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JP4900966B2 - Method for producing gallium hydride gas and method for producing gallium nitride crystal - Google Patents
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JP4900966B2 - Method for producing gallium hydride gas and method for producing gallium nitride crystal - Google Patents

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Description

本発明は、水素化ガリウムガスを製造する方法と、その水素化ガリウムガスを用いて窒化ガリウムの結晶を製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a gallium hydride gas and a method for producing a gallium nitride crystal using the gallium hydride gas.

窒化ガリウム(GaN)の結晶は、例えば発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)のような発光デバイスや、電界効果トランジスタ(FET)や高電子移動度トランジスタ(HEMT)のような電子デバイスへの応用が期待されている。一般的に、高品質の結晶を得るため、結晶を一度融解し、その後再結晶させる方法が用いられている。しかし、窒化ガリウムを融解するためには非常に高温にする必要があるため、常圧ではガリウム(Ga)と窒素(N)に分解されてしまう。そのような分解を防ぎながら高純度の窒化ガリウム結晶を得るためには、高温高圧(2530℃、45000気圧以上)の条件が必要となる。そのため、工業的に窒化ガリウム結晶を成長させるため、従来は有機金属気相エピタキシャル成長(MOVPE)法やハイドライド気相エピタキシャル成長(HVPE)法が用いられ、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)や塩化ガリウム(GaCl3 )等が使用されている。
以下は、MOCVD法においてトリメチルガリウムとアンモニア(NH3 )から窒化ガリウム結晶を生成させる際の反応式である。
(CH3 )3 Ga+NH3 →GaN+3CH4
以下は、HVPE法においてガリウムと塩化水素(HCl)から塩化ガリウム(GaCl3 )を生成し、その塩化ガリウムとアンモニアから窒化ガリウム結晶を生成させる際の反応式である。
Ga+3HCl→GaCl3 +3/2H2
GaCl3 +NH3 →GaN+3HCl
しかし、トリメチルガリウムのような炭素を含むガリウム原料を使用するMOVPE法においては、窒化ガリウム結晶内に炭素が混入する。炭素はn型とp型の何れの特性も示すため、半導体としての窒化ガリウム結晶におけるキャリア濃度が不安定になる。塩化ガリウムを使用するHVPE法においては、塩化物が発生するために結晶成長用装置が腐食してしまう。
Gallium nitride (GaN) crystals are used for light-emitting devices such as light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LD), and for electronic devices such as field-effect transistors (FETs) and high-electron mobility transistors (HEMTs). Application is expected. In general, in order to obtain high-quality crystals, a method is used in which the crystals are once melted and then recrystallized. However, since gallium nitride needs to be melted at a very high temperature, it is decomposed into gallium (Ga) and nitrogen (N) at normal pressure. In order to obtain a high-purity gallium nitride crystal while preventing such decomposition, conditions of high temperature and high pressure (2530 ° C., 45000 atmospheres or more) are required. Therefore, in order to grow a gallium nitride crystal industrially, conventionally, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method or a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method is used. 3 ) etc. are used.
The following is a reaction formula for generating a gallium nitride crystal from trimethylgallium and ammonia (NH 3 ) in the MOCVD method.
(CH 3 ) 3 Ga + NH 3 → GaN + 3CH 4
The following is a reaction formula for producing gallium chloride (GaCl 3 ) from gallium and hydrogen chloride (HCl) and producing a gallium nitride crystal from the gallium chloride and ammonia in the HVPE method.
Ga + 3HCl → GaCl 3 + 3 / 2H 2
GaCl 3 + NH 3 → GaN + 3HCl
However, in the MOVPE method using a gallium raw material containing carbon such as trimethylgallium, carbon is mixed in the gallium nitride crystal. Since carbon exhibits both n-type and p-type characteristics, the carrier concentration in a gallium nitride crystal as a semiconductor becomes unstable. In the HVPE method using gallium chloride, the crystal growth apparatus is corroded because chloride is generated.

上記方法に代わる結晶成長法としてナトリウムフラックス法を用いて窒化ガリウム結晶を融液成長させることが検討されている。しかし、この方法ではナトリウム(Na)が結晶内に不純物として混入してしまう恐れがある。   As a crystal growth method that replaces the above method, it has been studied to grow a gallium nitride crystal in a melt using a sodium flux method. However, in this method, sodium (Na) may be mixed as an impurity in the crystal.

そこで、ガリウム金属と水素(H2 )を反応させることにより水素化ガリウムガスを発生させ、発生した水素化ガリウムガスとアンモニアを反応させることにより窒化ガリウム単結晶を成長させることが検討されている(非特許文献1参照)。 Therefore, it has been studied to generate a gallium hydride gas by reacting gallium metal and hydrogen (H 2 ), and to grow a gallium nitride single crystal by reacting the generated gallium hydride gas and ammonia ( Non-patent document 1).

また、窒化ガリウム結晶にn型の電気特性を持たせるため、一般的にはシリコン(Si)がn型ドーパントとして使用されている。しかし、シリコンをドーピングするためには取り扱いに危険を伴うシラン(SiH4 )ガスを用いる必要がある。 In order to give n-type electrical characteristics to the gallium nitride crystal, silicon (Si) is generally used as an n-type dopant. However, in order to dope silicon, it is necessary to use silane (SiH 4 ) gas, which is dangerous to handle.

そこで、HVPE法等により窒化ガリウム結晶を成長させる際に、塩化物を含む反応ガス中に水(H2 O)又は酸素(O2 )を混入させることで、結晶に酸素をドーピングしてn型の電気特性を持たせることが提案されている(特許文献1参照)。 Therefore, when a gallium nitride crystal is grown by the HVPE method or the like, the crystal is doped with oxygen by mixing water (H 2 O) or oxygen (O 2 ) into a reaction gas containing chloride, thereby forming an n-type. It has been proposed to have the following electrical characteristics (see Patent Document 1).

