloy 4 was increased. The full width at half maximum of the diffraction peak of the X-ray diffraction data is as shown in Table 1, which is slightly wider than that of Examples 1 and 2.

(実施例5)
Ga-Li合金に更にMgを約20重量%添加した以外は実施例3と同じ条件で結晶成長を行った。得られた白色の粉末(直径0.5mm未満)は、実施例3の顕微鏡写真(図11)と良く似ており、結晶中の不純物を誘導結合プラズマ発光分光、質量分析ICP−AES,QMSで測定分析した結果、それぞれ、Li0.0028重量%、Mg0.65重量%であった。実施例3における分析結果は、Li0.0034重量%、Mg0.0055重量%であり、Mgを合金に添加したことによって結晶内にドープされることが分かった。
なお、実施例3で生成した結晶においても、Mgが微量検出されるのは、坩堝に使用しているMgOが原因と推定された。
(Example 5)
Crystal growth was performed under the same conditions as in Example 3 except that about 20% by weight of Mg was further added to the Ga—Li alloy. The obtained white powder (diameter less than 0.5 mm) is very similar to the photomicrograph of FIG. 3 (FIG. 11). Impurities in the crystals are analyzed by inductively coupled plasma emission spectroscopy, mass spectrometry ICP-AES, QMS. As a result of measurement and analysis, they were respectively Li0.0028 wt% and Mg 0.65 wt%. The analysis results in Example 3 were Li 0.0034 wt% and Mg 0.0055 wt%, and it was found that Mg was doped into the crystal by adding Mg to the alloy.
In addition, also in the crystal produced in Example 3, it was presumed that MgO used in the crucible was caused by a trace amount of Mg.

(実施例6)
窒化ガリウムおよび窒化リチウム試薬(三津和化学製)を乳鉢を使って混合、モル比約1:1としたもの約2gをマグネシアの坩堝に入れ、800℃、窒素雰囲気下で約6時間焼成した。サンプルは、焼成前は灰色、赤紫の混合色であったが、焼成後は白っぽい灰色に変化した。図16は、このサンプルのX線データであるが、GaLi32が生成したことが分かる。
Li3Nの代わりに、このようにして合成したGaLi32を使い、実験温度を窒素雰囲気下740℃、溶融塩としてLiClを用いた以外は実施例3とほぼ同様の実験を行った。使用した溶融塩は、LiCl 4.3g、GaLi(Li3.2原子%)合金10.5g、GaLi32 0.60gである。なお、実験の温度は、高温では、GaLi32が溶融塩に溶ける以前に分解が始まるため、実施例3よりも低くし、また、反応での副生成物のLiはGaメタルに速やかに合金化するように約10gに増量した。密度の関係から、坩堝に入れられたGaLi32は、Li3Nとは異なり、塩とGaメタルの界面付近に存在すると考えられるが、最終的には、大部分は浴に溶けて、Gaメタルと界面で反応、GaNを生成すると考えられる。また、Ga−Li合金4のLi濃度は、実験前が3.2原子%、実験後が8.4原子%であった。Li3Nを使った実施例3に較べると、合金中のLiの上昇は少ないが、(1)’式のような反応が進んだ結果、Ga合金中のLi濃度が上がり、GaNが生成したものと考えられる。この実験で得られたGaN粉末の光学顕微鏡写真を図17に、またX線データの半値幅を表1に示す。Li3Nを使った実施例3に較べ、むしろ結晶性は良好な結果となった。
Example 6
About 2 g of gallium nitride and lithium nitride reagent (Mitsuwa Chemical Co., Ltd.) mixed in a mortar and having a molar ratio of about 1: 1 was put in a magnesia crucible and baked at 800 ° C. for about 6 hours in a nitrogen atmosphere. The sample had a mixed color of gray and magenta before firing, but changed to whitish gray after firing. FIG. 16 shows X-ray data of this sample, and it can be seen that GaLi 3 N 2 was generated.
The same experiment as in Example 3 was performed except that GaLi 3 N 2 synthesized in this way was used instead of Li 3 N, the experimental temperature was 740 ° C. under a nitrogen atmosphere, and LiCl was used as the molten salt. The molten salt used was 4.3 g of LiCl, 10.5 g of a GaLi (Li 3.2 atomic%) alloy, and 0.60 g of GaLi 3 N 2 . It should be noted that the temperature of the experiment is lower than that of Example 3 because decomposition starts before GaLi 3 N 2 dissolves in the molten salt at a high temperature, and Li as a by-product in the reaction is promptly changed to Ga metal. The amount was increased to about 10 g so as to form an alloy. From the relationship of density, it is considered that GaLi 3 N 2 put in the crucible exists near the interface between the salt and Ga metal, unlike Li 3 N, but in the end, most of it dissolves in the bath, It is thought to react with Ga metal and generate GaN. Further, the Li concentration of the Ga—Li alloy 4 was 3.2 atomic% before the experiment and 8.4 atomic% after the experiment. Compared with Example 3 using Li 3 N, the rise of Li in the alloy is small, but as a result of the reaction of formula (1) ′, the Li concentration in the Ga alloy is increased and GaN is generated. It is considered a thing. FIG. 17 shows an optical micrograph of the GaN powder obtained in this experiment, and Table 1 shows the full width at half maximum of the X-ray data. Compared to Example 3 using Li 3 N, the crystallinity was rather good.

