JP4774774B2 - Method for producing trialkylgallium - Google Patents
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Description
本発明は、MOCVD(Metal−Organic Chemical Vapor Deposition)法等を用いたエピタキシャル結晶成長によりGaNのような化合物半導体薄膜を形成するための材料として有用なトリアルキルガリウムの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing trialkylgallium useful as a material for forming a compound semiconductor thin film such as GaN by epitaxial crystal growth using a MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) method or the like.
近年の携帯電話や光通信技術の進展により、化合物半導体の需要は、携帯電話に使用される高電子移動度トランジスタ(HEMT: High Electron Mobility Transistor)、ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT: Heterojunction Bipolar Transistor)などの高速電子デバイス、光通信やDVDなどに使用される半導体レーザー、ディスプレーに使用される白色・青色の超高輝度LEDなどの光デバイス等の用途で急速に伸びている。 Due to recent advances in mobile phones and optical communication technologies, the demand for compound semiconductors is increasing such as high electron mobility transistors (HEMTs) and heterobipolar transistors (HBTs) used in mobile phones. It is growing rapidly in applications such as high-speed electronic devices, semiconductor lasers used in optical communications and DVDs, and optical devices such as white and blue ultra-high brightness LEDs used in displays.
一般に化合物半導体の原料となる有機金属化合物(MO: Metal Organics)としては、周期律表第II族元素やIII族元素のアルキル金属化合物、特にメチル化合物やエチル化合物が多用されている。中でも周期律表第III族のアルキルガリウムは、窒素、砒素のような周期律表第V族の元素とともに化合物半導体をMOCVDで製造するための材料としての需要が大きい。 In general, as organometallic compounds (MO: Metal Organics) used as raw materials for compound semiconductors, alkyl metal compounds of Group II and III elements of the periodic table, particularly methyl compounds and ethyl compounds are frequently used. Among them, the group III alkylgallium in the periodic table is in great demand as a material for producing a compound semiconductor by MOCVD together with elements of the group V of the periodic table such as nitrogen and arsenic.
従来報告されているトリアルキルガリウム化合物の代表的な合成方法として以下の(a)〜(g)の反応による合成方法が挙げられる。
(a)ハロゲン化ガリウム化合物とグリニャール試薬との反応(例えば特許文献1(米国特許第4604473号公報))
(b)ハロゲン化ガリウム化合物とトリアルキルアルミニウム化合物との反応(例えば非特許文献1((K.K.Fukin,I.A.Frolov,Tr.Khim.Khim.Tekhnol.,4,40(1973))
(c)ハロゲン化ガリウム化合物とアルキルリチウム化合物との反応(例えば非特許文献2(R.A.Kovar,H.Derr,D.Brandau,J.O.Calloway,Inorg.Chem.,14,2809(1975))
(d)ハロゲン化ガリウム化合物とジアルキル亜鉛化合物との反応(例えば非特許文献3(C.A.Claus,F.E.Toonder,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,19,192(1933))
(e)ガリウムとジアルキル水銀との反応(例えば非特許文献4(G.E.Coates,J.Chem.Soc.,2003(1951))
(f)ガリウムーマグネシウム混合物とハロゲン化アルキル化合物との反応(例えば特許文献2(ソビエト連邦国特許第325847号公報)
(g)ガリウム−マグネシウム合金とハロゲン化アルキル化合物との反応(例えば特許文献3(米国特許第5248800号公報))
このように、ガリウム原料としては、ハロゲン化ガリウム又はガリウムが用いられている。しかし、その他のガリウム原料を用いて収率良くトリアルキルガリウムを合成できる実用的な方法は知られていない。
As a typical synthesis method of a trialkylgallium compound which has been conventionally reported, a synthesis method by the following reactions (a) to (g) can be mentioned.
(A) Reaction of gallium halide compound with Grignard reagent (for example, Patent Document 1 (US Pat. No. 4,604,473))
(B) Reaction of a gallium halide compound with a trialkylaluminum compound (for example, Non-Patent Document 1 ((KK Fukin, IA Frolov, Tr. Khim. Khim. Tekhnol., 4 , 40 (1973) )
(C) Reaction of a gallium halide compound with an alkyl lithium compound (for example, Non-Patent Document 2 (RA Kovar, H. Derr, D. Brandau, J. O. Calloway, Inorg. Chem., 14 , 2809 ( 1975))
(D) Reaction of a gallium halide compound with a dialkylzinc compound (for example, Non-Patent Document 3 (C. A. Claus, FE Tounder, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 19 , 192 (1933))
(E) Reaction of gallium with dialkyl mercury (for example, Non-Patent Document 4 (GE Coates, J. Chem. Soc., 2003 (1951))
(F) Reaction of gallium-magnesium mixture and alkyl halide compound (for example, Patent Document 2 (US Pat. No. 325847)
(G) Reaction of gallium-magnesium alloy with alkyl halide compound (for example, Patent Document 3 (US Pat. No. 5,248,800))
Thus, gallium halide or gallium is used as the gallium raw material. However, there is no known practical method for synthesizing trialkylgallium with good yield using other gallium raw materials.
本発明は、トリアルキルガリウムの製造原料として従来用いられていない新たなガリウム原料を用いて収率良くトリアルキルガリウムを製造できる方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a method capable of producing trialkylgallium with high yield by using a new gallium raw material not conventionally used as a raw material for producing trialkylgallium.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、下記一般式(1)
Ga2RmX6−m (1)
(式中、Rはメチル基又はエチル基を示し、Xはハロゲン原子を示す。mは1〜5の整数を示す)
で表される少なくとも1種のハロゲン化アルキルガリウム化合物と、アルキル化剤として少なくとも1種のアルキル金属化合物とを反応させることにより、トリアルキルガリウム化合物を収率良く製造できることを見出した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied, and the following general formula (1)
Ga 2 R m X 6-m (1)
(In the formula, R represents a methyl group or an ethyl group, X represents a halogen atom, and m represents an integer of 1 to 5).
It was found that a trialkyl gallium compound can be produced in a high yield by reacting at least one alkyl gallium compound represented by the formula (1) with at least one alkyl metal compound as an alkylating agent.
本発明は上記知見に基づき完成されたものであり、以下のトリアルキルガリウムの製造方法を提供する。 The present invention has been completed based on the above findings, and provides the following method for producing trialkylgallium.
項1.下記一般式(1)
Ga2RmX6−m (1)
(式中、Rはメチル基またはエチル基を示し、Xはハロゲン原子を示す。mは1〜5の整数を示す)
で表される少なくとも1種のハロゲン化アルキルガリウム化合物と、リチウム含有化合物、マグネシウム含有化合物、及び亜鉛含有化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種のアルキル金属化合物とを反応させることによりトリアルキルガリウム化合物を合成するトリアルキルガリウムの製造方法。
項2.少なくとも1種のアルキル金属化合物が、アルキルリチウム化合物、ハロゲン化アルキルマグネシウム化合物、及びジアルキル亜鉛化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物である項1に記載の方法。
項3.少なくとも1種のアルキル金属化合物が、メチル金属化合物、及びエチル金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物である項1又は2に記載の方法。
項4.上記一般式(1)で表される化合物1モルに対して、少なくとも1種のアルキル金属化合物を化学量論的組成比となるモル数の0.5〜2倍用いる項1〜3のいずれかに記載の方法。
Item 1. The following general formula (1)
Ga 2 R m X 6-m (1)
(In the formula, R represents a methyl group or an ethyl group, X represents a halogen atom, and m represents an integer of 1 to 5).
A trialkylgallium compound by reacting at least one halogenated alkylgallium compound represented by the formula: at least one alkyl metal compound selected from the group consisting of a lithium-containing compound, a magnesium-containing compound, and a zinc-containing compound. A method of producing trialkylgallium for synthesizing
Item 2. Item 2. The method according to Item 1, wherein the at least one alkyl metal compound is at least one compound selected from the group consisting of alkyl lithium compounds, halogenated alkyl magnesium compounds, and dialkyl zinc compounds.
Item 3. Item 3. The method according to Item 1 or 2, wherein the at least one alkyl metal compound is at least one compound selected from the group consisting of a methyl metal compound and an ethyl metal compound.
Item 4. Any one of Items 1 to 3, wherein at least one alkyl metal compound is used in an amount of 0.5 to 2 times the number of moles of the stoichiometric composition ratio with respect to 1 mole of the compound represented by the general formula (1). The method described in 1.
本発明によれば、従来用いられていない新たなガリウム原料である一般式(1)のハロゲン化アルキルガリウム化合物をアルキル金属化合物でアルキル化するという簡単な方法により、実用上十分高い収率でトリアルキルガリウム化合物が得られることが見出された。本発明により、トリアルキルガリウム合成の新たな途が開けた。 According to the present invention, the trimethyl gallium compound of the general formula (1), which is a new gallium raw material that has not been conventionally used, is alkylated with an alkyl metal compound in a practically high yield with a simple method. It has been found that alkyl gallium compounds can be obtained. The present invention has opened a new path for trialkylgallium synthesis.
以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明のトリアルキルガリウムの製造方法は、上記一般式(1)で表される少なくとも1種のハロゲン化アルキルガリウム化合物と、少なくとも1種のアルキル金属化合物とを反応させることによりトリアルキルガリウムを合成する方法である。
原料
<ガリウム化合物>
一般式(1)のハロゲン化アルキルガリウム化合物におけるハロゲン原子の種類は特に限定されないが、通常は塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子とすればよい。中でも、反応性が高い点で、ヨウ化アルキルガリウム及び臭化アルキルガリウムが好ましく、ヨウ化アルキルガリウムが最も好ましい。
The method for producing trialkylgallium according to the present invention synthesizes trialkylgallium by reacting at least one alkylgallium halide compound represented by the general formula (1) with at least one alkylmetal compound. It is a method to do.
material
<Gallium compound>
Although the kind of halogen atom in the halogenated alkylgallium compound of the general formula (1) is not particularly limited, it may be usually a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom. Of these, alkyl gallium iodide and alkyl gallium bromide are preferable in terms of high reactivity, and alkyl gallium iodide is most preferable.
また一般式(1)において、MOCVD原料としてトリメチルガリウムの需要が多い点では、Rはメチル基であることが好ましい。 In the general formula (1), R is preferably a methyl group in view of the large demand for trimethylgallium as an MOCVD raw material.