Examination of Effects of H2 Concentration in Reactant Gas on GaN Growth by Gallium Hydride Vapor Phase Epitaxy (Mamoru Imade, Fumio Kawamura, Minoru Kawahara, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori and Takatomo Sasaki, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.45(2006), No.33 pp L878-L880)Examination of Effects of H2 Concentration in Reactant Gas on GaN Growth by Gallium Hydride Vapor Phase Epitaxy (Mamoru Imade, Fumio Kawamura, Minoru Kawahara, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori and Takatomo Sasaki, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.45 (2006), (No.33 pp L878-L880) 特開2000−44400号公報JP 2000-44400 A

従来のガリウム金属と水素から水素化ガリウムガスを発生させる反応においては、自由エネルギーの変化が反応に不利となるために反応が進みにくく、水素化ガリウムガスの発生量が少なくなる。また、ガリウムは融点が約30℃と低く水素との反応温度では液体となるため、水素ガスとの接触面積が小さくなり、やはり水素化ガリウムガスの発生量が少なくなる。このように水素化ガリウムガスの発生量が少ないと、窒化ガリウム結晶の成長速度が遅くなる。そこで、ガリウム金属を担持体により保持することで水素ガスとの接触面積を増大させることが考えられる。しかし、反応温度が高いために保持したガリウム金属が融解して凝集するために接触面積を確保できなくなり、また、担持体が分解されて水素と反応することで不純物を発生するおそれがある。   In the conventional reaction in which gallium hydride gas is generated from gallium metal and hydrogen, since the change in free energy is disadvantageous to the reaction, the reaction does not proceed easily, and the amount of gallium hydride gas generated is reduced. Further, since gallium has a low melting point of about 30 ° C. and becomes a liquid at the reaction temperature with hydrogen, the contact area with hydrogen gas is reduced, and the amount of gallium hydride gas generated is also reduced. Thus, when the amount of gallium hydride gas generated is small, the growth rate of the gallium nitride crystal becomes slow. Therefore, it is conceivable to increase the contact area with the hydrogen gas by holding the gallium metal by the carrier. However, since the held gallium metal melts and aggregates due to the high reaction temperature, the contact area cannot be secured, and impurities may be generated by the decomposition of the support and reaction with hydrogen.

従来のHVPE法等により窒化ガリウム結晶を成長させる際に、塩化物を含む反応ガス中に水又は酸素を混入させることで窒化ガリウム結晶にn型ドーパントとして酸素をドープする場合、塩化物により結晶成長用装置が腐食するおそれがある。   When a gallium nitride crystal is grown by a conventional HVPE method or the like, oxygen is added to the gallium nitride crystal as an n-type dopant by mixing water or oxygen into a reaction gas containing chloride. Equipment may corrode.

本発明は、上記のような課題を解決するのに寄与できる水素化ガリウムガスの製造方法および窒化ガリウム結晶の製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the gallium hydride gas which can contribute to solving the above subjects, and the manufacturing method of a gallium nitride crystal.

本発明による水素化ガリウムガスの製造方法は、酸化ガリウム(Ga2 3 )と水素を反応させることにより水素化ガリウムガスを発生させる工程を備えることを特徴とする。この場合、固体の酸化ガリウムを収容した反応容器内に水素ガスを導入し、その反応容器内で酸化ガリウムと水素を反応させればよい。水素化ガリウムガスの発生量を確保する上で酸化ガリウムと水素の反応を高温下で行なうようにし、発生した水素化ガリウムガスの分解を防止する上では上限温度を制限するのが好ましいことから、その反応を600℃〜1200℃の温度下で行なうのが好ましく、700℃〜1100℃にするのがより好ましく、800℃〜1000℃するのがさらに好ましい。このようにして発生した水素化ガリウムガスの具体例としては、例えばGaH3 やGa2 6 が挙げられる。
本発明は、酸化ガリウムを水素で還元することにより水素化ガリウムガスを発生させ、その水素化ガリウムガスと含窒素化合物を反応させることで窒化ガリウム結晶を成長させることができることを見出したことに基づく。すなわち、酸化ガリウムと水素を反応させることにより水素化ガリウムガスを発生させる反応式は以下により表される。
XGa2 3 +(Y+3X)H2 →2GaX Y +3XH2
ここで、GaX Y におけるX=1〜2、Y=1〜6。
これに対し、従来のガリウム金属と水素を反応させることにより水素化ガリウムガスを発生させる反応式は以下により表される。
XGa+1/2YH2 →GaX Y
酸化ガリウムと水素の反応は、水素化ガリウムが生成されるだけでなく副生物として水が生成されるため、従来のガリウム金属と水素の反応により水素化ガリウムガスを生成させる場合に比べ、自由エネルギーの変化が反応に有利となるため、反応が進みやすくなる。
The method for producing gallium hydride gas according to the present invention includes a step of generating gallium hydride gas by reacting gallium oxide (Ga 2 O 3 ) with hydrogen. In this case, hydrogen gas may be introduced into a reaction vessel containing solid gallium oxide, and gallium oxide and hydrogen may be reacted in the reaction vessel. In order to ensure the amount of gallium hydride gas generated, the reaction between gallium oxide and hydrogen is performed at a high temperature, and in order to prevent decomposition of the generated gallium hydride gas, it is preferable to limit the upper limit temperature, The reaction is preferably performed at a temperature of 600 ° C to 1200 ° C, more preferably 700 ° C to 1100 ° C, and even more preferably 800 ° C to 1000 ° C. Specific examples of the gallium hydride gas generated in this way include, for example, GaH 3 and Ga 2 H 6 .
The present invention is based on the discovery that a gallium nitride crystal can be grown by generating gallium hydride gas by reducing gallium oxide with hydrogen and reacting the gallium hydride gas with a nitrogen-containing compound. . That is, a reaction formula for generating gallium hydride gas by reacting gallium oxide with hydrogen is expressed as follows.
XGa 2 O 3 + (Y + 3X) H 2 → 2Ga X H Y + 3XH 2 O
Here, X = 1 to 2, Y = 1 to 6 in Ga X H Y.
On the other hand, a reaction equation for generating gallium hydride gas by reacting gallium metal with hydrogen is represented by the following.
XGa + 1 / 2YH 2 → Ga X H Y
The reaction between gallium oxide and hydrogen generates not only gallium hydride but also water as a by-product, so free energy compared to the conventional case where gallium hydride gas is generated by the reaction between gallium metal and hydrogen. Since the change in is advantageous for the reaction, the reaction is likely to proceed.

また、ガリウム金属は融点が低いため水素との反応温度では液体となるのに対し、酸化ガリウムは融点が約1900℃と高いため水素との反応温度でも固体となる。これにより、担持体のようなものを用いることなく酸化ガリウムと水素ガスの接触面積を大きくできる。そのため、酸化ガリウムを粉末あるいはペレットの状態で水素と反応させるのが、酸化ガリウムと水素ガスの接触面積を大きくする上で好ましい。酸化ガリウムを粉末状とする場合は例えば中位粒径を1〜100μmにする。また、粉末状の酸化ガリウムをペレット状にして嵩密度を大きくすることで、水素ガスとの接触領域への仕込み量を増加させることができる。酸化ガリウムをペレット状にする場合は例えば直径1〜10mmの円柱状に成形する。   In addition, gallium metal has a low melting point and thus becomes liquid at the reaction temperature with hydrogen, whereas gallium oxide has a high melting point of about 1900 ° C. and therefore becomes solid even at the reaction temperature with hydrogen. Thereby, the contact area of a gallium oxide and hydrogen gas can be enlarged, without using a thing like a support body. Therefore, it is preferable to react gallium oxide with hydrogen in the form of powder or pellets in order to increase the contact area between gallium oxide and hydrogen gas. When gallium oxide is powdered, for example, the median particle size is set to 1 to 100 μm. In addition, by making powdered gallium oxide into a pellet and increasing the bulk density, the amount charged into the contact area with hydrogen gas can be increased. When gallium oxide is formed into a pellet, it is formed into a cylindrical shape having a diameter of 1 to 10 mm, for example.