(実施例7)
Ga合金の代わりに、純Gaを用い、また、窒素雰囲気をアルゴン雰囲気にした以外は、実施例6と同様の実験を行った。使用した溶融塩は、LiCl 4.2g、Ga金属11.1g、GaLi32 0.62gである。Ga−Li合金4のLi濃度は、実験前が3.2原子%、実験後Ga中のLi濃度は、6.5原子%であった。この実験で得られたGaN粉末の光学顕微鏡写真を図18に、またX線データの半値幅を表1に示す。雰囲気が窒素以外の不活性雰囲気中でも、六角板状の結晶表面に複雑に成長したような形の結晶が多数見られ、X線データからは、実施例6と同様の良好な結晶が得られた。
(Example 7)
An experiment similar to that in Example 6 was performed except that pure Ga was used instead of the Ga alloy and the nitrogen atmosphere was changed to an argon atmosphere. The molten salt used was LiCl 4.2 g, Ga metal 11.1 g, and GaLi 3 N 2 0.62 g. The Li concentration of the Ga—Li alloy 4 was 3.2 atomic% before the experiment, and the Li concentration in Ga after the experiment was 6.5 atomic%. An optical micrograph of the GaN powder obtained in this experiment is shown in FIG. 18, and the half width of the X-ray data is shown in Table 1. Even in an inert atmosphere other than nitrogen, a large number of crystals having a complex growth on the hexagonal plate-like crystal surface were observed, and good crystals similar to those in Example 6 were obtained from the X-ray data. .

(実施例8)
実施例6で作製したGaLi32を使い図15で示す装置を使い実験を行った。GaLi32の粒8をマグネシア坩堝15の底に置き、その上にタングステンの網33でGa−Li合金4を入れた時に浮き上がらないようにし、MOCVDの気相法によって作製したサファイア基板上のGaN膜が付いた基板面1を下向きにしてタングステンの網の上においた。このようにして、720℃で8時間静置した。GaLi32は、Ga−Li合金4に少しずつ溶解し、タングステン網33の上部付近で、GaLi32が溶解したGaメタル液相32を形成、基板1付近でGa合金相4と(1)’式の反応が起こる。このようにして基板1上にはGaNが成長する。図19a、bはこのようにして成長させた 結晶のSEM写真である。試料の表面をEPMAで分析したが、Ga、N以外の元素は観測されず、完全な膜にはなっていないが、図19aには、六角板状のGaN結晶がC面を上にして成長しており、場所によっては、図19bのように不完全ではあるが、薄膜状になっている部分も観察された。
(Example 8)
Experiments were performed using the apparatus shown in FIG. 15 using GaLi 3 N 2 produced in Example 6. A GaLi 3 N 2 grain 8 is placed on the bottom of a magnesia crucible 15 so that it does not float when the Ga-Li alloy 4 is put on it with a tungsten mesh 33. The substrate surface 1 with the GaN film was placed face down on a tungsten net. In this way, it was allowed to stand at 720 ° C. for 8 hours. GaLi 3 N 2 is gradually dissolved in the Ga-Li alloy 4 to form a Ga metal liquid phase 32 in which GaLi 3 N 2 is dissolved in the vicinity of the upper portion of the tungsten net 33, and the Ga alloy phase 4 ( 1) The reaction of the formula 'occurs. In this way, GaN grows on the substrate 1. 19a and 19b are SEM photographs of the crystal thus grown. Although the surface of the sample was analyzed by EPMA, elements other than Ga and N were not observed and it was not a complete film, but in FIG. 19a, a hexagonal plate-like GaN crystal grew with the C-plane facing up. Depending on the location, although it is incomplete as shown in FIG. 19b, a thin film portion was also observed.

