JP2001064098A

JP2001064098A - 結晶成長方法および結晶成長装置およびｉｉｉ族窒化物結晶

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Publication number: JP2001064098A
Application number: JP23719599A
Authority: JP
Inventors: Shoji Sarayama; 正二皿山; Hirokazu Iwata; 浩和岩田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-03-13
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: JP4094780B2

Abstract

(57)【要約】【課題】工程を複雑化させることなく、また、高価な
反応容器を用いることなく、かつ結晶の大きさが小さく
なることなく、実用的な大きさのIII族窒化物結晶を提
供する。【解決手段】本発明の結晶成長装置は、反応容器１０
１内で、少なくともIII族金属を含む融液１０２と、フ
ラックスと、窒素原料とから、III族窒化物結晶を成長
させるものであって、III族窒化物の種結晶１０３を保
持する種結晶保持手段１０４と、フラックス蒸気圧を制
御可能にフラックスを供給するフラックス供給手段（１
０６，１０８，１１０）と、窒素圧力を制御可能に窒素
原料を供給する窒素供給手段（１１１，１１２）とを具
備しており、種結晶保持手段１０４を移動させること
で、種結晶１０３と融液１０２と窒素原料とが接するこ
とができる領域を移動可能となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶成長方法およ
び結晶成長装置およびIII族窒化物結晶に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、紫〜青〜緑色光源として用いられ
ているＩｎＧａＡｌＮ系(III族窒化物)デバイスは、そ
のほとんどがサファイアあるいはＳｉＣ基板上にＭＯ−
ＣＶＤ法(有機金属化学気相成長法)やＭＢＥ法(分子線
結晶成長法)等を用いた結晶成長により作製されてい
る。サファイアやＳｉＣを基板として用いる場合には、
III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいこ
とに起因する結晶欠陥が多くなる。このために、デバイ
ス特性が悪く、例えば発光デバイスの寿命を長くするこ
とが困難であったり、動作電力が大きくなったりすると
いう問題がある。

【０００３】さらに、サファイア基板の場合には絶縁性
であるために、従来の発光デバイスのように基板側から
の電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半
導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結
果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながると
いう問題がある。また、サファイア基板上に作製したII
I族窒化物半導体デバイスは劈開によるチップ分離が困
難であり、レーザダイオード(ＬＤ)で必要とされる共振
器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現
在はドライエッチングによる共振器端面形成や、あるい
はサファイア基板を１００μｍ以下の厚さまで研磨した
後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行なってい
る。この場合にも、従来のＬＤのような共振器端面とチ
ップ分離を単一工程で、容易に行なうことが不可能であ
り、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。

【０００４】この問題を解決するために、サファイア基
板上にIII族窒化物半導体膜を選択横方向成長やその他
の工夫を行なうことで、結晶欠陥を低減させることが提
案されている。

【０００５】例えば文献「Japanese Journal of App
lied Physics Vol.36 (1997) Part 2， No.12A,
L1568-1571」(以下、第１の従来技術と称す)には、図
９に示すようなレーザダイオード(ＬＤ)が示されてい
る。図９のレーザダイオードは、ＭＯ−ＶＰＥ(有機金
属気相成長)装置にてサファイア基板１上にＧａＮ低温
バッファ層２とＧａＮ層３’を順次成長した後に、選択
成長用のＳｉＯ₂マスク４を形成する。このＳｉＯ₂マス
ク４は、別のＣＶＤ(化学気相堆積)装置にてＳｉＯ₂膜
を堆積した後に、フォトリソグラフィー，エッチング工
程を経て形成される。次に、このＳｉＯ₂マスク４上に
再度、ＭＯ−ＶＰＥ装置にて２０μｍの厚さのＧａＮ膜
３’を成長することで、横方向にＧａＮが選択成長し、
選択横方向成長を行なわない場合に比較して結晶欠陥を
低減させている。さらに、その上層に形成されている変
調ドープ歪み超格子層(ＭＤ−ＳＬＳ)５を導入すること
で、活性層６へ結晶欠陥が延びることを防いでいる。こ
の結果、選択横方向成長および変調ドープ歪み超格子層
を用いない場合に比較して、デバイス寿命を長くするこ
とが可能となる。