本発明の窒化ガリウム結晶の製造方法は、本発明により製造された水素化ガリウムガスを含窒素化合物と反応させることで、窒化ガリウムの結晶を成長させる工程を備えることを特徴とする。酸化ガリウムと水素の反応が、従来のガリウム金属と水素の反応よりも進みやすいことにより、窒化ガリウム結晶の成長速度を向上できる。その窒化ガリウムを結晶成長用基板上でエピタキシャル成長させることで単結晶とすることができる。その結晶成長用基板としては、例えば、サファイア、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、ガリウム砒素、シリコン、酸化ガリウム、酸化亜鉛の基板を用いることができる。含窒素化合物の分解を促進して結晶品質を確保する上では水素化ガリウムガスと含窒素化合物の反応を高温下で行うようにし、成長した窒化ガリウム結晶の分解を防止する上では上限温度を制限するのが好ましいことから、その反応を800℃〜1200℃の温度下で行なうのが好ましく、900℃〜1100℃にするのがより好ましい。   The method for producing a gallium nitride crystal of the present invention comprises a step of growing a gallium nitride crystal by reacting the gallium hydride gas produced according to the present invention with a nitrogen-containing compound. Since the reaction between gallium oxide and hydrogen is easier to proceed than the conventional reaction between gallium metal and hydrogen, the growth rate of the gallium nitride crystal can be improved. The gallium nitride is epitaxially grown on a crystal growth substrate, whereby a single crystal can be obtained. As the crystal growth substrate, for example, a sapphire, silicon carbide, gallium nitride, gallium arsenide, silicon, gallium oxide, or zinc oxide substrate can be used. In order to promote the decomposition of nitrogen-containing compounds and ensure crystal quality, the reaction between gallium hydride gas and nitrogen-containing compounds is performed at a high temperature, and the maximum temperature is limited to prevent decomposition of the grown gallium nitride crystals. Therefore, the reaction is preferably performed at a temperature of 800 ° C. to 1200 ° C., more preferably 900 ° C. to 1100 ° C.

本発明による窒化ガリウム結晶の製造方法において、前記水素化ガリウムガスの発生に伴って発生する水分子由来の酸素を、前記窒化ガリウムの結晶を成長させる工程においてn型ドーパントとして前記窒化ガリウム結晶にドープするのが好ましい。その水分子由来の酸素を確保する上では、酸化ガリウムと水素の反応および水素化ガリウムガスと含窒素化合物の反応を上記のように高温下で行なうのが好ましい。
これにより、外部から新たな酸素源を供給することなく、窒化ガリウム結晶に酸素をn型ドーパントとしてドープできるので、従来のHVPE法におけるような塩化物が発生することはない。また、本発明においては窒化ガリウム結晶の原料に炭素が含まれていないことから、反応領域での不純物としての炭素濃度を極めて低くでき、窒化ガリウム結晶内の炭素濃度を1×1017cm-3以下にすることが可能になる。これにより、半導体としての窒化ガリウム結晶において、酸素はn型キャリアとしての機能を炭素により阻害されることなく略濃度に応じて奏することができ、ドープされる酸素量に応じたキャリア濃度を得ることができる。この場合、窒化ガリウム結晶における酸素濃度は1×1016cm-3〜1×1020cm-3であるのが好ましい。
In the method for producing a gallium nitride crystal according to the present invention, oxygen derived from water molecules generated with the generation of the gallium hydride gas is doped into the gallium nitride crystal as an n-type dopant in the step of growing the gallium nitride crystal. It is preferable to do this. In order to secure oxygen derived from the water molecules, it is preferable that the reaction between gallium oxide and hydrogen and the reaction between gallium hydride gas and nitrogen-containing compound are performed at a high temperature as described above.
Thereby, oxygen can be doped into the gallium nitride crystal as an n-type dopant without supplying a new oxygen source from the outside, so that no chloride is generated as in the conventional HVPE method. In the present invention, since the gallium nitride crystal raw material does not contain carbon, the carbon concentration as an impurity in the reaction region can be extremely low, and the carbon concentration in the gallium nitride crystal can be reduced to 1 × 10 17 cm −3. It is possible to: As a result, in a gallium nitride crystal as a semiconductor, oxygen can perform the function as an n-type carrier according to a substantially concentration without being inhibited by carbon, and obtain a carrier concentration according to the amount of oxygen to be doped. Can do. In this case, the oxygen concentration in the gallium nitride crystal is preferably 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 .

本発明により窒化ガリウム結晶を成長させるために用いられる装置は、第1反応容器と、第2反応容器と、両反応容器を接続するガス流路と、各反応容器内の加熱装置とを備え、前記第1反応容器内に固体の酸化ガリウムの載置部、水素ガス導入口、および前記ガス流路に接続される水素化ガリウムガス流出口が設けられ、前記第2反応容器内に結晶成長用基板の載置部、前記ガス流路に接続される水素化ガリウムガスの導入口、含窒素化合物ガスの導入口、および排ガスの排出口が設けられるのが好ましい。これにより、第1反応容器内で酸化ガリウムと水素を高温で反応させ、発生した水素化ガリウムガスと含窒素化合物を第2反応容器内で高温で反応させ、基板上で窒化ガリウム結晶を成長させることができる。第1反応容器内で発生した水素化ガリウムガスを、水素化ガリウム及び水素と反応しない不活性ガスにより第2反応容器まで搬送するのが好ましい。加熱装置により各反応容器内の温度を独立して制御可能であるのが好ましい。水素化ガリウムガスは結晶成長用基板の表面に沿って流れ、含窒素化合物は結晶成長用基板の表面に吹き付けられるように流れるように、水素化ガリウムガスの導入口と含窒素化合物ガスの導入口が結晶成長用基板に対して相対配置されているのが好ましい。   An apparatus used for growing a gallium nitride crystal according to the present invention comprises a first reaction vessel, a second reaction vessel, a gas flow path connecting both reaction vessels, and a heating device in each reaction vessel, A solid gallium oxide mounting portion, a hydrogen gas inlet, and a gallium hydride gas outlet connected to the gas flow path are provided in the first reaction vessel, and crystal growth is provided in the second reaction vessel. It is preferable that a substrate mounting portion, a gallium hydride gas introduction port connected to the gas flow path, a nitrogen-containing compound gas introduction port, and an exhaust gas discharge port are provided. Thereby, gallium oxide and hydrogen are reacted at a high temperature in the first reaction vessel, and the generated gallium hydride gas and a nitrogen-containing compound are reacted at a high temperature in the second reaction vessel to grow a gallium nitride crystal on the substrate. be able to. The gallium hydride gas generated in the first reaction vessel is preferably conveyed to the second reaction vessel by an inert gas that does not react with gallium hydride and hydrogen. It is preferable that the temperature in each reaction vessel can be independently controlled by a heating device. Gallium hydride gas inlet and nitrogen-containing compound gas inlet so that the gallium hydride gas flows along the surface of the crystal growth substrate and the nitrogen-containing compound flows so as to be sprayed onto the surface of the crystal growth substrate. Is preferably disposed relative to the crystal growth substrate.