上記の実施例は、種結晶なしでも良好な結晶が得られることを示している。Ga−Li合金中のLiの活量、つまり濃度を最適な範囲内に制御し、かつ第13族金属窒化物結晶や基板を種結晶として図1〜3に示した装置を用いて結晶成長を行えば、厚いバルク状の結晶を成長させることができるものと考えられる。   The above examples show that good crystals can be obtained without seed crystals. Crystal growth is performed using the apparatus shown in FIGS. 1 to 3 while controlling the Li activity in the Ga—Li alloy, that is, the concentration within an optimal range, and using the group 13 metal nitride crystal or substrate as a seed crystal. If this is done, it is considered that a thick bulk crystal can be grown.

本発明の第13族金属窒化物結晶の製造方法によれば、安価な装置を用いて簡単に半導体デバイスに応用するのに十分なサイズを有する第13族金属窒化物結晶を製造することができる。特にこれまでに製造が困難とされていた周波対応可能な半導体デバイスの製造に利用することができるため、産業的に大きなメリットがある。   According to the method for producing a Group 13 metal nitride crystal of the present invention, a Group 13 metal nitride crystal having a size sufficient to be easily applied to a semiconductor device can be produced using an inexpensive apparatus. . In particular, since it can be used for the manufacture of a semiconductor device capable of supporting frequencies, which has been considered difficult to manufacture, there is a great industrial advantage.

本発明の第13族金属窒化物の結晶の製造で用いる好適な結晶成長装置(その1)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 1) used by manufacture of the crystal | crystallization of the group 13 metal nitride of this invention. 本発明の第13族金属窒化物の結晶の製造で用いる好適な結晶成長装置(その2)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 2) used by manufacture of the crystal | crystallization of the group 13 metal nitride of this invention. 本発明の第13族金属窒化物の結晶の製造で用いる好適な結晶成長装置(その3)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 3) used by manufacture of the crystal | crystallization of the group 13 metal nitride of this invention. 実施例で用いた結晶成長装置を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus used in the Example. 実施例で用いた電極付き結晶成長装置を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus with an electrode used in the Example. 本発明で用いられる溶融塩の精製装置の一実施態様を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows one embodiment of the refiner | purifier of the molten salt used by this invention. 実施例1で得られたGaN結晶の光学顕微鏡写真である。2 is an optical micrograph of a GaN crystal obtained in Example 1. 実施例1で得られたGaN結晶のX線回折データである。3 is X-ray diffraction data of the GaN crystal obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られたGaN結晶の光学顕微鏡写真である。3 is an optical micrograph of a GaN crystal obtained in Example 2. 実施例2で得られたGaN結晶のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the GaN crystal obtained in Example 2. 実施例3で得られたGaN結晶の光学顕微鏡写真である。4 is an optical micrograph of a GaN crystal obtained in Example 3. 実施例4で得られたGaN結晶の光学顕微鏡写真である。4 is an optical micrograph of a GaN crystal obtained in Example 4. 第13族金属窒化物結晶成長のための製造装置の構成例を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the structural example of the manufacturing apparatus for Group 13 metal nitride crystal growth. 第13族金属窒化物結晶成長のための製造装置の構成例を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the structural example of the manufacturing apparatus for Group 13 metal nitride crystal growth. 本発明の第13族金属窒化物の結晶の製造で用いる好適な結晶成長装置(その4)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the suitable crystal growth apparatus (the 4) used by manufacture of the crystal | crystallization of the group 13 metal nitride of this invention. 実施例6で得られたGaLi32結晶のX線回折データである。4 is an X-ray diffraction data of GaLi 3 N 2 crystal obtained in Example 6. FIG. 実施例6で得られたGaN結晶の光学顕微鏡写真である。6 is an optical micrograph of a GaN crystal obtained in Example 6. 実施例7で得られたGaN結晶の光学顕微鏡写真である。4 is an optical micrograph of a GaN crystal obtained in Example 7. 実施例8で得られたGaN結晶のSEM写真である。6 is a SEM photograph of the GaN crystal obtained in Example 8.