【０００６】この第１の従来技術の場合には、サファイ
ア基板上にＧａＮ膜を選択横方向成長しない場合に比べ
て、結晶欠陥を低減させることが可能となるが、サファ
イア基板を用いることによる、絶縁性と劈開に関する前
述の問題は依然として残っている。さらには、ＳｉＯ₂
マスク形成工程を挟んで、ＭＯ−ＶＰＥ装置による結晶
成長が２回必要となり、工程が複雑化するという問題が
新たに生じる。

【０００７】また、別の方法として、例えば文献「Appl
ied Physics Letters, Vol.73,No.6, P832-834 (1
998)」(以下、第２の従来技術と称す)には、ＧａＮ厚膜
基板を応用することが提案されている。この第２の従来
技術では、前述の第１の従来技術の２０μｍの選択横方
向成長後に、Ｈ−ＶＰＥ(ハイドライド気相成長)装置に
て２００μｍのＧａＮ厚膜を成長し、その後に、この厚
膜成長したＧａＮ膜を１５０μｍの厚さになるように、
サファイア基板側から研磨することにより、ＧａＮ基板
を作製する。このＧａＮ基板上にＭＯ−ＶＰＥ装置を用
いて、ＬＤデバイスとして必要な結晶成長を順次行な
い、ＬＤデバイスを作製する。この結果、結晶欠陥の問
題に加えて、サファイア基板を用いることによる絶縁性
と劈開に関する前述の問題点を解決することが可能とな
る。

【０００８】しかしながら、第２の従来技術は、第１の
従来技術よりもさらに工程が複雑になっており、より一
層のコスト高となる。また、第２の従来技術の方法で２
００μｍものＧａＮ厚膜を成長させる場合には、基板で
あるサファイアとの格子定数差および熱膨張係数差に伴
う応力が大きくなり、基板の反りやクラックが生じると
いう問題が新たに発生する。

【０００９】この問題を回避するために、特開平１０−
２５６６６２号では、厚膜成長する元の基板（サファイ
アとスピネル）の厚さを１ｍｍ以上とすることが提案さ
れている。このように、厚さ１ｍｍ以上の基板を用いる
ことにより、２００μｍの厚膜のＧａＮ膜を成長させて
も、基板の反りやクラックを生じさせないようにしてい
る。しかしながら、このように厚い基板は、基板自体の
コストが高く、また研磨に多くの時間を費やす必要があ
り、研磨工程のコストアップにつながる。すなわち、厚
い基板を用いる場合には、薄い基板を用いる場合に比べ
て、コストが高くなる。また、厚い基板を用いる場合に
は、厚膜のＧａＮ膜を成長した後には基板の反りやクラ
ックが生じないが、研磨の工程で応力緩和し、研磨途中
で反りやクラックが発生する。このため、厚い基板を用
いても容易に、結晶品質の高いＧａＮ基板を大面積化で
作製することはできない。

【００１０】一方、文献「Journal of Crystal Grow
th, Vol.189/190, p.153-158 (1998)」(以下、第３
の従来技術と称す)には、ＧａＮのバルク結晶を成長さ
せ、それをホモエピタキシャル基板として用いることが
提案されている。この技術は、１４００〜１７００℃の
高温、および数１０ｋｂａｒもの超高圧の窒素圧力中
で、液体ＧａからＧａＮを結晶成長させる手法となって
いる。この場合には、このバルク成長したＧａＮ基板を
用いて、デバイスに必要なIII族窒化物半導体膜を成長
することが可能となる。従って、第１および第２の従来
技術のように工程を複雑化させることなく、ＧａＮ基板
を提供できる。

【００１１】しかしながら、第３の従来技術では、高
温，高圧中での結晶成長が必要となり、それに耐えうる
反応容器が極めて高価になるという問題がある。加え
て、このような成長方法をもってしても、得られる結晶
の大きさは高々１ｃｍ程度であり、デバイスを実用化す
るには小さ過ぎるという問題がある。