本発明によれば、水素化ガリウムガスの発生反応を促進でき、窒化ガリウム結晶の成長速度を向上でき、窒化ガリウム結晶に酸素をn型ドーパントとしてドープすることで、所望のキャリア濃度を有する不純物の少ない窒化ガリウム結晶を、結晶成長用装置の腐食を生ずることなく得ることができる。   According to the present invention, the generation reaction of gallium hydride gas can be promoted, the growth rate of the gallium nitride crystal can be improved, and by doping oxygen into the gallium nitride crystal as an n-type dopant, impurities having a desired carrier concentration can be produced. Less gallium nitride crystals can be obtained without causing corrosion of the crystal growth apparatus.

図1に示す本発明の実施形態の結晶成長用装置1は、水素化ガリウムガスを発生させるための第1反応容器2と、窒化ガリウム結晶を成長させるための第2反応容器3と、両反応容器2、3を接続するガス流路4を構成する配管と、第1反応容器2内を加熱する第1加熱装置5と、第2反応容器3内を加熱する第2加熱装置6と、ガス流路4を加熱する第3加熱装置7を備える。   The crystal growth apparatus 1 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 includes a first reaction vessel 2 for generating gallium hydride gas, a second reaction vessel 3 for growing a gallium nitride crystal, and both reactions. Pipes constituting the gas flow path 4 connecting the containers 2 and 3, a first heating device 5 for heating the inside of the first reaction vessel 2, a second heating device 6 for heating the inside of the second reaction vessel 3, and a gas A third heating device 7 for heating the flow path 4 is provided.

第1反応容器2は、石英管2aの両端開口をステンレス製の蓋2b、2b′により覆うことで構成される。石英管2a内に設けられる原料台2cが固体の酸化ガリウム10の載置部とされる。原料台2cは、例えば石英管2aに一体化される石英と、その上に載置される坩堝やアルミナボートにより構成できる。蓋2b、2b′は石英管2aの外周から張り出すフランジ部を有し、そこに形成された水路を流れる冷却水により冷却され、蓋2b、2b′と石英管2aの間のシール用Oリングの劣化が防止される。一方の蓋2bに挿通される配管の一端部がガス導入口2dとされ、その配管の一端部は水素ガスと搬送ガスの供給源に接続される。他方の蓋2b′に挿通される配管の一端部がガス流出口2eとされ、このガス流出口2eを構成する配管が上記ガス流路4を構成する。ガス導入口2dから搬送ガスにより希釈された水素ガスが第1反応容器2内に導入され、第1反応容器2内で発生した水素化ガリウムガスが搬送ガスと共にガス流出口2eから流出する。搬送ガスとしては、水素化ガリウム及び水素と反応しないアルゴン(Ar)、窒素(N2 )、ヘリウム(He)等の不活性ガスを用いるのが好ましい。 The first reaction vessel 2 is configured by covering both ends of the quartz tube 2a with stainless lids 2b and 2b '. The raw material stand 2c provided in the quartz tube 2a is used as a mounting portion for the solid gallium oxide 10. The raw material stand 2c can be composed of, for example, quartz integrated with the quartz tube 2a and a crucible or alumina boat placed thereon. The lids 2b and 2b 'have a flange portion protruding from the outer periphery of the quartz tube 2a, and are cooled by cooling water flowing through a water channel formed there, and a sealing O-ring between the lids 2b and 2b' and the quartz tube 2a. Deterioration is prevented. One end of a pipe inserted into one lid 2b is a gas inlet 2d, and one end of the pipe is connected to a supply source of hydrogen gas and carrier gas. One end of the pipe inserted into the other lid 2b ′ is a gas outlet 2e, and the pipe constituting the gas outlet 2e constitutes the gas flow path 4. Hydrogen gas diluted with carrier gas is introduced into the first reaction vessel 2 from the gas inlet 2d, and gallium hydride gas generated in the first reaction vessel 2 flows out of the gas outlet 2e together with the carrier gas. As the carrier gas, it is preferable to use an inert gas such as argon (Ar), nitrogen (N 2 ), and helium (He) that does not react with gallium hydride and hydrogen.

第2反応容器3は、石英管3aの両端開口をステンレス製の蓋3b、3b′により覆うことで構成される。石英管3a内に設けられるサセプタ3cが結晶成長用基板11の載置部とされる。結晶成長用基板11の種類は、本実施形態では窒化ガリウムをエピタキシャル成長させるためにサファイア基板を用いたが、特に限定されない。サセプタ3cの構造は特に限定されず、例えば基板11を水平方向に対して傾斜するよう支持したり、基板11を回転させることで、結晶の膜厚の均一化を図る公知の構造を採用できる。蓋3b、3b′は石英管3aの外周から張り出すフランジ部を有し、そこに形成された水路を流れる冷却水により冷却され、蓋3b、3b′と石英管3aの間のシール用Oリングの劣化が防止される。一端部が上記ガス流出口2eとされた配管が一方の蓋3bに挿通され、その配管の他端部が第1ガス導入口3dとされる。また、その配管とは別の配管が一方の蓋3bに挿通され、その配管の一端部が第2ガス導入口3eとされ、他端部が含窒素化合物の供給源に接続される。含窒素化合物として本実施形態ではアンモニアガスが用いられる。他方の蓋3b′に挿通される配管の一端部がガス排出口3fとされる。これにより、第1反応容器2内で発生した水素化ガリウムガスは、搬送ガスと共に第1ガス導入口3dから第2反応容器3内に導入される。含窒素化合物は第2ガス導入口3eから第2反応容器3内に導入される。第2反応容器3内における結晶成長反応に関与しなかったガスと結晶成長反応の副生成ガスは、搬送ガスと共にガス排出口3fから排ガスとして流出する。   The second reaction vessel 3 is configured by covering both ends of the quartz tube 3a with stainless lids 3b and 3b '. A susceptor 3 c provided in the quartz tube 3 a is used as a placement portion for the crystal growth substrate 11. The type of the crystal growth substrate 11 is not particularly limited, although a sapphire substrate is used for epitaxial growth of gallium nitride in this embodiment. The structure of the susceptor 3c is not particularly limited. For example, a well-known structure that makes the film thickness uniform by supporting the substrate 11 so as to be inclined with respect to the horizontal direction or rotating the substrate 11 can be employed. The lids 3b and 3b 'have flange portions projecting from the outer periphery of the quartz tube 3a, and are cooled by cooling water flowing through the water passages formed there, and a sealing O-ring between the lids 3b and 3b' and the quartz tube 3a. Deterioration is prevented. A pipe whose one end is the gas outlet 2e is inserted into one lid 3b, and the other end of the pipe is a first gas inlet 3d. Also, a pipe different from the pipe is inserted into one lid 3b, one end of the pipe is a second gas inlet 3e, and the other end is connected to a nitrogen-containing compound supply source. In this embodiment, ammonia gas is used as the nitrogen-containing compound. One end of the pipe inserted into the other lid 3b 'is a gas discharge port 3f. Thereby, the gallium hydride gas generated in the first reaction vessel 2 is introduced into the second reaction vessel 3 from the first gas introduction port 3d together with the carrier gas. The nitrogen-containing compound is introduced into the second reaction vessel 3 from the second gas inlet 3e. The gas that did not participate in the crystal growth reaction in the second reaction vessel 3 and the by-product gas of the crystal growth reaction flow out as exhaust gas from the gas discharge port 3f together with the carrier gas.