一般式(1)で表される化合物の具体例は、Ga2MeCl5、Ga2Me2Cl4、Ga2Me3Cl3、Ga2Me4Cl2、Ga2Me5Cl;Ga2MeClBr5、Ga2Me2Br4、Ga2Me3Br3、Ga2Me4Br2、Ga2Me5Br;Ga2MeClI5、Ga2Me2I4、Ga2Me3I3、Ga2Me4I2、Ga2Me5I;Ga2EtCl5、Ga2Et2Cl4、Ga2Et3Cl3、Ga2Et4Cl2、Ga2Et5Cl;Ga2EtClBr5、Ga2Et2Br4、Ga2Et3Br3、Ga2Et4Br2、Ga2Et5Br;Ga2EtClI5、Ga2Et2I4、Ga2Et3I3、Ga2Et4I2、Ga2Et5Iである。中でも、Ga2Me2Br4、Ga2Me3Br3、Ga2Me4Br2、Ga2Me5Br;Ga2Me2I4、Ga2Me3I3、Ga2Me4I2、Ga2Me5I;Ga2Et2Br4、Ga2Et3Br3、Ga2Et4Br2、Ga2Et5Br;Ga2Et2I4、Ga2Et3I3、Ga2Et4I2、Ga2Et5Iが好ましく、Ga2Me2I4、Ga2Me3I3、Ga2Me4I2、Ga2Me5Iがより好ましい。 Specific examples of the compound represented by the general formula (1) are Ga 2 MeCl 5 , Ga 2 Me 2 Cl 4 , Ga 2 Me 3 Cl 3 , Ga 2 Me 4 Cl 2 , Ga 2 Me 5 Cl; Ga 2 MeClBr. 5 , Ga 2 Me 2 Br 4 , Ga 2 Me 3 Br 3 , Ga 2 Me 4 Br 2 , Ga 2 Me 5 Br; Ga 2 MeClI 5 , Ga 2 Me 2 I 4 , Ga 2 Me 3 I 3 , Ga 2 Me 4 I 2, Ga 2 Me 5 I; Ga 2 EtCl 5, Ga 2 Et 2 Cl 4, Ga 2 Et 3 Cl 3, Ga 2 Et 4 Cl 2, Ga 2 Et 5 Cl; Ga 2 EtClBr 5, Ga 2 Et 2 Br 4, Ga 2 Et 3 Br 3, Ga 2 Et 4 Br 2, Ga 2 Et 5 Br; Ga 2 EtClI 5, Ga 2 Et 2 I 4, Ga 2 Et Is I 3, Ga 2 Et 4 I 2, Ga 2 Et 5 I. Among these, Ga 2 Me 2 Br 4 , Ga 2 Me 3 Br 3 , Ga 2 Me 4 Br 2 , Ga 2 Me 5 Br; Ga 2 Me 2 I 4 , Ga 2 Me 3 I 3 , Ga 2 Me 4 I 2 , Ga 2 Me 5 I; Ga 2 Et 2 Br 4, Ga 2 Et 3 Br 3, Ga 2 Et 4 Br 2, Ga 2 Et 5 Br; Ga 2 Et 2 I 4, Ga 2 Et 3 I 3, Ga 2 Et 4 I 2 and Ga 2 Et 5 I are preferable, and Ga 2 Me 2 I 4 , Ga 2 Me 3 I 3 , Ga 2 Me 4 I 2 , and Ga 2 Me 5 I are more preferable.
一般式(1)で表される化合物は、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用できる。 The compound represented by General formula (1) can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
一般式(1)のハロゲン化アルキルガリウム化合物は、ガリウムとハロゲン化アルキルとを反応させる公知の方法で合成することができる。例えば、Ga2R3X3はM.J.S.Gynane,I.J.Worrall,J.Organomet.Chem.,40,C59(1972)に記載の方法で合成することができ、Ga2R2I4はM.Wilkinson,I.J.Worrall,J.Organomet.Chem.,93,39(1975)に記載の方法で合成することができ、Ga2RBr5はW.Lind,I.J.Worrall,J.Organomet.Chem.,36.35(1972)及びW.Lind,I.J.Worrall,J.Organomet.Chem.,40.35(1972)記載の方法で合成することができる。一般式(1)に包含されるその他の化合物は、当業者であれば、上記文献に記載の方法に準じて製造することができる。また、一般式(1)の化合物は、ハロゲン化ガリウムとアルキル金属化合物とを反応させる公知の方法で合成することもできる。
MOCVDにより製造される化合物半導体の電気的特性及び光学的特性は、原料である有機金属化合物の純度に大きく左右される。従って、本発明方法においても高純度なトリアルキルガリウムを合成することが求められる。生成するトリアルキルガリウムの純度は原料化合物の純度にも依存することから、上記一般式(1)の化合物は高純度であることが望ましい。
上記一般式(1)の化合物は、原料として高純度のガリウムまたはハロゲン化ガリウムを用いて合成されたものを用いればよい。ガリウムまたはハロゲン化ガリウムは、純度99.9%(3N)〜99.99999%(7N)のガリウム市販品を使用すればよい。4Nを超える高純度のガリウムまたはハロゲン化ガリウムは、市販品もあるが、3Nまたは4N純度の市販品を再結晶、減圧精製、電解精錬などにより精製することにより得ることができる。原料ガリウムまたはハロゲン化ガリウムの純度は99.999%(5N)以上が好ましく、99.9999%(6N)以上がより好ましい。
<アルキル金属化合物>
アルキル金属化合物はアルキル基と金属との間に結合を有する化合物である。アルキル金属化合物の種類は、特に限定されない。中でも、アルキルリチウム化合物、アルキルマグネシウム化合物、アルキルアルミニウム化合物、及びアルキル亜鉛化合物が好ましい。また、アルキル基は、通常メチル基又はエチル基であり、MOCVD原料としてトリメチルガリウムの需要が多い点では、メチル基が好ましい。
The halogenated alkylgallium compound of the general formula (1) can be synthesized by a known method in which gallium and an alkyl halide are reacted. For example, Ga 2 R 3 X 3 is M.M. J. et al. S. Gynane, I .; J. et al. Worall, J. et al. Organomet. Chem. , 40 , C59 (1972), and Ga 2 R 2 I 4 can be synthesized according to M.M. Wilkinson, I.D. J. et al. Worall, J. et al. Organomet. Chem. , 93 , 39 (1975), and Ga 2 RBr 5 can be synthesized by the method described in W.W. Lind, I .; J. et al. Worall, J. et al. Organomet. Chem. , 36 . 35 (1972) and W.W. Lind, I .; J. et al. Worall, J. et al. Organomet. Chem. , 40 . 35 (1972). Other compounds included in the general formula (1) can be produced by those skilled in the art according to the methods described in the above documents. Moreover, the compound of General formula (1) can also be synthesize | combined by the well-known method of making a gallium halide and an alkyl metal compound react.
The electrical characteristics and optical characteristics of the compound semiconductor produced by MOCVD are greatly influenced by the purity of the organometallic compound as a raw material. Therefore, it is required to synthesize high-purity trialkylgallium also in the method of the present invention. Since the purity of the trialkyl gallium to be generated also depends on the purity of the raw material compound, it is desirable that the compound of the general formula (1) has a high purity.
What is necessary is just to use what was synthesize | combined using the high purity gallium or a gallium halide as a raw material for the compound of the said General formula (1). As the gallium or gallium halide, a commercially available gallium product having a purity of 99.9% (3N) to 99.99999% (7N) may be used. Although high purity gallium or gallium halide exceeding 4N is commercially available, it can be obtained by refining a commercially available product of 3N or 4N purity by recrystallization, vacuum purification, electrolytic refining or the like. The purity of the raw material gallium or gallium halide is preferably 99.999% (5N) or more, and more preferably 99.9999% (6N) or more.
<Alkyl metal compound>
An alkyl metal compound is a compound having a bond between an alkyl group and a metal. The kind of alkyl metal compound is not particularly limited. Of these, alkyl lithium compounds, alkyl magnesium compounds, alkyl aluminum compounds, and alkyl zinc compounds are preferred. In addition, the alkyl group is usually a methyl group or an ethyl group, and a methyl group is preferred in that there is a great demand for trimethylgallium as a MOCVD raw material.
アルキル金属化合物としては、アルキル基としてメチル基またはエチル基を有する、ハロゲン化アルキルマグネシウム化合物(グリニャール試薬)、アルキルリチウム化合物、トリアルキルアルミニウム化合物、及びジアルキル亜鉛化合物などを例示できる。中でも、トリアルキルガリウム製造工程の安全性が高く、また得られるトリアルキルガリウムを精製し易い点で、ハロゲン化アルキルマグネシウム化合物、及びトリアルキルアルミニウム化合物がより好ましい。 Examples of the alkyl metal compound include a halogenated alkyl magnesium compound (Grignard reagent), an alkyl lithium compound, a trialkyl aluminum compound, and a dialkyl zinc compound having a methyl group or an ethyl group as an alkyl group. Among these, a halogenated alkylmagnesium compound and a trialkylaluminum compound are more preferable because the safety of the trialkylgallium production process is high and the obtained trialkylgallium is easily purified.
ハロゲン化アルキルマグネシウム化合物(グリニャール試薬)の具体例としては、塩化メチルマグネシウム、塩化エチルマグネシウム、臭化メチルマグネシウム、臭化エチルマグネシウム、ヨウ化メチルマグネシウム、ヨウ化エチルマグネシウムを挙げることができる。特に、反応性が高い点で、ヨウ化メチルマグネシウム、及びヨウ化エチルマグネシウムが好ましい。
アルキルリチウム化合物の具体例としては、メチルリチウム、エチルリチウムを挙げることができる。トリアルキルアルミニウム化合物の具体例としては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムを挙げることができる。ジアルキル亜鉛化合物の具体例としては、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛を挙げることができる。
Specific examples of the halogenated alkylmagnesium compound (Grignard reagent) include methylmagnesium chloride, ethylmagnesium chloride, methylmagnesium bromide, ethylmagnesium bromide, methylmagnesium iodide, and ethylmagnesium iodide. In particular, methylmagnesium iodide and ethylmagnesium iodide are preferable in terms of high reactivity.