符号の説明Explanation of symbols

1 GaN結晶
2 基板またはGaN結晶
3 基板支持棒
4 Ga−Li合金
5 Li濃度が高いGa金属合金
6 仕切板
7 窒素イオン源を含む溶融塩
8 Li3N塊またはGaLi32
9 アノード電極
10 カソード電極
11 ガス導入管
12 窒素ガス
13 固体Li3N仕切板
14 窒化物溶解相(Li3Nを溶解した溶融塩薄膜)
15 酸化マグネシウムの反応容器
16 カソード電極およびLi合金用金属(Ga金属)
17 窒素ガスまたはAr雰囲気
18 電気炉
19 基板または成長した結晶
20 合金−溶融塩界面
21 基板または結晶保持および回転機構
22 GaN結晶
23 ガス排出口
24 ガス導入管
25 精製容器
26 多孔質フィルター
27 試料溜め
28 塩化水素ガス
29 塩精製装置用電気炉
30 リザーバ(固体Li3N)
31 GaLi32固体の容器
32 GaLi32が溶解したGa合金液相
33 タングステン網
34 スパッター用基板
35 Ga−Li−N薄膜
36 タングステン仕切り板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 GaN crystal 2 Substrate or GaN crystal 3 Substrate support rod 4 Ga-Li alloy 5 Ga metal alloy with high Li concentration 6 Partition plate 7 Molten salt containing nitrogen ion source 8 Li 3 N block or GaLi 3 N 2 block 9 Anode electrode 10 cathode electrode 11 the gas inlet tube 12 nitrogen gas 13 solid Li 3 N divider plate 14 nitride dissolved phase (molten salt film by dissolving a Li 3 N)
15 Reaction vessel for magnesium oxide 16 Cathode electrode and metal for Li alloy (Ga metal)
17 Nitrogen gas or Ar atmosphere 18 Electric furnace 19 Substrate or grown crystal 20 Alloy-molten salt interface 21 Substrate or crystal holding and rotating mechanism 22 GaN crystal 23 Gas outlet 24 Gas inlet tube 25 Purification vessel 26 Porous filter 27 Sample reservoir 28 Hydrogen chloride gas 29 Electric furnace 30 for salt refining equipment Reservoir (solid Li 3 N)
31 GaLi 3 N 2 solid container 32 Ga alloy liquid phase 33 in which GaLi 3 N 2 is dissolved Tungsten net 34 Sputter substrate 35 Ga-Li-N thin film 36 Tungsten partition plate

Claims (16)