図2、図3に示すように、サセプタ3cに載置される結晶成長用基板11に対して、第1ガス導入口3dは横方向に離れて配置され、第2ガス導入口3eは上方に離れて配置される。これにより、第1ガス導入口3dから導入される水素化ガリウムガスは基板1の表面に沿って流れ、第2ガス導入口3eから導入される含窒素化合物は基板1の表面に吹き付けられるように流れる。これにより、基板11上における水素化ガリウムガスと含窒素化合物の混合不良を防止し、窒素不足により窒化ガリウムの品質が低下して黄色化するのを防止できる。   As shown in FIGS. 2 and 3, the first gas introduction port 3d is disposed laterally away from the crystal growth substrate 11 placed on the susceptor 3c, and the second gas introduction port 3e is directed upward. Placed apart. Thus, the gallium hydride gas introduced from the first gas introduction port 3d flows along the surface of the substrate 1, and the nitrogen-containing compound introduced from the second gas introduction port 3e is sprayed on the surface of the substrate 1. Flowing. Thereby, poor mixing of the gallium hydride gas and the nitrogen-containing compound on the substrate 11 can be prevented, and the quality of gallium nitride can be prevented from being lowered and yellowing due to insufficient nitrogen.

各加熱装置5、6、7の構成は特に限定されず、例えばアルミナヒーターや高周波加熱装置を用いることができる。各反応容器2、3の内部温度とガス流路4の温度を独立して制御できるように、各加熱装置5、6、7それぞれは独立して制御可能とされている。   The configuration of each of the heating devices 5, 6, and 7 is not particularly limited, and for example, an alumina heater or a high frequency heating device can be used. Each of the heating devices 5, 6 and 7 can be controlled independently so that the internal temperature of each reaction vessel 2 and 3 and the temperature of the gas flow path 4 can be controlled independently.

第1反応容器2に導入される水素ガスの流量、搬送ガスの流量、および第2反応容器3に導入される含窒素化合物の流量は、図外マスフローコントローラー(MFC)によりそれぞれ独立して制御可能とされている。また、ガス排出口3fは図外吸引ポンプに接続され、装置1内をパージしたり減圧することが可能とされている。窒化ガリウム結晶は常圧又は減圧下で成長させるのが好ましく、特に減圧にすることで成長用基板上のガス滞留による結晶成長の抑制を防止し、結晶の成長速度を向上できる。   The flow rate of the hydrogen gas introduced into the first reaction vessel 2, the flow rate of the carrier gas, and the flow rate of the nitrogen-containing compound introduced into the second reaction vessel 3 can be controlled independently by a non-illustrated mass flow controller (MFC). It is said that. Further, the gas discharge port 3f is connected to a suction pump (not shown) so that the inside of the apparatus 1 can be purged or depressurized. The gallium nitride crystal is preferably grown under normal pressure or reduced pressure, and in particular, by reducing the pressure, it is possible to prevent the crystal growth from being suppressed due to gas retention on the growth substrate and to improve the growth rate of the crystal.

第1反応容器2と第2反応容器3の間を例えばガス流路4の開閉バルブを設けることで開閉可能とし、第1反応容器2内を独立して開放し酸化ガリウムを補充できるようにしてもよい。これにより、第2反応容器3での結晶成長途中に第1反応容器2内に酸化ガリウム10を追加投入し、結晶成長を連続して行うことができる。   The first reaction vessel 2 and the second reaction vessel 3 can be opened and closed by providing, for example, an open / close valve for the gas flow path 4 so that the first reaction vessel 2 can be opened independently to replenish gallium oxide. Also good. Thereby, the gallium oxide 10 can be additionally charged into the first reaction vessel 2 during the crystal growth in the second reaction vessel 3, and the crystal growth can be continuously performed.

上記結晶成長用装置1によれば、第1反応容器2内において固体の酸化ガリウム10を原料台2cに載置し、第1反応容器2内に搬送ガスにより希釈された水素ガスを導入し、第1反応容器2内で酸化ガリウム10と水素を反応させることで、第1反応容器2内で水素化ガリウムガスを発生させることができる。その酸化ガリウム10を、粉末あるいはペレットの状態で水素と反応させることで、水素ガスとの接触面積を担持体を用いることなく大きくでき、ペレットにすることで原料台2c上への仕込み量を増加させることができる。   According to the crystal growth apparatus 1, the solid gallium oxide 10 is placed on the raw material table 2 c in the first reaction vessel 2, and hydrogen gas diluted with a carrier gas is introduced into the first reaction vessel 2. By reacting gallium oxide 10 and hydrogen in the first reaction vessel 2, gallium hydride gas can be generated in the first reaction vessel 2. By reacting the gallium oxide 10 with hydrogen in the form of powder or pellets, the contact area with the hydrogen gas can be increased without using a carrier, and the amount charged on the raw material table 2c is increased by using pellets. Can be made.

第1反応容器2内の温度が低くなると水素化ガリウムガスの発生量が低下し、高くなると発生した水素化ガリウムガスがガリウムと水素に分解する反応が起こる。そのため、第1加熱装置5によって第1反応容器2内の温度を600℃〜1200℃にするのが好ましく、700℃〜1100℃にするのがより好ましく、800℃〜1000℃するのがさらに好ましい。   When the temperature in the first reaction vessel 2 decreases, the amount of gallium hydride gas generated decreases, and when it increases, the generated gallium hydride gas decomposes into gallium and hydrogen. For this reason, the temperature in the first reaction vessel 2 is preferably set to 600 ° C. to 1200 ° C. by the first heating device 5, more preferably 700 ° C. to 1100 ° C., and further preferably 800 ° C. to 1000 ° C. .