Specific examples of the alkyl lithium compound include methyl lithium and ethyl lithium. Specific examples of the trialkylaluminum compound include trimethylaluminum and triethylaluminum. Specific examples of the dialkyl zinc compound include dimethyl zinc and diethyl zinc.
ハロゲン化アルキルマグネシウムの製造方法は周知であり、エーテル等の溶媒中で、マグネシウムとハロゲン化アルキルとを反応させることにより合成できる。また、アルキル基としてメチル基またはエチル基を有するハロゲン化アルキルマグネシウム化合物(グリニャール試薬)は市販もされている。 A method for producing an alkylmagnesium halide is well known and can be synthesized by reacting magnesium with an alkyl halide in a solvent such as ether. In addition, a halogenated alkylmagnesium compound (Grignard reagent) having a methyl group or an ethyl group as an alkyl group is commercially available.
アルキルリチウム化合物の製造方法は周知であり、例えば、エーテル化合物中で、塩化アルキル又は臭化アルキルと金属リチウムとを反応させることにより合成できる。また、メチルリチウム及びエチルリチウムは市販もされている。 A method for producing an alkyl lithium compound is well known and can be synthesized, for example, by reacting an alkyl chloride or alkyl bromide with lithium metal in an ether compound. Methyl lithium and ethyl lithium are also commercially available.
トリアルキルアルミニウムの製造方法は周知であり、例えば“Comprehensive Organometallic Chemistry,The Synthesis,Reactions and Structures of Organometallic Compounds Vol.1”,ed.S.G.Wilkinson,F.G.A.Stones,E.W.Abel,Pergamon Press Ltd.,(1982),Chapter 6に記載の方法により合成できる。また、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムは市販もされている。 Methods for producing trialkylaluminum are well known, see, for example, “Comprehensive Organometallic Chemistry, The Synthesis, Reactions and Structures of Organic Compounds, Vol. S. G. Wilkinson, F.M. G. A. Stones, E .; W. Abel, Pergamon Press Ltd. , (1982), Chapter 6. Trimethylaluminum and triethylaluminum are also commercially available.
ジアルキル亜鉛化合物の製造方法は周知であり、例えば、エーテル又は炭化水素溶媒中で、ヨウ化アルキルと金属亜鉛とを反応させることにより合成できる。また、ジメチル亜鉛、及びジエチル亜鉛は市販もされている。 A method for producing a dialkylzinc compound is well known and can be synthesized, for example, by reacting alkyl iodide with zinc metal in an ether or hydrocarbon solvent. Dimethyl zinc and diethyl zinc are also commercially available.
アルキル金属化合物の純度について説明すれば、トリアルキルアルミニウム化合物、及びジアルキル亜鉛化合物は、電子材料用途の純度5N若しくは6Nの市販品をそのまま使用することができ、又は一般グレードの純度2Nの市販品を蒸留精製により高純度化して使用することができる。ハロゲン化アルキルマグネシウム化合物、及びアルキルリチウム化合物は、高純度の市販品がないため3N以上のマグネシウム、又はリチウムを原料として合成したものを使用することができる。なお、純度3N以上のマグネシウム及びリチウムは市販されているが、より高純度のマグネシウム及びリチウムは高価であるため、2N〜4Nの市販品を真空蒸留、真空昇華などにより精製したものを用いて合成したハロゲン化アルキルマグネシウム化合物、及びアルキルリチウム化合物を使用することができる。 Explaining the purity of the alkyl metal compound, as for the trialkylaluminum compound and the dialkylzinc compound, commercially available products having a purity of 5N or 6N for electronic materials can be used as they are, or commercially available products of a general grade of purity 2N can be used. It can be used after being purified by distillation purification. As the halogenated alkylmagnesium compound and the alkyllithium compound, since there are no commercially available products with high purity, those synthesized from 3N or more magnesium or lithium as a raw material can be used. Magnesium and lithium with a purity of 3N or more are commercially available, but since higher purity magnesium and lithium are expensive, they are synthesized by purifying commercially available products of 2N to 4N by vacuum distillation, vacuum sublimation, etc. Alkylmagnesium halide compounds and alkyllithium compounds prepared can be used.
アルキル金属化合物は、1種を単独で、又は同種の化合物の範囲内で2種以上を組み合わせて使用できる。例えば、アルキルリチウム化合物の範囲内であれば2種以上を組み合わせて使用できるが、例えば、アルキルリチウム化合物とトリアルキルアルミニウム化合物とを組み合わせて使用することは難しい。
<溶媒>
本発明の合成反応は、アルキル金属化合物が液体である場合は無溶媒で行うこともできるが、通常は溶媒を用いればよい。また、ハロゲン化アルキルマグネシウム化合物(Grignard試薬)の市販品やアルキルリチルム化合物市販品は、通常、溶媒に溶けた溶液として販売されているため、このようなアルキル金属化合物を使用する場合は溶媒を別途用いなくてよい。
An alkyl metal compound can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more type within the range of the same compound. For example, two or more types can be used in combination as long as they are within the range of the alkyl lithium compound. For example, it is difficult to use a combination of an alkyl lithium compound and a trialkylaluminum compound.
<Solvent>
The synthesis reaction of the present invention can be carried out without solvent when the alkyl metal compound is a liquid, but usually a solvent may be used. In addition, since commercially available products of halogenated alkylmagnesium compounds (Grignard reagents) and commercially available products of alkyllithylum compounds are usually sold as solutions in solvents, when using such alkyl metal compounds, the solvent must be There is no need to use it separately.
溶媒の種類は、生成物であるトリアルキルガリウム化合物と反応する活性水素を有する化合物、例えばアルコール化合物又はチオール化合物を除き、特に限定されない。例えば、エーテル化合物、炭化水素化合物、アミン化合物のような公知の溶媒を用いることができる。中でも、トリアルキルガリウム合成の反応性が高くなる点で、エーテル化合物、及びアミン化合物が好ましい。 The kind of the solvent is not particularly limited except for a compound having active hydrogen that reacts with the product trialkylgallium compound, such as an alcohol compound or a thiol compound. For example, known solvents such as ether compounds, hydrocarbon compounds, and amine compounds can be used. Among these, an ether compound and an amine compound are preferable in that the reactivity of trialkylgallium synthesis is high.
炭化水素化合物としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン等の飽和脂肪族炭化水素;シクロヘキサン、シクロヘプタン等の飽和脂環式炭化水素;トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、エチルベンゼン、エチルトルエン、インデン等の芳香族炭化水素などが挙げられる。 Examples of hydrocarbon compounds include saturated aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, and dodecane; saturated alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane and cycloheptane; toluene, xylene, and trimethylbenzene. And aromatic hydrocarbons such as ethylbenzene, ethyltoluene, and indene.
炭化水素化合物は生成物であるトリアルキルガリウムとの分離が容易なものが好ましい。一般にはトリアルキルガリウムとの沸点差が大きい炭化水素化合物が好ましい。しかし、沸点差が十分大きくても、トリアルキルガリウムより低沸点の炭化水素化合物を用いると、少量の共沸による収率低下が見られるため、炭化水素化合物としてはトリアルキルガリウムより高沸点のものを選択することが望ましい。但し、常温で固体の炭化水素化合物は取扱いに手間がかかることから、このような炭化水素化合物よりは低沸点のものを選択する方が望ましい。 The hydrocarbon compound is preferably one that can be easily separated from the product trialkylgallium. In general, hydrocarbon compounds having a large boiling point difference from trialkylgallium are preferred. However, even if the difference in boiling point is sufficiently large, if a hydrocarbon compound having a lower boiling point than trialkylgallium is used, the yield decreases due to a small amount of azeotrope. It is desirable to select. However, since a hydrocarbon compound that is solid at room temperature is troublesome to handle, it is preferable to select a hydrocarbon compound having a lower boiling point than such a hydrocarbon compound.
エーテル化合物としては、例えば、ジエチルエーテル、ジ−n−プロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジ−n−ブチルエーテル、ジイソブチルエーテル、ジ−sec−ブチルエーテル、ジイソペンチルエーテル(ジイソアミルエーテル)等の脂肪族エーテル化合物;アニソール、メチルアニソール、ベンジルメチルエーテル、エチルアニソール、ジメチルアニソール、イソプロピルアニソール、フェネトール等の芳香族エーテル化合物などが挙げられる。 Examples of ether compounds include aliphatic ether compounds such as diethyl ether, di-n-propyl ether, diisopropyl ether, di-n-butyl ether, diisobutyl ether, di-sec-butyl ether, and diisopentyl ether (diisoamyl ether). An aromatic ether compound such as anisole, methylanisole, benzylmethyl ether, ethylanisole, dimethylanisole, isopropylanisole, and phenetole;
エーテル化合物は生成物であるトリアルキルガリウム化合物と付加体を形成するため、合成工程の後、後述するように蒸留を行うことにより、トリアルキルガリウムのエーテル付加体を熱分解させて、トリアルキルガリウム化合物を単離することが好ましい。このため、エーテル化合物は、トリアルキルガリウムより高沸点の化合物を用いることが好ましい。また、トリアルキルガリウムのエーテル付加体の熱分解温度がトリアルキルガリウム化合物の熱分解温度より高い場合は、エーテル付加体の熱分解によりトリアルキルガリウム化合物の分解も進行するため、エーテル付加体の分解温度がトリアルキルガリウムの分解温度より低くなるようなエーテル化合物を選択することが好ましい。 Since the ether compound forms an adduct with the product trialkylgallium compound, the ether adduct of trialkylgallium is thermally decomposed by distillation as described later after the synthesis step, so that the trialkylgallium is obtained. It is preferred to isolate the compound. For this reason, the ether compound is preferably a compound having a boiling point higher than that of trialkylgallium. Also, when the thermal decomposition temperature of the trialkylgallium ether adduct is higher than the thermal decomposition temperature of the trialkylgallium compound, the decomposition of the trialkylgallium compound also proceeds due to the thermal decomposition of the ether adduct. It is preferable to select an ether compound whose temperature is lower than the decomposition temperature of trialkylgallium.