【００１２】この高温，高圧中でのＧａＮ結晶成長の問
題点を解決する手法として、文献「Chemistry of Mat
erials Vol.9 (1997) p.413-416」(以下、第４の従
来技術と称す)には、Ｎａをフラックスとして用いたＧ
ａＮ結晶成長方法が提案されている。この方法は、フラ
ックスとしてのアジ化ナトリウム(ＮａＮ₃)と金属Ｇａ
とを原料として、ステンレス製の反応容器(容器内寸
法；内径＝７．５ｍｍ、長さ＝１００ｍｍ)に窒素雰囲
気で封入し、その反応容器を６００〜８００℃の温度で
２４〜１００時間保持することにより、ＧａＮ結晶を成
長させるものである。この第４の従来技術の場合には、
６００〜８００℃程度の比較的低温での結晶成長が可能
であり、容器内圧力も高々１００ｋｇ／ｃｍ²程度と第
３の従来技術に比較して圧力を低くできる点が特徴であ
る。しかし、この方法の問題点としては、得られる結晶
の大きさが１ｍｍに満たない程度に小さい点である。こ
の程度の大きさではデバイスを実用化するには第３の従
来技術の場合と同様に小さすぎる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、第１や第２
の従来技術の問題点である工程を複雑化させることな
く、第３の従来技術の問題点である高価な反応容器を用
いることなく、かつ第３や第４の従来技術の問題点であ
る結晶の大きさが小さくなることなく、高性能の発光ダ
イオードやＬＤ等のデバイスを作製するための実用的な
大きさのIII族窒化物結晶を提供し、また、このようなI
II族窒化物結晶を成長させることの可能な結晶成長方法
および結晶成長装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、反応容器内で、少なくとも
III族金属を含む融液とフラックスと窒素原料とが接す
る領域から、種結晶を用いてIII族窒化物結晶を成長さ
せることを特徴としている。

【００１５】また、請求項２記載の発明は、反応容器内
で、少なくともIII族金属を含む融液とフラックスと窒
素原料からIII族窒化物結晶を成長させる結晶成長装置
において、III族窒化物の種結晶を保持する種結晶保持
手段と、フラックス蒸気圧を制御可能にフラックスを供
給するフラックス供給手段と、窒素圧力を制御可能に窒
素原料を供給する窒素供給手段とを具備しており、前記
種結晶保持手段を移動させることで、種結晶と前記融液
と窒素原料が接することができる領域を移動可能となっ
ていることを特徴としている。

【００１６】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の結晶成長装置において、種結晶と融液とフラックス
と窒素原料とが接する領域を限定する限定手段がさらに
設けられていることを特徴としている。

【００１７】また、請求項４記載の発明は、請求項２記
載の結晶成長装置において、前記フラックス供給手段
は、III族窒化物の種結晶を保持している周辺からフラ
ックスを供給する機能を有していることを特徴としてい
る。

【００１８】また、請求項５記載の発明は、請求項２乃
至請求項４のいずれか一項に記載の結晶成長装置におい
て、フラックスとしてＮａが用いられ、前記フラックス
供給手段は、フラックスとしてのＮａの蒸気圧を制御す
る機能を有していることを特徴としている。

【００１９】また、請求項６記載の発明は、請求項２乃
至請求項５のいずれか一項に記載の結晶成長装置におい
て、反応容器の内壁のうち、前記融液が接する領域が窒
化物で形成されていることを特徴としている。

【００２０】また、請求項７記載の発明は、請求項２ま
たは請求項３記載の結晶成長装置において、前記種結晶
保持手段を融液がある側とは反対の側に上方に移動させ
て種結晶を引き上げ可能となっていることを特徴として
いる。

【００２１】また、請求項８記載の発明は、請求項２記
載の結晶成長装置において、種結晶を融液中に沈ませな
がら移動させるよう、前記種結晶保持手段を移動可能と
なっていることを特徴としている。

【００２２】また、請求項９記載の発明は、請求項２乃
至請求項８のいずれか一項に記載の結晶成長装置におい
て、種結晶は、気液界面と概ね平行な面の一辺が長く、
かつ結晶成長初期において、気液界面と概ね平行な面が
気液界面に接しているか、もしくは種結晶が融液中に浸
っている形状となっていることを特徴としている。