第1反応容器2において、酸化ガリウムと反応させる水素ガスの濃度は、低くなると水素化ガリウムガスの発生量が低下し、高くなると余剰の水素が第2反応容器3において成長する窒化ガリウム結晶と反応し、窒化ガリウム結晶の成長速度が低下する。そのため、第1反応容器2に導入される水素ガス濃度は1〜50vol%が好ましく、より好ましくは5〜30vol%である。   When the concentration of hydrogen gas to be reacted with gallium oxide in the first reaction vessel 2 decreases, the amount of gallium hydride gas generated decreases, and when it increases, excess hydrogen reacts with the gallium nitride crystal growing in the second reaction vessel 3. As a result, the growth rate of the gallium nitride crystal decreases. Therefore, the hydrogen gas concentration introduced into the first reaction vessel 2 is preferably 1 to 50 vol%, more preferably 5 to 30 vol%.

第1反応容器2において発生した水素化ガリウムガスを、ガス流路4を介して第1ガス導入口3dから第2反応容器3に導入し、第2ガス導入口3eから含窒素化合物としてアンモニアガスを第2反応容器3に導入し、その水素化ガリウムガスとアンモニアガスを反応させることで基板11上に窒化ガリウム結晶を成長させることができる。なお、アンモニアガスは例えばアルゴン、窒素、ヘリウム、水素等を用いて希釈してもよい。この結晶成長工程において、第1反応容器2における水素化ガリウムガスの発生に伴って発生する水分子由来の酸素を、n型ドーパントとして窒化ガリウム結晶にドープする。酸化ガリウム10と水素の反応が、従来のガリウム金属と水素の反応よりも進みやすいことにより、窒化ガリウム結晶の成長速度を向上できる。   Gallium hydride gas generated in the first reaction vessel 2 is introduced into the second reaction vessel 3 from the first gas introduction port 3d through the gas flow path 4, and ammonia gas as a nitrogen-containing compound from the second gas introduction port 3e. Is introduced into the second reaction vessel 3, and the gallium hydride gas and the ammonia gas are reacted to grow a gallium nitride crystal on the substrate 11. The ammonia gas may be diluted using, for example, argon, nitrogen, helium, hydrogen, or the like. In this crystal growth step, oxygen derived from water molecules generated with the generation of gallium hydride gas in the first reaction vessel 2 is doped into the gallium nitride crystal as an n-type dopant. Since the reaction between gallium oxide 10 and hydrogen is easier than the conventional reaction between gallium metal and hydrogen, the growth rate of the gallium nitride crystal can be improved.

第2反応容器3内の温度が低いとアンモニアの分解が抑制されて窒素発生が抑制され、基板11上での分子のマイグレーションが抑制されてしまうため結晶品質が低下し、温度が高いと成長した窒化ガリウム結晶がガリウムと窒素に分解され、結晶成長速度が遅くなる。そのため、第2加熱装置6によって第2反応容器3内の温度を800℃〜1200℃にするのが好ましく、900℃〜1100℃にするのがより好ましい。   When the temperature in the second reaction vessel 3 is low, the decomposition of ammonia is suppressed and the generation of nitrogen is suppressed, and the migration of molecules on the substrate 11 is suppressed. The gallium nitride crystal is decomposed into gallium and nitrogen, and the crystal growth rate becomes slow. Therefore, it is preferable that the temperature in the second reaction vessel 3 is set to 800 ° C. to 1200 ° C., more preferably 900 ° C. to 1100 ° C. by the second heating device 6.

第3加熱装置7がガス流路4を加熱することで、ガス流路4での水素化ガリウムガスの温度低下を防止できる。   Since the third heating device 7 heats the gas flow path 4, it is possible to prevent a temperature drop of the gallium hydride gas in the gas flow path 4.

第2反応容器3に導入されるアンモニアガスのモル濃度M1と、第2反応容器3に導入される搬送ガスにより希釈された水素化ガリウムガスのモル濃度M2の比M1/M2は、低いと窒素不足により窒化ガリウム結晶の欠陥が増えて黄色化し、高いと基板11上以外でも窒化ガリウム結晶が生成してしまうため基板11上での窒化ガリウム結晶の成長速度が低下する。そのため、そのモル濃度の比M1/M2は100〜10000が好ましく、3000〜6000がより好ましい。   If the ratio M1 / M2 of the molar concentration M1 of ammonia gas introduced into the second reaction vessel 3 and the molar concentration M2 of gallium hydride gas diluted with the carrier gas introduced into the second reaction vessel 3 is low, nitrogen Due to the shortage, defects in the gallium nitride crystal increase and yellow, and if it is high, the gallium nitride crystal is generated even on the substrate 11 and the growth rate of the gallium nitride crystal on the substrate 11 decreases. Therefore, the molar concentration ratio M1 / M2 is preferably 100 to 10,000, and more preferably 3000 to 6000.

第1反応容器2における水素化ガリウムガスの発生に伴って発生する水分子由来の酸素を窒化ガリウム結晶にn型ドーパントとしてドープすることで、外部から新たな酸素源を供給する必要がなく、従来のHVPE法におけるような塩化物が発生することもない。その水分子由来の酸素をドーパントとして確保する上では、酸化ガリウムと水素の反応と水素化ガリウムガスと含窒素化合物の反応を上記のように高温下で行なうのが好ましい。   By doping the gallium nitride crystal with oxygen derived from water molecules as the gallium hydride gas is generated in the first reaction vessel 2 as an n-type dopant, it is not necessary to supply a new oxygen source from the outside. No chloride is generated as in the HVPE method. In order to secure oxygen derived from water molecules as a dopant, it is preferable to perform the reaction between gallium oxide and hydrogen and the reaction between gallium hydride gas and nitrogen-containing compound at a high temperature as described above.