アミン化合物としては、例えば3級アミン化合物を用いることができる。具体的にはトリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリイソプロピルアミン、トリ−n−ブチルアミン、トリイソブチルアミン、トリ−sec−ブチルアミン、トリ−tert−ブチルアミン等の脂肪族3級アミン化合物;ピリジン、ピロール、ピリミジン、ピラジン、ピリダジン、1,3,5−トリアジン、ヘキサヒドロトリアジン等の複素環式3級アミン化合物を挙げることができる。 As the amine compound, for example, a tertiary amine compound can be used. Specifically, aliphatic tertiary amine compounds such as trimethylamine, triethylamine, tri-n-propylamine, triisopropylamine, tri-n-butylamine, triisobutylamine, tri-sec-butylamine, tri-tert-butylamine; pyridine And heterocyclic tertiary amine compounds such as pyrrole, pyrimidine, pyrazine, pyridazine, 1,3,5-triazine, and hexahydrotriazine.
アミン化合物は生成物であるトリアルキルガリウム化合物と付加体を形成するため、合成反応後、後述するように蒸留を行うことにより、トリアルキルガリウムのアミン付加体を熱分解させてトリアルキルガリウム化合物を単離することが好ましい。このため、トリアルキルガリウムのアミン付加体の熱分解温度がトリアルキルガリウム化合物の熱分解温度より高い場合は、トリアルキルガリウム化合物の分解も進行するため、アミン付加体の分解温度がトリアルキルガリウムの分解温度より低くなるようなアミン化合物を選択することが好ましい。 Since the amine compound forms an adduct with the product trialkylgallium compound, after the synthesis reaction, the trialkylgallium compound is pyrolyzed by pyrolyzing the amine adduct of trialkylgallium by distillation as described later. It is preferred to isolate. For this reason, when the thermal decomposition temperature of the amine adduct of trialkylgallium is higher than the thermal decomposition temperature of the trialkylgallium compound, the decomposition of the trialkylgallium compound also proceeds. It is preferable to select an amine compound that is lower than the decomposition temperature.
溶媒は、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用できる。但し、得られるトリアルキルガリウムの精製が容易になる点で、1種の溶媒を単独で使用することが好ましい。
使用比率
一般式(1)で表されるハロゲン化アルキルガリウム化合物とアルキル金属化合物との使用比率は、アルキル金属化合物の種類によって異なる。
A solvent can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. However, it is preferable to use one kind of solvent alone because the resulting trialkylgallium can be easily purified.
Usage Ratio The usage ratio of the alkylgallium halide compound represented by the general formula (1) and the alkyl metal compound varies depending on the type of the alkyl metal compound.
アルキル金属化合物がハロゲン化アルキルマグネシウム化合物である場合は、トリアルキルガリウム合成反応は下記式(2)で表すことができる。 When the alkyl metal compound is a halogenated alkyl magnesium compound, the trialkylgallium synthesis reaction can be represented by the following formula (2).
Ga2RmX6−m+(6−m)RMgX
→2GaR3+(6−m)MgX2 (2)
式(2)より、化学量論的組成比は、一般式(1)のハロゲン化アルキルガリウム化合物1モルに対して、ハロゲン化アルキルマグネシウム化合物(6−m)モルである。従って、一般式(1)の化合物1モルに対して、ハロゲン化アルキルマグネシウムを0.5(6−m)〜2(6−m)モル程度使用するのが好ましく、0.7(6−m)〜1.5(6−m)モル程度使用するのがより好ましい。
Ga 2 R m X 6-m + (6-m) RMgX
→ 2GaR 3 + (6-m) MgX 2 (2)
From the formula (2), the stoichiometric composition ratio is a halogenated alkylmagnesium compound (6-m) mole per 1 mole of the halogenated alkylgallium compound of the general formula (1). Therefore, it is preferable to use about 0.5 (6-m) to 2 (6-m) mole of alkylmagnesium halide with respect to 1 mole of the compound of the general formula (1). ) To 1.5 (6-m) moles are more preferable.
また、アルキル金属化合物がアルキルリチウム化合物である場合は、トリアルキルガリウム合成反応は下記式(3)で表すことができる。 Further, when the alkyl metal compound is an alkyl lithium compound, the trialkylgallium synthesis reaction can be represented by the following formula (3).
Ga2RmX6−m+(6−m)RLi
→2GaR3+(6−m)LiX (3)
式(3)より、化学量論的組成比は、一般式(1)のハロゲン化アルキルガリウム化合物1モルに対して、アルキルリチウム化合物(6−m)モルである。従って、一般式(1)の化合物1モルに対して、アルキルリチウム化合物を0.5(6−m)〜2(6−m)モル程度使用するのが好ましく、0.7(6−m)〜1.5(6−m)モル程度使用するのがより好ましい。
Ga 2 R m X 6-m + (6-m) RLi
→ 2GaR 3 + (6-m) LiX (3)
From the formula (3), the stoichiometric composition ratio is an alkyllithium compound (6-m) mole with respect to 1 mole of the halogenated alkylgallium compound of the general formula (1). Therefore, it is preferable to use about 0.5 (6-m) to 2 (6-m) moles of an alkyl lithium compound with respect to 1 mole of the compound of the general formula (1), and 0.7 (6-m) It is more preferable to use about ~ 1.5 (6-m) mol.
また、アルキル金属化合物がトリアルキルアルミニウム化合物である場合は、トリアルキルガリウム合成反応は下記式(4)で表すことができる。 When the alkyl metal compound is a trialkylaluminum compound, the trialkylgallium synthesis reaction can be represented by the following formula (4).
Ga2RmX6−m+(6−m)/3AlR3
→2GaR3+(6−m)/3AlX3 (4)
式(4)より、化学量論的組成比は、一般式(1)のハロゲン化アルキルガリウム化合物1モルに対して、トリアルキルアルミニウム化合物(6−m)/3モルである。従って、一般式(1)の化合物1モルに対して、トリアルキルアルミニウムを0.5〔(6−m)/3〕〜2〔(6−m)/3〕モル程度使用するのが好ましく、0.7〔(6−m)/3〕〜1.5〔(6−m)/3〕モル程度使用するのがより好ましい。
Ga 2 R m X 6-m + (6-m) / 3AlR 3
→ 2GaR 3 + (6-m) / 3AlX 3 (4)
From the formula (4), the stoichiometric composition ratio is trialkylaluminum compound (6-m) / 3 mol with respect to 1 mol of the halogenated alkylgallium compound of the general formula (1). Therefore, it is preferable to use about 0.5 [(6-m) / 3] to 2 [(6-m) / 3] mol of trialkylaluminum with respect to 1 mol of the compound of the general formula (1). It is more preferable to use about 0.7 [(6-m) / 3] to 1.5 [(6-m) / 3] mole.
また、アルキル金属化合物がジアルキル亜鉛化合物である場合は、トリアルキルガリウム合成反応は下記式(5)で表すことができる。 Further, when the alkyl metal compound is a dialkyl zinc compound, the trialkyl gallium synthesis reaction can be represented by the following formula (5).
Ga2RmX6−m+(6−m)/2ZnR2
→2GaR3+(6−m)/2ZnX2 (5)
式(5)より、化学量論的組成比は、一般式(1)のハロゲン化アルキルガリウム化合物1モルに対して、ジアルキル亜鉛化合物(6−m)/2モルである。従って、一般式(1)の化合物1モルに対して、ジアルキル亜鉛を0.5〔(6−m)/2〕〜2〔(6−m)/2〕モル程度使用するのが好ましく、0.7〔(6−m)/2〕〜1.5〔(6−m)/2〕モル程度使用するのがより好ましい。
Ga 2 R m X 6-m + (6-m) / 2ZnR 2
→ 2GaR 3 + (6-m) / 2ZnX 2 (5)
From the formula (5), the stoichiometric composition ratio is dialkylzinc compound (6-m) / 2 mol with respect to 1 mol of the halogenated alkylgallium compound of the general formula (1). Therefore, it is preferable to use about 0.5 [(6-m) / 2] to 2 [(6-m) / 2] moles of dialkyl zinc with respect to 1 mole of the compound of the general formula (1). It is more preferable to use about 0.7 [(6-m) / 2] to 1.5 [(6-m) / 2] mol.
いずれのアルキル金属化合物を使用する場合も、上記範囲であれば、十分に反応を進行させることができる。また余りにアルキル金属化合物の使用比率が高くてもそれ以上の効果は得られず、却って廃棄物が増えて後処理にその分手間がかかったり、コスト高になるだけであるが、上記の範囲であればこのような問題は生じない。
合成反応工程
本発明において、合成反応は、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の不活性ガス雰囲気下で行う。ハロゲン化アルキルガリウム化合物やアルキル金属化合物を合成する場合も、不活性ガス雰囲気下で行う。これら不活性ガスの純度は、好ましく99.99%(4N)以上、特に好ましくは99.9999%(6N)以上である。
In the case of using any alkyl metal compound, the reaction can sufficiently proceed within the above range. Moreover, even if the usage ratio of the alkyl metal compound is too high, no further effect can be obtained. On the other hand, the amount of waste increases and post-treatment takes time and costs are increased. If so, such a problem will not occur.
Synthesis reaction step In the present invention, the synthesis reaction is carried out in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, neon, argon, krypton, or xenon. When synthesizing a halogenated alkylgallium compound or an alkyl metal compound, it is carried out in an inert gas atmosphere. The purity of these inert gases is preferably 99.99% (4N) or more, particularly preferably 99.9999% (6N) or more.
特に、雰囲気ガス中の水分や酸素は、トリアルキルガリウムの収率を低下させるばかりでなく、純度低下の原因ともなり得るため、水分や酸素は極力除去した雰囲気ガスを使用することが望まれる。反応雰囲気ガスは好ましくは露点−80℃以下、酸素濃度100ppb以下、特に好ましくは露点−100℃以下、酸素濃度10ppb以下であることが望ましい。このような高純度の不活性ガスは、膜分離法、触媒反応法、液化精留法、PSA(Pressure Swing Adsorption)法などにより得ることができる。 In particular, moisture and oxygen in the atmospheric gas not only reduce the yield of trialkylgallium, but can also cause a decrease in purity, so it is desirable to use atmospheric gas from which moisture and oxygen have been removed as much as possible. The reaction atmosphere gas preferably has a dew point of −80 ° C. or lower and an oxygen concentration of 100 ppb or lower, particularly preferably a dew point of −100 ° C. or lower and an oxygen concentration of 10 ppb or lower. Such a high purity inert gas can be obtained by a membrane separation method, a catalytic reaction method, a liquefaction rectification method, a PSA (Pressure Swing Adsorption) method, or the like.