【００２３】また、請求項１０記載の発明は、請求項３
記載の結晶成長装置において、前記限定手段は、所定の
大きさに制御可能な開口部を有していることを特徴とし
ている。

【００２４】また、請求項１１記載の発明は、請求項２
乃至請求項１０のいずれか一項に記載の結晶成長装置を
用いてIII族窒化物結晶を結晶成長させることを特徴と
している。

【００２５】また、請求項１２記載の発明は、請求項１
記載の結晶成長方法を用いて結晶成長させたIII族窒化
物結晶を特徴としている。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。本発明は、反応容器内で、少なくと
もIII族金属(例えば、Ｇａ(ガリウム))を含む融液とフ
ラックス(例えば、金属ＮａあるいはＮａを含む化合物
(アジ化ナトリウムなど))と窒素原料とが接する領域か
ら、種結晶(例えば、ＧａＮ結晶)を用いてIII族窒化物
結晶(例えば、ＧａＮ結晶)を成長させることを特徴とし
ている。

【００２７】なお、ここで、フラックスは、III族金属
を含む融液に予め溶け込ませておいても良いし、あるい
は、気体の状態で結晶成長領域に供給しても良い。ま
た、本発明において、窒素原料とは、窒素分子、原子状
窒素、あるいは窒素を含む化合物から生成された窒素分
子や原子状窒素のことである。

【００２８】また、III族窒化物結晶を用いたデバイス
は、光ディスク用青色光源や青色発光ダイオード、高温
動作の高周波電子デバイス等に応用可能である。

【００２９】図１は本発明に係る結晶成長装置の構成例
を示す図である。図１を参照すると、反応容器１０１内
には、少なくともIII族金属(例えば、Ｇａ)を含む融
液、より具体的には、例えば、III族金属(例えば、Ｇａ
(ガリウム))とフラックス(例えば、金属ＮａあるいはＮ
ａを含む化合物(アジ化ナトリウムなど))との混合融液
１０２が収容されている。また、反応容器１０１には、
結晶成長可能な温度に制御可能な加熱装置１０５が具備
されている。

【００３０】また、反応容器１０１内の気体と融液１０
２との境界領域である気液界面１１３に接するように、
種結晶(例えば、ＧａＮ結晶)１０３が種結晶保持手段と
しての種結晶ホルダー１０４により保持されている。こ
の種結晶ホルダー１０４は、反応容器１０１の外部につ
ながっており、外部から位置を変更できるようになって
いる。すなわち、種結晶ホルダー１０４は、種結晶１０
３及び成長したIII族窒化物結晶を引き上げることが可
能なように、外部からその位置を変更可能に構成されて
いる。

【００３１】また、図１において、反応容器１０１外に
は、フラックスの蒸気圧を制御するために、フラックス
容器１０６及び加熱装置１０８が設けられている。フラ
ックス容器１０６の内部には、フラックス(例えば、Ｎ
ａ)１０７が収容されており、フラックス容器１０６と
反応容器１０１との間は連結管１１０により接続されて
いる。フラックス容器１０６内のフラックス１０７は、
加熱装置１０８により所望のフラックス蒸気圧（Ｎａ圧
力）に制御可能となっている。換言すれば、フラックス
としてＮａを用いる場合に、このＮａの蒸気圧を制御可
能となっている。

【００３２】すなわち、図１の結晶成長装置では、反応
容器１０１内に存在しているＮａとフラックス容器１０
６から供給されるＮａとにより、その蒸気圧が制御可能
なように構成されている。核発生の制御性を向上させる
ために、フラックス容器１０６からのＮａ蒸気圧が支配
的になるようにする場合も、この発明の適用範囲であ
る。

【００３３】一方、窒素原料(例えば窒素(Ｎ))は、窒素
供給管１１１を通して、反応容器１０１外から反応容器
１０１内に供給可能となっている。この際、反応容器１
０１内の窒素圧力を調整するために、圧力調整機構１１
２が設けられている。この圧力調整機構１１２は、例え
ば、圧力センサー及び圧力調整弁などにより構成されて
いる。