また、上記実施形態によれば、窒化ガリウム結晶の原料に炭素が含まれていないことから、水素化ガリウムと含窒素化合物の反応領域での炭素の不純物濃度を極めて低くでき、窒化ガリウム結晶内の炭素濃度を1×1017cm-3以下にすることが可能になる。これにより、半導体としての窒化ガリウムにおいて、酸素はn型キャリアとしての機能を炭素により阻害されることなく略濃度に応じて奏することができ、ドープされる酸素量に応じたキャリア濃度を得ることができる。窒化ガリウム結晶にドープされる酸素がn型ドーパントとして機能する上では、その結晶における酸素濃度は1×1016cm-3〜1×1020cm-3であるのが好ましく、1×1018〜1 ×1020cm-3であるのがより好ましい。そのドープされる酸素の濃度は、第1反応容器2に導入される希釈水素ガスの濃度を調節することで制御でき、例えば水素ガス濃度を高くすればドープされる酸素の濃度が高くなり、水素ガス濃度を低くすればドープされる酸素の濃度が低くなる傾向がある。 Further, according to the above embodiment, since the raw material of the gallium nitride crystal does not contain carbon, the impurity concentration of carbon in the reaction region of gallium hydride and the nitrogen-containing compound can be extremely low, The carbon concentration can be reduced to 1 × 10 17 cm −3 or less. Thereby, in gallium nitride as a semiconductor, oxygen can exhibit the function as an n-type carrier according to a substantially concentration without being inhibited by carbon, and a carrier concentration corresponding to the amount of oxygen to be doped can be obtained. it can. On the oxygen doped into a gallium nitride crystal functions as an n-type dopant is preferably the oxygen concentration is 1 × 10 16 cm -3 ~1 × 10 20 cm -3 in the crystal, 1 × 10 18 ~ More preferably, it is 1 × 10 20 cm −3 . The concentration of the doped oxygen can be controlled by adjusting the concentration of the diluted hydrogen gas introduced into the first reaction vessel 2. For example, if the hydrogen gas concentration is increased, the concentration of the doped oxygen is increased. If the gas concentration is lowered, the oxygen concentration to be doped tends to be lowered.

上記実施形態の結晶成長用装置1により窒化ガリウム結晶を成長させる際に、第1反応容器2において、酸化ガリウムの蒸気や、酸化ガリウムが分解されることで生じるガリウムの蒸気が存在し、それらが窒化ガリウム単結晶の成長にかかわっているか否かを確認した。すなわち、第1反応容器2で発生した水素化ガリウムガスのみが第2反応容器3まで到達するように、ガス流路4を加熱することなく常温とした状態で、窒化ガリウム結晶を成長させた。その結果、基板11上では窒化ガリウム結晶が成長し、その成長速度に大きな変化はなかった。
これより、第1反応容器2において発生した水素化ガリウムガスのみが第2反応容器3における窒化ガリウム結晶の成長にかかわっていることを確認できた。
When a gallium nitride crystal is grown by the crystal growth apparatus 1 of the above embodiment, gallium oxide vapor or gallium vapor generated by decomposition of gallium oxide is present in the first reaction vessel 2, and these are It was confirmed whether or not it was involved in the growth of gallium nitride single crystals. That is, the gallium nitride crystal was grown in a state where the gas flow path 4 was kept at room temperature without heating so that only the gallium hydride gas generated in the first reaction vessel 2 reached the second reaction vessel 3. As a result, gallium nitride crystals grew on the substrate 11, and the growth rate did not change significantly.
From this, it was confirmed that only the gallium hydride gas generated in the first reaction vessel 2 was involved in the growth of gallium nitride crystals in the second reaction vessel 3.

上記実施形態の結晶成長用装置1を用い、本発明に従い基板11上に成長させた実施例1〜3に係る酸素ドープ窒化ガリウム結晶と、酸化ガリウムではなくガリウム金属を用いる比較例に係る酸素ドープ窒化ガリウム結晶とを、X線回折(XRD)、走査型電子顕微鏡(SEM)、二次イオン質量分析(SIMS)を用いて比較評価した。   Using the crystal growth apparatus 1 of the above embodiment, the oxygen-doped gallium nitride crystals according to Examples 1 to 3 grown on the substrate 11 according to the present invention and the oxygen-doped according to the comparative example using gallium metal instead of gallium oxide The gallium nitride crystal was comparatively evaluated using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), and secondary ion mass spectrometry (SIMS).

実施例1の実施条件は以下の通りとした。
第1反応容器2の原料台2cを構成する石英製の坩堝に、純度99.999重量%の酸化ガリウムの粉末1.0gを入れた。坩堝サイズは内径30mm、深さ10mmとした。第2反応容器3のサセプタ3c上に結晶成長用基板11としてサファイア基板をC面(0001面)を上面として載置した。装置1内を真空引きし、装置1の内部空気を不活性ガス(アルゴンガス)で置換することで不純物を除去し、装置1内を常圧とし、第1加熱装置5であるアルミナヒータにより第1反応容器2内を970℃に昇温し、第2加熱装置6であるアルミナヒータにより第2反応容器3内を1100℃に昇温し、第3加熱装置7であるアルミナヒータによりガス流路4を700℃に昇温した。装置1内の昇温後に、搬送ガスとしてのアルゴンガスにより5vol%の濃度に希釈された水素ガスを、流量2000ml/minで第1反応容器2に導入し、含窒素化合物として純度99.9995vol%のアンモニアガスを流量3000ml/minで第2反応容器3に導入した。これにより、第1反応容器2において水素化ガリウムガスを発生させ、第2反応容器3において基板11上に窒化ガリウム結晶を成長させる操作を2時間実施した。
The implementation conditions of Example 1 were as follows.
1.0 g of gallium oxide powder having a purity of 99.999 wt% was placed in a quartz crucible constituting the raw material table 2 c of the first reaction vessel 2. The crucible size was 30 mm in inner diameter and 10 mm in depth. A sapphire substrate as a crystal growth substrate 11 was placed on the susceptor 3c of the second reaction vessel 3 with the C surface (0001 surface) as the upper surface. The inside of the apparatus 1 is evacuated, and the impurities in the apparatus 1 are removed by substituting the inside air of the apparatus 1 with an inert gas (argon gas). The temperature inside the one reaction vessel 2 is raised to 970 ° C., the temperature inside the second reaction vessel 3 is raised to 1100 ° C. by the alumina heater which is the second heating device 6, and the gas flow path is caused by the alumina heater which is the third heating device 7. 4 was heated to 700 ° C. After the temperature in the apparatus 1 is increased, hydrogen gas diluted to a concentration of 5 vol% with argon gas as a carrier gas is introduced into the first reaction vessel 2 at a flow rate of 2000 ml / min, and the purity is 99.9995 vol% as a nitrogen-containing compound. Of ammonia gas was introduced into the second reaction vessel 3 at a flow rate of 3000 ml / min. As a result, the operation of generating gallium hydride gas in the first reaction vessel 2 and growing gallium nitride crystals on the substrate 11 in the second reaction vessel 3 was carried out for 2 hours.

実施例2の実施条件は、希釈された水素ガスの濃度を10vol%とした以外は、実施例1と同一とした。   The execution conditions of Example 2 were the same as Example 1 except that the concentration of diluted hydrogen gas was 10 vol%.

実施例3の実施条件は、装置1内の圧力を微減圧の66.66kPa(500torr)とし、酸化ガリウムを飛散し難いようにペレット状にした以外は、実施例2と同一とした。   The implementation conditions of Example 3 were the same as those of Example 2 except that the pressure in the apparatus 1 was slightly reduced to 66.66 kPa (500 torr) and pellets were formed so that gallium oxide was not easily scattered.