反応は、不活性ガス雰囲気下、通常溶媒中で一般式(1)のハロゲン化アルキルガリウム化合物とアルキル金属化合物とを接触させる。反応容器内へのこれらの化合物の添加順序は特に限定されないが、通常は、溶媒とハロゲン化アルキルガリウム化合物を入れ、次いで、アルキル金属化合物を加えることが好ましい。ハロゲン化アルキルガリウム化合物とアルキル金属化合物との反応性が高い場合は、アルキル金属化合物を少量づつ添加すればよい。反応性が低い場合は、一度に全量を加えることができる。 In the reaction, the halogenated alkylgallium compound of the general formula (1) and the alkyl metal compound are brought into contact with each other in an ordinary solvent in an inert gas atmosphere. The order of addition of these compounds into the reaction vessel is not particularly limited, but it is usually preferable to add a solvent and an alkyl gallium halide compound and then add an alkyl metal compound. When the reactivity between the halogenated alkylgallium compound and the alkyl metal compound is high, the alkyl metal compound may be added in small portions. If the reactivity is low, the whole amount can be added at once.
溶媒の使用量は、特に限定されないが、アルキル金属化合物仕込終了時に溶媒中のハロゲン化アルキルガリウム濃度及びアルキル金属濃度(ぞれぞれ、溶媒1Lに対するモル数を意味する。以下、同様。)のいずれもが0.01〜10moL/L程度となる量が好ましく、0.1〜5moL/L程度となる量がより好ましい。上記濃度範囲であれば、反応性、ひいてはトリアルキルガリウム収率が十分高くなるとともに、容易に反応を制御でき、即ち、突然反応が進みすぎたり、生成するハロゲン化アルキルマグネシウムの析出で反応が途中で終わってしまったり、副生するハロゲン化マグネシウムにより攪拌が困難となったりすることがない。 The amount of the solvent used is not particularly limited, but the alkylgallium halide concentration and the alkylmetal concentration in the solvent at the end of the preparation of the alkylmetal compound (each means the number of moles relative to 1 L of the solvent; the same applies hereinafter). In any case, an amount of about 0.01 to 10 moL / L is preferable, and an amount of about 0.1 to 5 moL / L is more preferable. When the concentration is within the above range, the reactivity and thus the yield of trialkylgallium are sufficiently high, and the reaction can be easily controlled, that is, the reaction proceeds suddenly, or the reaction is in progress due to precipitation of the generated alkylmagnesium halide. It does not end with, and stirring is difficult due to the by-product magnesium halide.
反応温度は、用いるハロゲン化アルキルガリウム化合物、アルキル金属化合物、溶媒の種類、及びその他の条件を考慮して、効率良く反応が進行する温度とすればよい。通常0〜200℃程度、好ましくは40〜160℃程度、より好ましくは60〜120℃程度の温度で反応を行えばよい。この温度下で、通常3〜30時間程度の反応によりトリアルキルガリウムが生成する。 The reaction temperature may be a temperature at which the reaction proceeds efficiently in consideration of the halogenated alkylgallium compound, the alkyl metal compound, the type of solvent, and other conditions. Usually, the reaction may be performed at a temperature of about 0 to 200 ° C, preferably about 40 to 160 ° C, more preferably about 60 to 120 ° C. Under this temperature, trialkylgallium is usually produced by a reaction of about 3 to 30 hours.
また、合成反応圧力は特に限定されず、大気圧下、減圧下、または加圧下で合成反応を行うことができる。
精製工程
反応終了後に得られるトリアルキルガリウムには、エーテル化合物やハロゲン化アルキルが付加したトリアルキルガリウムが含まれている。従って、反応液を蒸留することにより、これらの付加体を分解してトリアルキルガリウムを分留により単離すればよい。加熱温度は、トリアルキルガリウムの分解温度より低く、かつトリアルキルガリウムのエーテル付加体やハロゲン化アルキル付加体の分解温度より高い温度とすることが好ましい。蒸留は、常圧で行えばよいが、減圧蒸留を行ってもよい。
The synthesis reaction pressure is not particularly limited, and the synthesis reaction can be performed under atmospheric pressure, reduced pressure, or increased pressure.
The trialkyl gallium obtained after the completion of the purification step reaction contains trialkyl gallium to which an ether compound or an alkyl halide is added. Therefore, by distilling the reaction solution, these adducts can be decomposed and the trialkylgallium can be isolated by fractional distillation. The heating temperature is preferably lower than the decomposition temperature of the trialkyl gallium and higher than the decomposition temperature of the trialkyl gallium ether adduct or halogenated alkyl adduct. Distillation may be performed at normal pressure, but vacuum distillation may be performed.
さらに、精密蒸留や昇華等の方法で精製することにより、MOCVD原料として使用できる純度99.999(5N)%以上のトリアルキルガリウムが得られる。 Furthermore, by purifying by a method such as precision distillation or sublimation, a trialkylgallium having a purity of 99.999 (5N)% or more that can be used as a MOCVD raw material is obtained.
精製工程も、通常、不活性ガス雰囲気下で行う。
ガリウム系化合物半導体素子
本発明方法により得られるトリアルキルガリウムと、窒素含有化合物、リン含有化合物、及び砒素含有化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種のIII族元素含有化合物とを原料として、例えばMOCVDによるエピタキシャル成長により、ガリウム系化合物半導体素子のガリウム系化合物半導体薄膜を形成することができる。ガリウム系化合物半導体薄膜の代表例としては、トリアルキルガリウムと、アンモニアのような窒素含有化合物とを原料として形成される窒化ガリウム系化合物半導体薄膜が挙げられる。
The purification step is also usually performed in an inert gas atmosphere.
Gallium-based compound semiconductor device Using trialkylgallium obtained by the method of the present invention and at least one group III element-containing compound selected from the group consisting of nitrogen-containing compounds, phosphorus-containing compounds, and arsenic-containing compounds as raw materials, for example, MOCVD The gallium-based compound semiconductor thin film of the gallium-based compound semiconductor device can be formed by epitaxial growth. A typical example of the gallium compound semiconductor thin film is a gallium nitride compound semiconductor thin film formed using trialkylgallium and a nitrogen-containing compound such as ammonia as raw materials.
半導体の構造としては、MIS(Metal Insulator Semiconductor)接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。 Examples of the semiconductor structure include a MIS (Metal Insulator Semiconductor) junction, a homostructure having a PIN junction or a pn junction, a heterostructure, or a double heterostructure. Various emission wavelengths can be selected depending on the material of the semiconductor layer and the degree of mixed crystal. In addition, a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in which the semiconductor active layer is formed in a thin film in which a quantum effect is generated can be used.
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を例に挙げて説明すれば、窒化ガリウム系化合物半導体の基板にはサファイア、スピネル、SiC、Si、ZnO、およびGaN等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にMOCVD法などを用いて窒化ガリウム系化合物半導体を形成することができる。サファイア基板上にGaN、AlN、GaAIN等のバッファー層を形成しその上にpn接合を有する窒化物半導体を形成する。 If the gallium nitride compound semiconductor thin film is described as an example, materials such as sapphire, spinel, SiC, Si, ZnO, and GaN are preferably used for the gallium nitride compound semiconductor substrate. In order to form a nitride semiconductor with good crystallinity with high productivity, it is preferable to use a sapphire substrate. A gallium nitride compound semiconductor can be formed on the sapphire substrate by MOCVD or the like. A buffer layer of GaN, AlN, GaAIN or the like is formed on the sapphire substrate, and a nitride semiconductor having a pn junction is formed thereon.
窒化ガリウム系化合物半導体を使用したpn接合を有する発光素子例として、バッファー層上に、n型窒化ガリウムで形成した第1のコンタクト層、n型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第1のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、p型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第2のクラッド層、p型窒化ガリウムで形成した第2のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。 As an example of a light-emitting element having a pn junction using a gallium nitride compound semiconductor, a first contact layer formed of n-type gallium nitride and a first cladding layer formed of n-type aluminum nitride / gallium on a buffer layer A double hetero structure in which an active layer formed of indium gallium nitride, a second cladding layer formed of p-type aluminum nitride / gallium, and a second contact layer formed of p-type gallium nitride are sequentially stacked. It is done.
窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でn型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のn型窒化物半導体を形成させる場合は、n型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Te、C等を適宜導入することが好ましい。一方、p型窒化ガリウム系化合物半導体を形成させる場合は、p型ドーパントであるZn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等をドープさせる。窒化ガリウム系化合物半導体は、p型ドーパントをドープしただけではp型化しにくいためp型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子が得られる。
実施例
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例1]トリメチルガリウムの合成
(1)Ga 2 Me 3 I 3 の合成
窒素置換した100mL容量のガラス製オートクレーブにマグネチックスタラーチップを入れ、室温で、純度6Nのガリウム5.00g(72mmoL)、ヨウ化メチル22.78g(161mmoL)を導入する。オートクレーブ内を90℃まで昇温し、同温度で24時間加熱攪拌する。ガリウムは全て溶解し黄色液体となっている。生成物の同定は、M.J.S.Gynane,I.J.Worral,J.Organomet.Chem.,40,C59(1972)の記載を参考にして、IRスペクトルおよびラマンスペクトルにより行う。
(2)ヨウ化メチルマグネシウムの合成
窒素置換した300mL容量の4つ口フラスコに、室温で純度3Nの削状マグネシウム4.01g(167mmoL)、モレキュラーシーブスで十分脱水したジイソアミルエーテル68mLを加える。ドライアイスコンデンサーを取り付け、内温20℃に調整した後、ヨウ化メチル27.89g(197mmoL)を約2時間かけてフラスコ内溶液中に滴下する。この間、フラスコ内の温度は40℃を越えないように調節する。滴下終了後、室温で12時間攪拌する。
The gallium nitride compound semiconductor exhibits n-type conductivity without being doped with impurities. When forming a desired n-type nitride semiconductor, for example, to improve luminous efficiency, it is preferable to appropriately introduce Si, Ge, Se, Te, C, etc. as an n-type dopant. On the other hand, when forming a p-type gallium nitride compound semiconductor, p-type dopants such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, and Ba are doped. Since the gallium nitride compound semiconductor is difficult to be p-type only by being doped with a p-type dopant, it is preferable to lower the resistance by heating in a furnace or plasma irradiation after introducing the p-type dopant. After the electrodes are formed, a light emitting element made of a nitride semiconductor can be obtained by cutting the semiconductor wafer into chips.