【００３４】すなわち、図１の結晶成長装置は、基本的
に、反応容器１０１内で、少なくともIII族金属を含む
融液１０２と、フラックスと、窒素原料とから、III族
窒化物結晶を成長させるものであって、III族窒化物の
種結晶１０３を保持する種結晶保持手段１０４と、フラ
ックス蒸気圧を制御可能にフラックスを供給するフラッ
クス供給手段（１０６，１０８，１１０）と、窒素圧力
を制御可能に窒素原料を供給する窒素供給手段（１１
１，１１２）とを具備しており、種結晶保持手段１０４
を移動させることで、種結晶１０３と融液１０２と窒素
原料とが接することができる領域を移動可能となってい
る。

【００３５】このような構成の結晶成長装置では、結晶
成長可能な成長温度，窒素圧力，Ｎａ圧力の条件下にお
いて、種結晶１０３を核としてIII族窒化物結晶(例えば
ＧａＮ結晶)が成長する。すなわち、反応容器１０１内
において、少なくともIII族金属を含む融液１０２とフ
ラックスとに種結晶１０３が接しており、融液１０２と
窒素原料が反応し種結晶１０３を核にしてIII族窒化物
が結晶成長する。ここで、種結晶ホルダー１０４を移動
することで、種結晶１０３及びその周辺に成長したIII
族窒化物結晶が移動し、更に大きなIII族窒化物結晶を
成長させることが可能となる。すなわち、種結晶１０３
と融液１０２及び窒素原料が接する領域が移動すること
で、結晶成長領域が移動し、III族窒化物結晶が成長
し、大型化する。この時、III族窒化物結晶の成長は、
気液界面１１３で主に起こる。

【００３６】すなわち、III族金属であるＧａが十分あ
る状態で、フラックスであるＮａの蒸気圧と窒素原料で
ある窒素(Ｎ)の蒸気圧が制御できることで、継続的なII
I族窒化物結晶(ＧａＮ結晶)の成長が可能となり、III族
窒化物結晶(ＧａＮ結晶)を所望の大きさに成長させるこ
とが可能となる。

【００３７】図２は図１の結晶成長装置の変形例を示す
図である。なお、図２において図１と同様の箇所には同
じ符号を付している。図２の結晶成長装置では、図１の
結晶成長装置において、種結晶１０３と融液１０２とフ
ラックスと窒素原料とが接する領域を限定する限定手段
(例えば、カバー)１１４が設けられている。すなわち、
図２の例では、反応容器１０１内の気体と融液１０２と
の境界領域である気液界面１１３は、種結晶１０３があ
る領域に限定されており、それ以外の領域は、限定手段
としてのカバー１１４により、融液１０２と気体とが、
接しないように空間的に分離されている。換言すれば、
カバー１１４には、所定の大きさに制御可能な開口部１
１５が設けられており、この開口部１１５だけを通して
融液１０２が種結晶１０３と接することができるように
構成されている。

【００３８】すなわち、限定手段(カバー)１１４は、所
定の大きさに制御可能な開口部１１５を有しており、限
定手段１１４の開口部１１５は、種結晶１０３や種結晶
から成長させた結晶に接しており、それ以外の領域は融
液１０２を覆っている。この限定手段１１４の開口部１
１５の大きさは、III族窒化物結晶が当接することで、
その結晶が通ることが可能なように任意の形状に変化さ
せることができる。

【００３９】図３(ａ)，(ｂ)は、図２の結晶成長装置に
おける限定手段(カバー)１１４の一例を示す図(上面図)
である。なお、図３(ａ)は限定手段１１４の開口部１１
５が閉じた状態を示す図である。限定手段１１４は、例
えば、小さな扇形のセルで形成されており、結晶成長が
進むに伴い外側（矢印Ｑの方向）に限定手段１１４の開
口部１１５が適切な大きさに開くことが可能なように、
セルが外側に移動する構造となっている。また、図３
(ｂ)はある大きさのIII族窒化物結晶(ＧａＮ結晶)１５
０が得られた状態を示す図である。このように時間経過
と共に結晶１５０のサイズが大きくなり、それに伴な
い、限定手段１１４のセルが移動し、III族窒化物(Ｇａ
Ｎ)結晶１５０のサイズに合わせた形状に限定手段１１
４の開口部１１５が開く。この結果、III族窒化物結晶
(ＧａＮ結晶)と、融液１０２と、III族原料である窒素
とが接する領域は、III族窒化物結晶(ＧａＮ結晶)付近
に限定され、この領域以外の不要な核発生や結晶成長を
生じさせることなく、効率的に所望のIII族窒化物結晶
(ＧａＮ結晶)を成長させることが可能となる。