比較例1の実施条件は、酸化ガリウムに代えて純度99.999重量%のガリウム金属を用い、ガリウム金属の重量を1.0gの酸化ガリウムとガリウム量が等しくなるように0.7gとした以外は、実施例3と同一とした。   The implementation condition of Comparative Example 1 was that gallium metal having a purity of 99.999 wt% was used instead of gallium oxide, and the weight of gallium metal was changed to 0.7 g so that the amount of gallium was equal to 1.0 g of gallium oxide. Was the same as in Example 3.

(結晶性評価)
X線回折により各実施例および比較例により成長させた窒化ガリウム結晶の評価を行ったところ、各結晶はサファイア基板のC軸に配向している単結晶であった。
(Crystallinity evaluation)
When the gallium nitride crystals grown according to the respective examples and comparative examples were evaluated by X-ray diffraction, each crystal was a single crystal oriented on the C axis of the sapphire substrate.

(結晶成長速度測定)
以下の表1は、成長させた窒化ガリウム単結晶の膜厚を走査型電子顕微鏡により測定し、1時間あたりの成長速度を計算した結果を示す。

Figure 0004900966
(Crystal growth rate measurement)
Table 1 below shows the result of calculating the growth rate per hour by measuring the film thickness of the grown gallium nitride single crystal with a scanning electron microscope.
Figure 0004900966

上記表1より、実施例1の成長速度に対する実施例2の成長速度は約1.3倍であった。これは、実施例2においては水素ガス濃度を増加させることで水素化ガリウムガスの発生量が増加したことによるものである。
実施例2の成長速度に対して実施例3の成長速度は向上した。これは、実施例3においては装置1内を微減圧にすることで、基板11上のガス滞留が抑制され、基板11上で結晶が成長しやすくなったことによる。
比較例1の成長速度に対する実施例3の成長速度は約10倍であった。これは、酸化ガリウムと水素の反応においては、ガリウム金属と水素との反応よりも、反応が進行しやすく、酸化ガリウムと水素ガスとの接触面積がガリウム金属と水素ガスとの接触面積よりも大きため、水素化ガリウムガスの発生量が多いためである。
From Table 1 above, the growth rate of Example 2 relative to the growth rate of Example 1 was about 1.3 times. This is because in Example 2, the amount of gallium hydride gas generated was increased by increasing the hydrogen gas concentration.
The growth rate of Example 3 was improved with respect to the growth rate of Example 2. This is because, in Example 3, the apparatus 1 was slightly reduced in pressure to suppress gas stagnation on the substrate 11 and to facilitate crystal growth on the substrate 11.
The growth rate of Example 3 was about 10 times that of Comparative Example 1. This is because the reaction between gallium oxide and hydrogen is easier to proceed than the reaction between gallium metal and hydrogen, and the contact area between gallium oxide and hydrogen gas is larger than the contact area between gallium metal and hydrogen gas. Therefore, the amount of gallium hydride gas generated is large.

(不純物濃度測定)
以下の表2は、二次イオン質量分析により、成長させた窒化ガリウム単結晶における不純物濃度を測定した結果を示す。

Figure 0004900966
(Impurity concentration measurement)
Table 2 below shows the results of measuring the impurity concentration in the grown gallium nitride single crystal by secondary ion mass spectrometry.
Figure 0004900966

実施例1〜3により成長させた本発明による窒化ガリウム単結晶の不純物濃度と、比較例1により成長させた窒化ガリウム単結晶の不純物濃度を比較した結果、水素濃度、炭素濃度、シリコン濃度には大きな差はなく、何れも炭素濃度は1×1017cm-3以下と非常に低い値を示した。また、n型ドーパントして機能する酸素の濃度に関しては、比較例1では2×1017cm-3であるのに比べ、実施例1〜3では1×1020cm-3であって適切なドーパント濃度であった。すなわち、本発明によれば窒化ガリウム単結晶においてn型ドーパントして機能する酸素の濃度を、他の不純物濃度を低下させた状態において比較例よりも高くできることを確認できた。 As a result of comparing the impurity concentration of the gallium nitride single crystal according to the present invention grown according to Examples 1 to 3 and the impurity concentration of the gallium nitride single crystal grown according to Comparative Example 1, the hydrogen concentration, carbon concentration, and silicon concentration are There was no significant difference, and the carbon concentration was as low as 1 × 10 17 cm −3 or less. Further, the concentration of oxygen functioning as an n-type dopant is 1 × 10 20 cm −3 in Examples 1 to 3 compared to 2 × 10 17 cm −3 in Comparative Example 1, which is appropriate. The dopant concentration. That is, according to the present invention, it has been confirmed that the concentration of oxygen functioning as an n-type dopant in the gallium nitride single crystal can be made higher than that of the comparative example in a state where other impurity concentrations are lowered.

本発明の実施形態に係る結晶成長装置の構成説明図Configuration explanatory diagram of a crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention 本発明の実施形態に係る結晶成長用基板とガス導入口の相対配置を示す図The figure which shows the relative arrangement | positioning of the board | substrate for crystal growth which concerns on embodiment of this invention, and a gas inlet 図2のIII−III線断面図III-III sectional view of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…酸化ガリウム
11…結晶成長用基板
10 ... Gallium oxide 11 ... Substrate for crystal growth

Claims (4)

酸化ガリウムと水素を反応させることにより水素化ガリウムガスを発生させる工程を備える水素化ガリウムガスの製造方法。   A method for producing gallium hydride gas comprising a step of generating gallium hydride gas by reacting gallium oxide with hydrogen. 前記酸化ガリウムを粉末あるいはペレットの状態で前記水素と反応させる請求項1に記載の水素化ガリウムガスの製造方法。   The method for producing gallium hydride gas according to claim 1, wherein the gallium oxide is reacted with the hydrogen in a powder or pellet state. 請求項1又は2に記載の方法により製造された水素化ガリウムガスを含窒素化合物と反応させることで、窒化ガリウムの結晶を成長させる工程を備える窒化ガリウム結晶の製造方法。   A method for producing a gallium nitride crystal comprising a step of growing a gallium nitride crystal by reacting the gallium hydride gas produced by the method according to claim 1 or 2 with a nitrogen-containing compound. 前記水素化ガリウムガスの発生に伴って発生する水分子由来の酸素を、前記窒化ガリウムの結晶を成長させる工程においてn型ドーパントとして前記窒化ガリウム結晶にドープする請求項3に記載の窒化ガリウム結晶の製造方法。   4. The gallium nitride crystal according to claim 3, wherein oxygen derived from water molecules generated along with the generation of the gallium hydride gas is doped into the gallium nitride crystal as an n-type dopant in the step of growing the gallium nitride crystal. Production method.
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