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[Example 1] Synthesis of trimethylgallium
(1) Synthesis of Ga 2 Me 3 I 3 A magnetic stirrer chip is placed in a 100 mL capacity glass autoclave substituted with nitrogen, and at room temperature, 5.00 g (72 mmol) of 6N gallium and 22.78 g (161 mmol) of methyl iodide are used. ). The temperature inside the autoclave is raised to 90 ° C., and the mixture is heated and stirred at the same temperature for 24 hours. All the gallium is dissolved and becomes a yellow liquid. The identification of the product is J. et al. S. Gynane, I .; J. et al. Worral, J. et al. Organomet. Chem. , 40 , C59 (1972) with reference to the description of IR spectrum and Raman spectrum.
(2) Synthesis of methylmagnesium iodide To a 300 mL capacity four-necked flask purged with nitrogen, 4.01 g (167 mmol) of 3N-purified magnesium having a purity of 3N at room temperature and 68 mL of diisoamyl ether sufficiently dehydrated with molecular sieves are added. After attaching a dry ice condenser and adjusting the internal temperature to 20 ° C., 27.89 g (197 mmol) of methyl iodide is dropped into the solution in the flask over about 2 hours. During this time, the temperature in the flask is adjusted so as not to exceed 40 ° C. After completion of dropping, the mixture is stirred at room temperature for 12 hours.
得られた反応混合物をろ過する。Gilman二重滴定法(H.Gilman,F.K.Cantledge,J.Organomet.Chem.,2,447(1964)に記載の方法)により測定した結果、97.0%収率(162mmoL)でヨウ化メチルマグネシウムが生成している。
(3)Ga 2 Me 3 I 3 とヨウ化メチルマグネシウムとの反応
窒素置換した300mL容量の4つ口フラスコに、室温で上記合成したGa2Me3I3全量とモレキュラーシーブスで十分脱水したジイソアミルエーテル48mLとを加える。ドライアイスコンデンサーを取り付け、内温20℃に調整した後、上記合成したヨウ化メチルマグネシウム56g(114mmoL)相当のジイソアミルエーテル溶液をゆっくりと滴下する。滴下終了後90℃までオートクレーブ内温度を上げ、6時間加熱攪拌を行う。
The resulting reaction mixture is filtered. As a result of measurement by the Gilman double titration method (method described in H. Gilman, FK Cantledge, J. Organomet. Chem., 2 , 447 (1964)), it was found that the iodine was 97.0% yield (162 mmol). Methyl magnesium chloride is formed.
(3) Reaction of Ga 2 Me 3 I 3 with methylmagnesium iodide Into a nitrogen-substituted 300 mL four-necked flask, the total amount of Ga 2 Me 3 I 3 synthesized above at room temperature and diisoamyl sufficiently dehydrated with molecular sieves Add 48 mL of ether. A dry ice condenser is attached and the internal temperature is adjusted to 20 ° C., and then the synthesized diisoamyl ether solution equivalent to 56 g (114 mmol) of methylmagnesium iodide is slowly added dropwise. After completion of dropping, the temperature in the autoclave is increased to 90 ° C., and the mixture is stirred for 6 hours.
Ga2Me3I3の合成時、ヨウ化メチルマグネシウムの合成時、及びトリアルキルガリウム合成時に使用される窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。ヨウ化メチルマグネシウム仕込終了時の溶媒中のGa2Me3I3濃度は0.31moL/Lであり、ヨウ化メチルマグネシウム濃度は0.97moL/Lである(それぞれ、溶媒1Lに対するモル数。以下、同じ。)。 Nitrogen used in the synthesis of Ga 2 Me 3 I 3 , methylmagnesium iodide, and trialkylgallium has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb. The concentration of Ga 2 Me 3 I 3 in the solvent at the end of the preparation of methylmagnesium iodide is 0.31 mol / L, and the concentration of methylmagnesium iodide is 0.97 mol / L (respectively, the number of moles relative to 1 liter of solvent. ,the same.).
反応終了後、ジイソアミルエーテルが沸騰する状態で反応混合物よりガラスビーズを充填した長さ30cm、直径1.5cmのカラムを用いて粗トリメチルガリウムを分留する。
誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP−AES)Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometerによるガリウム定量により、6.09g(ガリウム換算で73.5%収率)の粗トリメチルガリウムが得られる。
[実施例2]トリメチルガリウムの合成
Ga 2 Me 3 I 3 とトリメチルアルミニウムとの反応
窒素置換した100mL容量のガラス製オートクレーブにマグネチックスタラーチップを入れ、室温で、実施例1で合成するGa2Me3I3全量にモレキュラーシーブスで十分脱水したトルエン50mL加える。次いで市販のトリメチルアルミニウム8.36g(116mmoL)を加え120℃で20時間加熱攪拌を行う。
After completion of the reaction, crude trimethylgallium is fractionated using a 30 cm long, 1.5 cm diameter column filled with glass beads from the reaction mixture in a state where diisoamyl ether is boiling.
By gallium quantification using an inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-AES) Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer, 6.09 g (73.5% yield in terms of gallium) of crude trimethylgallium is obtained.
[Example 2] Synthesis of trimethylgallium
Reaction of Ga 2 Me 3 I 3 and trimethylaluminum Put a magnetic stirrer chip in a 100 mL capacity glass autoclave with nitrogen substitution, and molecular sieves are sufficient for the total amount of Ga 2 Me 3 I 3 synthesized in Example 1 at room temperature. Add 50 mL of dehydrated toluene. Next, 8.36 g (116 mmol) of commercially available trimethylaluminum is added and heated and stirred at 120 ° C. for 20 hours.
使用される窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。トリメチルアルミニウム仕込終了時の溶媒中のGa2Me3I3濃度は0.50moL/Lであり、トリメチルアルミニウム濃度は1.61moL/Lである。 The nitrogen used has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb. The Ga 2 Me 3 I 3 concentration in the solvent at the end of the trimethylaluminum charge is 0.50 mol / L, and the trimethylaluminum concentration is 1.61 mol / L.
反応終了後、トルエンが沸騰する状態で反応混合物よりガラスビーズを充填した長さ30cm、直径1.5cmのカラムを用いて粗トリメチルガリウムを分留する。
誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、6.74g(ガリウム換算で81.5%収率)の粗トリエチルガリウムが得られる。
[実施例3]トリメチルガリウムの合成
(1)Ga 2 Me 3 Br 3 の合成
窒素置換した100mL容量のガラス製オートクレーブにマグネチックスタラーチップを入れ、室温で純度6Nのガリウム5.00g(72mmoL)、臭化メチル14.73g(155mmoL)を導入する。オートクレーブ内を90℃まで昇温し24時間加熱攪拌する。ガリウムは全て溶解し黄色液体となっている。
After completion of the reaction, crude trimethylgallium is fractionated using a 30 cm long, 1.5 cm diameter column filled with glass beads from the reaction mixture in a state where toluene is boiling.
6.74 g (81.5% yield in terms of gallium) of crude triethylgallium is obtained by gallium quantification using an inductively coupled plasma emission spectrometer.
[Example 3] Synthesis of trimethylgallium
(1) Synthesis of Ga 2 Me 3 Br 3 A magnetic stirrer chip was placed in a 100 mL glass autoclave purged with nitrogen, and 5.00 g (72 mmol) gallium having a purity of 6N at room temperature and 14.73 g (155 mmol) methyl bromide. Is introduced. The inside of the autoclave is heated to 90 ° C. and stirred for 24 hours. All the gallium is dissolved and becomes a yellow liquid.
生成物の同定は、M.J.S.Gynane,I.J.Worral,J.Organomet.Chem.,40,C59(1972)の記載を参考にしてIRスペクトルおよびラマンスペクトルにより行う。
(2)Ga 2 Me 3 Br 3 とヨウ化メチルマグネシウムの反応
窒素置換した300mL容量の4つ口フラスコに、室温で上記のように合成するGa2Me3Br3全量とモレキュラーシーブスで十分脱水したジイソアミルエーテル48mLとを加える。ドライアイスコンデンサーを取り付け、内温20℃に調整した後、実施例1で合成するヨウ化メチルマグネシウム56g(114mmoL)相当のジイソアミルエーテル溶液をゆっくりと滴下する。滴下終了後90℃までオートクレーブ内温度を上げ、6時間加熱攪拌を行う。
The identification of the product is J. et al. S. Gynane, I .; J. et al. Worral, J. et al. Organomet. Chem. , 40 , C59 (1972) with reference to the description of IR spectrum and Raman spectrum.
(2) Reaction of Ga 2 Me 3 Br 3 and methylmagnesium iodide A 300-mL four-necked flask purged with nitrogen was thoroughly dehydrated with Ga 2 Me 3 Br 3 synthesized as described above and molecular sieves at room temperature. Add 48 mL of diisoamyl ether. After attaching a dry ice condenser and adjusting the internal temperature to 20 ° C., a diisoamyl ether solution equivalent to 56 g (114 mmol) of methylmagnesium iodide synthesized in Example 1 is slowly added dropwise. After completion of dropping, the temperature in the autoclave is increased to 90 ° C., and the mixture is stirred for 6 hours.
Ga2Me3Br3の合成時、ヨウ化メチルマグネシウムの合成時、及びトリアルキルガリウム合成時に使用される窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。ヨウ化メチルマグネシウム仕込終了時の溶媒中のGa2Me3Br3濃度は0.32moL/Lであり、ヨウ化メチルマグネシウム濃度は1.02moL/Lである。 Nitrogen used in the synthesis of Ga 2 Me 3 Br 3 , methylmagnesium iodide, and trialkylgallium has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb. The Ga 2 Me 3 Br 3 concentration in the solvent at the end of the preparation of methylmagnesium iodide is 0.32 mol / L, and the concentration of methylmagnesium iodide is 1.02 mol / L.