【００４０】このように、図２の構成では、融液(例え
ば、III族金属とフラックスの混合融液)１０２と窒素原
料（窒素）との接する領域が、カバー１１４により開口
部１１５の部分の気液界面１１３に限定される。この
際、カバー１１４の開口部１１５は、これを適切な大き
さと材質のものとすることにより、図２に示すように、
融液１０２を種結晶１０３の高さまで持ち上げることが
可能となる。これにより、気液界面１１３を種結晶１０
３の付近に限定することができ、この種結晶１０３の領
域付近のみで成長させる結晶成長条件のマージンを大き
くすることが可能となる。すなわち、その限定した領域
以外での核発生や結晶成長を抑制し易くなる。

【００４１】すなわち、図２の結晶成長装置では、限定
手段（カバー）１１４は、種結晶１０３と融液１０２と
フラックスと窒素原料とが接する領域を限定し、その領
域以外では種結晶１０３と融液１０２とフラックスと窒
素原料が接することができないようになっている。換言
すれば、種結晶１０３と融液１０２とフラックスと窒素
原料との全てが接する領域は、限定手段１１４の開口部
１１５のみに限定されており、この領域付近のみでIII
族窒化物の結晶成長が進む。それ以外の領域は、少なく
ともIII族金属を含む融液１０２と、フラックス及び窒
素原料とは接しておらず、結晶成長は起こり難い。

【００４２】図４は図１の結晶成長装置の他の変形例を
示す図である。なお、図４において図１と同様の箇所に
は同じ符号を付している。図４の結晶成長装置では、フ
ラックス容器１０６と反応容器１０１との間を接続する
連結管１１０は、種結晶ホルダー１０４の外側を覆うよ
うな形で反応容器１０１内に導入されており、連結管１
１０の先端部１１７からフラックスが供給できるような
形状になっている。すなわち、図４の結晶成長装置は、
III族窒化物の種結晶１０３を保持している周辺からフ
ラックスを供給する機能を有している。

【００４３】このような構成の結晶成長装置では、フラ
ックスが連結管１１０の先端部１１７のみから供給され
ることで、種結晶１０３を核としてIII族窒化物結晶は
この領域で優先的に結晶成長が可能となる。すなわち、
フラックスは種結晶１０３を保持している周辺から供給
されるため、種結晶１０３とフラックス、融液１０２及
び窒素原料が接する領域はここのみに限定される。この
環境下で、種結晶ホルダー１０４を上方向に移動するこ
とで(種結晶ホルダー１０４を引き上げることで)、種結
晶１０３が引き上げられ、種結晶１０３及びその周辺に
成長したIII族窒化物結晶が上方向に移動し、更に大き
なIII族窒化物結晶(ＧａＮ結晶)を成長することが可能
となる。この時、III族窒化物結晶の成長は気液界面１
１３で主に起こる。

【００４４】このように、フラックスが連結管１１０の
先端部１１７のみから供給されることで、種結晶１０３
を核としてIII族窒化物結晶はこの領域で優先的に結晶
成長し、他の領域での核発生及び結晶成長を抑制するこ
とが可能となり、III族窒化物結晶(ＧａＮ結晶基板)の
大型化のために結晶成長条件のマージンを大きくするこ
とが可能となる。

【００４５】また、図５は図１の結晶成長装置の他の変
形例を示す図である。なお、図５において図１と同様の
箇所には同じ符号を付している。図５の結晶成長装置で
は、反応容器１０１の内壁のうち、少なくともIII族金
属を含む融液(例えば、III族金属とフラックスを含む混
合融液)１０２が接する領域が、窒化物で形成されてい
る。