周期表第13族の金属元素を含む液相(A)と、周期表第13族以外の金属元素を含有する窒化物を溶融塩に溶解した液相(b1)または周期表第13族の金属元素と周期表第13族以外の金属元素を含有する複合窒化物を含む固相(b2)もしくは液相(b3)のいずれかの相(B)との反応を、該反応によって生成する周期表第13族金属以外の金属元素を含む副生成物を反応場から取り除きながら進行させることによって、周期表第13族金属窒化物結晶を成長させることを特徴とする周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 A liquid phase (A) containing a metal element belonging to Group 13 of the periodic table and a liquid phase (b1) obtained by dissolving a nitride containing a metal element other than Group 13 of the periodic table in a molten salt or a metal belonging to Group 13 of the periodic table A periodic table in which a reaction between the element and the solid phase (b2) or the liquid phase (b3) containing the composite nitride containing a metal element other than Group 13 of the periodic table (B) is generated by the reaction. Periodic table Group 13 metal nitride crystals are grown by removing by-products containing metal elements other than Group 13 metals from the reaction field, and growing Manufacturing method. 前記副生成物を前記液相(A)中に移動させることによって前記反応場から取り除くことを特徴とする請求項1に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal according to claim 1, wherein the by-product is removed from the reaction field by moving into the liquid phase (A). 前記液相(A)が前記副生成物と合金化しうることを特徴とする請求項1または2に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal according to claim 1, wherein the liquid phase (A) can be alloyed with the by-product. 前記液相(A)と前記液相(b1)とを互いに分離した状態を維持しながら反応させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The periodic table group 13 metal nitriding according to any one of claims 1 to 3, wherein the liquid phase (A) and the liquid phase (b1) are reacted while maintaining a separated state. Method for producing physical crystals. 前記液相(A)と前記液相(b1)とを交互に接触させながら反応させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The liquid phase (A) and the liquid phase (b1) are reacted while alternately contacting each other, and the periodic table group 13 metal nitride crystal according to any one of claims 1 to 4 is used. Production method. 前記液相(A)と前記固相(b2)との間に前記液相(b3)を形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The periodic table group 13 metal according to any one of claims 1 to 3, wherein the liquid phase (b3) is formed between the liquid phase (A) and the solid phase (b2). A method for producing a nitride crystal. 電気化学的反応によって、前記副生成物を前記反応場から前記液相(A)を経由して取り除くことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The periodic table group 13 metal according to any one of claims 1 to 6, wherein the by-product is removed from the reaction field via the liquid phase (A) by an electrochemical reaction. A method for producing a nitride crystal. 前記電気化学反応のカソード反応において、前記副生成物を窒素ガスと反応させて窒化物にすることを特徴とする請求項7に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 8. The method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal according to claim 7, wherein in the cathode reaction of the electrochemical reaction, the by-product is reacted with nitrogen gas to form a nitride. 前記電気化学反応のカソード反応において、前記副生成物をカソード電極に含まれる金属元素と合金化することを特徴とする請求項7に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 8. The method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal according to claim 7, wherein in the cathode reaction of the electrochemical reaction, the by-product is alloyed with a metal element contained in the cathode electrode. 前記液相(A)にハロゲンまたはハロゲン化物のガスを反応させることによって、前記副生成物を前記液相(A)から取り除くことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 7. The by-product is removed from the liquid phase (A) by reacting a halogen or halide gas with the liquid phase (A). A method for producing a Group 13 metal nitride crystal of the periodic table. 前記反応場の近傍において、種結晶表面または基板上に前記結晶を成長させることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal according to claim 1, wherein the crystal is grown on a seed crystal surface or a substrate in the vicinity of the reaction field. 酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムを含む容器を用いて、前記第13族金属窒化物結晶を成長させることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The periodic table group 13 metal nitride crystal according to any one of claims 1 to 11, wherein the group 13 metal nitride crystal is grown using a container containing magnesium oxide or calcium oxide. Manufacturing method. 前記周期表第13族以外の金属元素がアルカリ金属またはアルカリ土類金属であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The method for producing a periodic table group 13 metal nitride crystal according to any one of claims 1 to 12, wherein the metal element other than group 13 of the periodic table is an alkali metal or an alkaline earth metal. . 前記溶融塩が金属ハロゲン化物であることを特徴とする請求項1〜5または7〜13のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The said molten salt is a metal halide, The manufacturing method of the periodic table group 13 metal nitride crystal | crystallization as described in any one of Claims 1-5 or 7-13 characterized by the above-mentioned. 前記液相(A)および/または前記液相(b1)が、ドーパント元素を含む単体または化合物を含有することを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の周期表第13族金属窒化物結晶の製造方法。 The said liquid phase (A) and / or the said liquid phase (b1) contain the simple substance or compound containing a dopant element, The periodic table group 13 as described in any one of Claims 1-14 characterized by the above-mentioned. A method for producing metal nitride crystals. 請求項1〜15のいずれか一項に記載の製造方法により第13族金属窒化物結晶を製造する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of manufacturing a Group 13 metal nitride crystal by the manufacturing method according to claim 1.
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