反応終了後、ジイソアミルエーテルが沸騰する状態で反応混合物よりガラスビーズを充填した30cm×1.5cmのカラムを用いて粗トリメチルガリウムを分留する。 After completion of the reaction, crude trimethylgallium is fractionated using a 30 cm × 1.5 cm column packed with glass beads from the reaction mixture in a state where diisoamyl ether is boiling.
誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、5.92g(ガリウム換算で71.5%収率)の粗トリメチルガリウムが得られる。
[実施例4]トリエチルガリウムの合成
(1)Ga 2 Et 3 I 3 の合成
窒素置換した100mL容量のガラス製オートクレーブにマグネチックスタラーチップを入れ、室温で純度6Nのガリウム5.00g(72mmoL)、ヨウ化エチル24.11g(155mmoL)を導入する。オートクレーブ内を90℃まで昇温し24時間加熱攪拌する。ガリウムは全て溶解し黄色液体となっている。生成物の同定は、M.J.S.Gynane,I.J.Worral,J.Organomet.Chem.,40,C59(1972)の記載を参考にしてIRスペクトルおよびラマンスペクトルにより行う。
(2)ヨウ化エチルマグネシウムの合成
窒素置換した300mL容量の4つ口フラスコに、室温で純度3Nの削状マグネシウム4.17g(174mmoL)、及びモレキュラーシーブスで十分脱水したジエチルエーテル68mLを加える。ドライアイスコンデンサーを取り付け、内温20℃に調整した後、ヨウ化エチル29.65g(190mmoL)を約2時間かけてフラスコ内溶液中に滴下する。この間、フラスコ内の温度はジエチルエーテルが軽く沸騰するように調節する。滴下終了後、室温で12時間攪拌する。
By quantifying gallium with an inductively coupled plasma emission spectrometer, 5.92 g (71.5% yield in terms of gallium) of crude trimethylgallium is obtained.
[Example 4] Synthesis of triethylgallium
(1) Synthesis of Ga 2 Et 3 I 3 A magnetic stirrer chip was placed in a 100 mL glass autoclave purged with nitrogen, and 5.00 g (72 mmol) gallium having a purity of 6N and 24.11 g (155 mmol) ethyl iodide at room temperature. Is introduced. The inside of the autoclave is heated to 90 ° C. and stirred for 24 hours. All the gallium is dissolved and becomes a yellow liquid. The identification of the product is J. et al. S. Gynane, I .; J. et al. Worral, J. et al. Organomet. Chem. , 40 , C59 (1972) with reference to the description of IR spectrum and Raman spectrum.
(2) Synthesis of ethylmagnesium iodide To a 300 mL capacity four-necked flask purged with nitrogen is added 4.17 g (174 mmol) of 3N-purified magnesium having a purity of 3N at room temperature and 68 mL of diethyl ether sufficiently dehydrated with molecular sieves. After attaching a dry ice condenser and adjusting the internal temperature to 20 ° C., 29.65 g (190 mmol) of ethyl iodide is dropped into the solution in the flask over about 2 hours. During this time, the temperature in the flask is adjusted so that diethyl ether boils lightly. After completion of dropping, the mixture is stirred at room temperature for 12 hours.
得られた反応混合物をろ過する。Gilman二重滴定法(H.Gilman,F.K.Cantledge,J.Organomet.Chem.,2,447(1964)に記載の方法)により測定した結果、98.0%収率(171mmoL)でヨウ化エチルマグネシウムが生成している。
(3)Ga 2 Et 3 I 3 とヨウ化エチルマグネシウムとの反応
窒素置換した300mL容量の4つ口フラスコに、室温で上記のようにして合成するGa2Et3I3全量とモレキュラーシーブスで十分脱水したジエチルエーテル48mLとを加える。このフラスコにドライアイスコンデンサーを取り付け、内温20℃に調整した後、上記のようにして合成するヨウ化エチルマグネシウム56g(114mmoL)相当のジエチルエーテル溶液をゆっくりと滴下する。滴下終了後加熱し6時間還流する。
The resulting reaction mixture is filtered. As a result of measurement by the Gilman double titration method (the method described in H. Gilman, FK Cantledge, J. Organomet. Chem., 2 , 447 (1964)), it was found to be 98.0% yield (171 mmol). Ethyl magnesium bromide is formed.
(3) Reaction of Ga 2 Et 3 I 3 and ethyl magnesium iodide In a 300 mL capacity four-necked flask purged with nitrogen, the total amount of Ga 2 Et 3 I 3 synthesized as described above and molecular sieves are sufficient. Add 48 mL of dehydrated diethyl ether. A dry ice condenser is attached to the flask and the internal temperature is adjusted to 20 ° C., and then a diethyl ether solution equivalent to 56 g (114 mmol) of ethylmagnesium iodide synthesized as described above is slowly added dropwise. After completion of dropping, the mixture is heated and refluxed for 6 hours.
Ga2Et3I3の合成時、ヨウ化エチルマグネシウムの合成時、及びトリアルキルガリウム合成時に使用する窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。ヨウ化エチルマグネシウム仕込終了時の溶媒中のGa2Et3I3濃度は0.30moL/Lであり、ヨウ化エチルマグネシウム濃度は0.96moL/Lである。 Nitrogen used during the synthesis of Ga 2 Et 3 I 3 , ethylmagnesium iodide and trialkylgallium has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb. The Ga 2 Et 3 I 3 concentration in the solvent at the end of the preparation of ethyl magnesium iodide is 0.30 mol / L, and the concentration of ethyl magnesium iodide is 0.96 mol / L.
反応終了後、反応混合物よりガラスビーズを充填した長さ30cm、直径1.5cmのカラムを用いてまず常圧でジエチルエーテルを分留する。次いで、100Torrの減圧下で粗トリエチルガリウムを分留する(79〜81℃)。 After completion of the reaction, diethyl ether is first fractionated at normal pressure using a 30 cm long, 1.5 cm diameter column filled with glass beads from the reaction mixture. Next, crude triethylgallium is fractionally distilled at a reduced pressure of 100 Torr (79 to 81 ° C.).
誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、7.90g(ガリウム換算で69.9%収率)の粗トリエチルガリウムが得られる。
[実施例5]トリメチルガリウムの合成
Ga 2 Et 3 I 3 とエチルリチウムの反応
窒素置換した300mL容量の4つ口フラスコに、室温で実施例4で合成するGa2Et3I3全量とモレキュラーシーブスで十分脱水したジエチルエーテル48mLとを加える。このフラスコにドライアイスコンデンサーを取り付け、内温を20℃に調整した後、市販のエチルリチウムのジエチルエーテル溶液(1.0moL/L)72mL(72mmoL相当)をゆっくりと滴下する。滴下終了後加熱し6時間還流する。
By gallium quantification using an inductively coupled plasma optical emission spectrometer, 7.90 g (69.9% yield in terms of gallium) of crude triethylgallium is obtained.
[Example 5] Synthesis of trimethylgallium
Reaction of Ga 2 Et 3 I 3 and Ethyl Lithium A nitrogen-substituted 300 mL four-necked flask was charged with total amount of Ga 2 Et 3 I 3 synthesized in Example 4 and 48 mL of diethyl ether sufficiently dehydrated with molecular sieves at room temperature. Add. A dry ice condenser is attached to the flask and the internal temperature is adjusted to 20 ° C., and then 72 mL (equivalent to 72 mmol) of a commercially available diethyl ether solution of ethyllithium (1.0 mol / L) is slowly added dropwise. After completion of dropping, the mixture is heated and refluxed for 6 hours.
使用する窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。エチルリチウム仕込終了時の溶媒中のGa2Et3I3濃度は0.27moL/Lであり、エチルリチウム濃度は0.54moL/Lである。 The nitrogen used has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb. The Ga 2 Et 3 I 3 concentration in the solvent at the end of the ethyllithium charge is 0.27 mol / L, and the ethyllithium concentration is 0.54 mol / L.
反応終了後、反応混合物よりガラスビーズを充填した長さ30cm、直径1.5cmのカラムを用いてまず常圧でジエチルエーテルを分留する。次いで、100Torrの減圧下で粗トリエチルガリウムを分留する(79〜81℃)。
誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、9.20g(ガリウム換算で81.5%収率)の粗トリエチルガリウムが得られる。
[実施例6]トリメチルガリウムの合成
Ga 2 Me 3 I 3 とジメチル亜鉛との反応
窒素置換した(100)mL容量のガラス製オートクレーブにマグネチックスタラーチップを入れ、室温で実施例1で合成するGa2Me3I3全量にモレキュラーシーブスで十分脱水したトルエン50mL加える。次いで市販のジメチル亜鉛5.73g(60mmoL)を加え120℃で20時間加熱攪拌を行う。
After completion of the reaction, diethyl ether is first fractionated at normal pressure using a 30 cm long, 1.5 cm diameter column filled with glass beads from the reaction mixture. Next, crude triethylgallium is fractionally distilled at a reduced pressure of 100 Torr (79 to 81 ° C.).
9.20 g (81.5% yield in terms of gallium) of crude triethylgallium is obtained by gallium quantification using an inductively coupled plasma emission spectrometer.
[Example 6] Synthesis of trimethylgallium
Reaction of Ga 2 Me 3 I 3 and dimethylzinc A nitrogen-substituted (100) mL glass autoclave was charged with a magnetic stirrer chip and synthesized in Example 1 at room temperature, and molecular sieves were added to the total amount of Ga 2 Me 3 I 3. Add 50 mL of toluene dehydrated sufficiently. Next, 5.73 g (60 mmol) of commercially available dimethyl zinc is added, and the mixture is heated and stirred at 120 ° C. for 20 hours.
使用される窒素は、純度6N、露点−110℃、酸素濃度1ppbである。ジメチル亜鉛仕込終了時の溶媒中のGa2Me3I3濃度は(0.52)moL/Lであり、ジメチル亜鉛濃度は(0.87)moL/Lである。 The nitrogen used has a purity of 6N, a dew point of −110 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppb. The Ga 2 Me 3 I 3 concentration in the solvent at the end of the dimethylzinc charge is (0.52) moL / L, and the dimethylzinc concentration is (0.87) moL / L.