【００４６】すなわち、図５の結晶成長装置では、反応
容器１０１の内部に、第２の反応容器１２０が設けられ
ており、この第２の反応容器１２０が窒化物，例えばＢ
Ｎ（窒化硼素）で形成されている。そして、この第２の
反応容器１２０内には、少なくともIII族金属を含む融
液(例えば、III族金属とフラックスを含む混合融液)１
０２が収容されており、この融液１０２が接する領域は
全て、第２の反応容器１２０のみである。第２の反応容
器１２０の材質は、窒化物，例えばＢＮであるため、融
液１０２への窒素以外の不純物混入が無く、高純度なII
I族窒化物結晶(ＧａＮ結晶)を成長させることが可能と
なる。なお、この時も、III族窒化物結晶(ＧａＮ結晶)
の成長は気液界面１１３で主に起こる。

【００４７】なお、上述の例では、第２の反応容器１２
０の材質をＢＮとしたが、これ以外にも、分解し難いＳ
ｉＮやＴｉＮ等の窒化物を用いることができる。また、
図５の例は、図１の結晶成長装置に適用した場合となっ
ているが、図２あるいは図４の結晶成長装置において
も、反応容器１０１の内部に、窒化物，例えばＢＮ（窒
化硼素）で形成されている第２の反応容器１２０を設
け、融液１０２が接する領域を全て、第２の反応容器１
２０のみにすることができる。

【００４８】また、図６は図１の結晶成長装置の他の変
形例を示す図である。なお、図６において図１と同様の
箇所には同じ符号を付している。

【００４９】図６の結晶成長装置も、図１と同様に、反
応容器１０１内の気体と融液１０２との境界領域である
気液界面１１３に接するように、種結晶１０３が種結晶
ホルダー１０４により保持されており、ここで、種結晶
ホルダー１０４は、反応容器１０１の外部に位置する種
結晶引き上げ機１３０に接続され、種結晶引き上げ機１
３０によって外部から位置を変更できるようになってい
る。

【００５０】このような構成の結晶成長装置では、結晶
成長可能な成長温度，窒素圧力，Ｎａ圧力の条件下にお
いて、種結晶１０３を核としてIII族窒化物結晶(ＧａＮ
結晶)が成長する。ここで、種結晶ホルダー１０４を種
結晶引き上げ機１３０により上方向に(矢印Ｒの方向に)
移動させることで(種結晶１０３を融液１０２がある側
とは反対の側である上方に移動させることで)、種結晶
１０３の下方向にIII族窒化物結晶(ＧａＮ結晶)１４０
を成長させることが可能となり(融液と窒素原料が接す
る領域にIII族窒化物１４０を結晶成長させることが可
能となり)、結晶方位を制御した大型のIII族窒化物結晶
基板(ＧａＮ基板)の成長が可能となる。

【００５１】また、図７は図１の結晶成長装置の他の変
形例を示す図である。なお、図７において図１と同様の
箇所には同じ符号を付している。

【００５２】図７の結晶成長装置も、反応容器１０１内
の気体と融液１０２の境界領域である気液界面１１３に
接するように、種結晶１０３が種結晶ホルダー１０４に
より保持されているが、ここで、種結晶ホルダー１０４
は反応容器１０１の外部に位置する種結晶引き下げ機１
３１に接続され、外部から位置を変更できるようになっ
ている。

【００５３】このような構成の結晶成長装置では、結晶
成長可能な成長温度，窒素圧力，Ｎａ圧力の条件下にお
いて、種結晶１０３を核としてIII族窒化物結晶(ＧａＮ
結晶)が成長する。ここで、種結晶ホルダー１０４を種
結晶引き下げ機１３１により下方向(矢印Ｐの方向)に移
動させることで(種結晶１０３をが融液１０２中に沈む
方向に移動させることで)、種結晶１０３の上方向にIII
族窒化物結晶(ＧａＮ結晶)１４１を成長させることが可
能となり、結晶方位を制御した大型のIII族窒化物結晶
基板(ＧａＮ基板)の成長が可能となる。この時、結晶成
長が生じる気液界面１１３の上方向には、種結晶１０３
やそれから派生したIII族窒化物結晶あるいは種結晶ホ
ルダー１０４等が無い。従って、窒素やフラックス蒸気
等の気体が気液界面１１３に接触することを遮るもの
が、気液界面１１３の上方向には無いために、気液界面
１１３での結晶成長がスムーズに進み、結晶品質の高
い、大型結晶が成長可能となる。