反応終了後、トルエンが沸騰する状態で反応混合物よりガラスビーズを充填した長さ30cm、直径1.5cmのカラムを用いて粗トリメチルガリウムを分留する。
誘導結合プラズマ発光分析装置によるガリウム定量により、7.08g(ガリウム換算で85.7%収率)の粗トリエチルガリウムが得られる。
以上より、ハロゲン化アルキルガリウム化合物を、アルキル金属化合物を用いてアルキル化することにより、実用上十分な約70%以上の収率でトリアルキルガリウムが得られることが分かる。
[実施例7]窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造
サファイア(C面)よりなる基板をMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)の反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
(バッファ層)
続いて、温度を510℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアと上記の実施例1で得られ、さらに精製されるトリメチルガリウムとを用い、基板上にGaNよりなるバッファ層を約150オングストロームの膜厚で成長させる。この反応は以下の式で表される。
After completion of the reaction, crude trimethylgallium is fractionated using a 30 cm long, 1.5 cm diameter column filled with glass beads from the reaction mixture in a state where toluene is boiling.
By gallium quantification with an inductively coupled plasma emission spectrometer, 7.08 g (85.7% yield in terms of gallium) of crude triethylgallium is obtained.
From the above, it can be seen that trialkylgallium can be obtained in a yield of about 70% or more, which is practically sufficient, by alkylating the halogenated alkylgallium compound with an alkyl metal compound.
[Example 7] Manufacture of gallium nitride compound semiconductor device A substrate made of sapphire (C-plane) was set in a reaction vessel of MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), and the temperature of the substrate was increased to 1050 ° C while flowing hydrogen. Raise the substrate and clean the substrate.
(Buffer layer)
Subsequently, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia is used as a source gas, and trimethyl gallium obtained in the above-described Example 1 is further purified. Grow with angstrom thickness. This reaction is represented by the following formula.
Ga(CH3)3+NH3→GaN+3CH4
(アンドープGaN層)
バッファ層成長後、トリメチルガリウムのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させる。1050℃になったら、同じく原料ガスにトリメチルガリウム、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層を1.5μmの膜厚で成長させる。
(n側コンタクト層)
続いて1050℃で、同じく原料ガスにトリメチルガリウム、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Siを4.5×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層を2.25μmの膜厚で成長させる。
(n側第1多層膜層)
次にシランガスのみを止め、1050℃で、トリメチルガリウム、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層を75オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しSiを4.5×1018/cm3ドープしたGaN層を25オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、75オングストロームのアンドープGaN層からなるA層と、SiドープGaN層を有する25オングストロームのB層とからなるペアを成長させる。そしてペアを25層積層して2500オングストローム厚として、超格子構造の多層膜よりなるn側第1多層膜層を成長させる。
(n側第2多層膜層)
次に、同様の温度で、アンドープGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長させ、次に温度を800℃にして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを用い、アンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる第1の窒化物半導体層を20オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第2+第1の順で交互に10層づつ積層させ、最後にGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるn側第2多層膜層を640オングストロームの膜厚で成長させる。
(活性層)
次に、アンドープGaNよりなる障壁層を200オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを用いアンドープIn0.4Ga0.6Nよりなる井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を5層、井戸層を4層、交互に積層して、総膜厚1120オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層を成長させる。
(p側多層膜クラッド層)
次に、温度1050℃でトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第3の窒化物半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いMgを1×1020/cm3ドープしたIn0.03Ga0.97Nよりなる第4の窒化物半導体層を25オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第3+第4の順で交互に5層ずつ積層し、最後に第3の窒化物半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるp側多層膜クラッド層を365オングストロームの膜厚で成長させる。
(p側GaNコンタクト層)
続いて1050℃で、トリメチルガリウム、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層を700オングストロームの膜厚で成長させる。
Ga (CH 3 ) 3 + NH 3 → GaN + 3CH 4
(Undoped GaN layer)
After growing the buffer layer, only trimethylgallium is stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C., trimethylgallium and ammonia gas are similarly used as source gases, and an undoped GaN layer is grown to a thickness of 1.5 μm.
(N-side contact layer)
Subsequently, at 1050 ° C., an n-side contact layer made of GaN doped with 4.5 × 10 18 / cm 3 of Si is used, using trimethyl gallium, ammonia gas as source gas, and silane gas as impurity gas, and a film thickness of 2.25 μm. Grow in.
(N-side first multilayer film layer)
Next, the silane gas alone was stopped, and an undoped GaN layer was grown to a thickness of 75 Å at 1050 ° C. using trimethyl gallium and ammonia gas. Subsequently, silane gas was added at the same temperature to add Si to 4.5 × 10 18. A / cm 3 -doped GaN layer is grown to a thickness of 25 Å. In this way, a pair consisting of an A layer composed of an undoped GaN layer of 75 angstroms and a 25 angstrom B layer having an Si doped GaN layer is grown. Then, 25 pairs are stacked to have a thickness of 2500 Å, and an n-side first multilayer film made of a multilayer film having a superlattice structure is grown.
(N-side second multilayer film layer)
Next, a second nitride semiconductor layer made of undoped GaN is grown at a similar temperature by 40 Å, and then at a temperature of 800 ° C., using trimethylgallium, trimethylindium, and ammonia, and using undoped In 0.13 Ga. A first nitride semiconductor layer made of 0.87 N is grown by 20 Å. Then, these operations are repeated, and 10 layers are alternately stacked in the order of 2 + 1 and finally, the n-side formed of a multi-layer film having a superlattice structure in which a second nitride semiconductor layer made of GaN is grown by 40 angstroms. A second multilayer layer is grown to a thickness of 640 angstroms.
(Active layer)
Next, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 200 angstroms, followed by a temperature of 800 ° C. and a well made of undoped In 0.4 Ga 0.6 N using trimethylgallium, trimethylindium, and ammonia. The layer is grown to a thickness of 30 angstroms. Then, an active layer having a multiple quantum well structure with a total film thickness of 1120 angstroms is formed by alternately laminating five barrier layers and four well layers in the order of barrier + well + barrier + well. Grow.
(P-side multilayer clad layer)
Next, a third layer of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg using trimethyl gallium, trimethyl aluminum, ammonia, biscyclopentadienyl magnesium at a temperature of 1050 ° C. The nitride semiconductor layer is grown to a thickness of 40 Å, and then the temperature is set to 800 ° C., and Mg is doped with 1 × 10 20 / cm 3 using trimethylgallium, trimethylindium, ammonia, and biscyclopentadienylmagnesium. A fourth nitride semiconductor layer made of In 0.03 Ga 0.97 N is grown to a thickness of 25 Å. Then, these operations are repeated, and 5 layers are alternately stacked in the order of 3 + 4, and finally, the third nitride semiconductor layer is grown to a thickness of 40 angstroms and is formed of a superlattice multilayer film. A side multilayer cladding layer is grown to a film thickness of 365 angstroms.
(P-side GaN contact layer)
Subsequently, at 1050 ° C., a p-side contact layer made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown to a thickness of 700 Å using trimethylgallium, ammonia, and biscyclopentadienylmagnesium.
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウエハーを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。 After completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.
アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)装置でp側コンタクト層側からエッチングを行い、n側コンタクト層の表面を露出させる。 After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer, and etching is performed from the p-side contact layer side with a reactive ion etching (RIE) apparatus. To expose the surface of the n-side contact layer.
エッチング後、最上層にあるp側コンタクト層のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiとAuを含む透光性のp電極10と、そのp電極の上にボンディング用のAuよりなるpパッド電極を0.5μmの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたn側コンタクト層の表面にはWとAlを含むn電極を形成して窒化ガリウム系化合物半導体素子とする。 After etching, a translucent p-electrode 10 containing Ni and Au having a thickness of 200 angstroms is formed on almost the entire surface of the p-side contact layer on the uppermost layer, and a p-pad electrode made of Au for bonding is formed on the p-electrode. It is formed with a film thickness of 0.5 μm. On the other hand, an n-electrode containing W and Al is formed on the surface of the n-side contact layer exposed by etching to form a gallium nitride compound semiconductor device.
この窒化ガリウム系化合物半導体素子は順方向電流20mAにおいて、520nmの純緑色発光を示す。 This gallium nitride-based compound semiconductor device emits pure green light of 520 nm at a forward current of 20 mA.
なお、別の構成を有する窒化ガリウム系化合物半導体素子にもトリメチルガリウムを使用することができる。例えば、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウムとを用い、基板上にGaNよりなるバッファ層を成長させる。このGaNよりなる第1のバッファ層の上に、アンドープGaNよりなる第2のバッファ層、SiドープGaNよりなるn側コンタクト層、多重量子井戸構造よりなる活性層、単一のMgドープAl0.1Ga0.9N層、MgドープGaNからなるp側コンタクト層を順に積層したものなどがある。 Trimethylgallium can also be used for a gallium nitride compound semiconductor device having another configuration. For example, ammonia and trimethyl gallium are used as source gases, and a buffer layer made of GaN is grown on the substrate. On the first buffer layer made of GaN, a second buffer layer made of undoped GaN, an n-side contact layer made of Si-doped GaN, an active layer made of a multiple quantum well structure, a single Mg-doped Al 0. For example, a 1 Ga 0.9 N layer and a p-side contact layer made of Mg-doped GaN are sequentially stacked.
本発明方法により得られるトリアルキルガリウムは、エピタキシャル結晶成長によりガリウム系化合物半導体薄膜を形成するための原料として好適に使用できる。
The trialkylgallium obtained by the method of the present invention can be suitably used as a raw material for forming a gallium compound semiconductor thin film by epitaxial crystal growth.
Claims (4)
Ga2RmX6−m (1)
(式中、Rはメチル基またはエチル基を示し、Xはハロゲン原子を示す。mは1〜5の整数を示す)
で表される少なくとも1種のハロゲン化アルキルガリウム化合物と、リチウム含有化合物、マグネシウム含有化合物、及び亜鉛含有化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種のアルキル金属化合物とを反応させることによりトリアルキルガリウム化合物を合成するトリアルキルガリウムの製造方法。 The following general formula (1)
Ga 2 R m X 6-m (1)
(In the formula, R represents a methyl group or an ethyl group, X represents a halogen atom, and m represents an integer of 1 to 5).
A trialkylgallium compound by reacting at least one halogenated alkylgallium compound represented by the formula: at least one alkyl metal compound selected from the group consisting of a lithium-containing compound, a magnesium-containing compound, and a zinc-containing compound. A method of producing trialkylgallium for synthesizing
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