【００５４】なお、上述例では、種結晶引き下げ機１３
１を用いて種結晶１０３や種結晶ホルダー１０４を下方
向に下げるようにしているが、これのかわりに、気液界
面１１３を上げることで、種結晶１１３を相対的に下方
向に移動させても良い。

【００５５】また、図８は図１，図２，図４，図５，図
６，図７の結晶成長装置に用いられる種結晶１０３およ
び種結晶ホルダー１０４の一例を示す図である。図８の
例では、種結晶１０３は、板状のものとなっており、種
結晶ホルダー１０４に保持されている。より詳細に、図
８の例では、種結晶１０３は厚さｄよりも、長さｌや幅
ｗの方が大きくなっている。このような形状の種結晶１
０３を融液１０２中に浸らせた後に、結晶成長可能な条
件で種結晶１０３を移動させることで、少なくとも種結
晶１０３の幅ｗの大きさのIII族窒化物結晶を成長させ
ることが可能となる。

【００５６】すなわち、このような形状の種結晶１０３
を用いて成長させたIII族窒化物結晶は、幅ｗが広い領
域が多く、それを適切な大きさにカットすることで、結
晶成長用基板として容易に応用が可能となる。図８の例
では、板状の結晶を種結晶として用いているが、それ以
外にも、その断面が矩形である棒状のもの等、幅方向に
長く、結晶成長時に気液界面１１３に接することが可能
なものであれば良い。

【００５７】換言すれば、種結晶１０３の形状として
は、気液界面１１３と概ね平行な面の一辺が長く、かつ
結晶成長初期において、気液界面１１３と概ね平行な面
が気液界面１１３に接しているか、もしくは種結晶１０
３が融液１０２中に浸っている形状であれば良い。

【００５８】以上のような結晶成長装置によってIII族
窒化物結晶を成長させることができる。結晶成長方法の
具体例として、III族金属としてＧａ、窒素原料として
窒素ガス、フラックスとしてＮａを用い、反応容器１０
１及びフラックス容器１０６の温度を７５０℃とし、窒
素圧力を１００ｋｇ／ｃｍ²Ｇに一定にする。このよう
な条件下で、ＧａＮ結晶が成長可能である。

【００５９】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項１２記載の発明によれば、反応容器内で、少なくと
もIII族金属を含む融液とフラックスと窒素原料とが接
する領域から、種結晶を用いてIII族窒化物結晶を成長
させるので、第１，第２の従来技術のように複雑な工程
を必要とせず、低コストで高品質なIII族窒化物結晶を
得ることができる。更に、１０００℃以下と成長温度が
低く、１００ｋｇ/ｃｍ²Ｇ程度と圧力も低い条件下でII
I族窒化物の結晶成長が可能となるので、第３の従来技
術のように超高圧，超高温に耐えうる高価な反応容器を
用いる必要がない。また、低温，低圧であることから種
結晶を核として結晶成長させ、それを移動することが容
易であり、III族窒化物結晶の大きさを大きくすること
が可能となる。

【００６０】特に、請求項３記載の発明によれば、請求
項２記載の結晶成長装置において、種結晶と融液とフラ
ックスと窒素原料とが接する領域を限定する限定手段が
さらに設けられているので、III族窒化物が成長する領
域を限定できる。従って、それ以外の領域での核発生及
びそれを核にした結晶成長を抑制でき、所望の領域のみ
で結晶成長させ、原料消費効率を高くすることができ
る。この結果、低コスト化が図れると共に、小さな結晶
同士の衝突も抑制することができ、更にIII族窒化物結
晶の大型化が可能となる。

【００６１】また、請求項４記載の発明によれば、種結
晶を保持している周辺からフラックスを供給すること
で、III族窒化物が優先的に結晶成長する領域が限定さ
れ、これにより、他の領域での核発生及びそれを核にし
た結晶成長を抑制することができ、III族窒化物結晶を
大型化するための結晶成長条件のマージンを大きくする
ことが可能となる。

【００６２】また、請求項５記載の発明によれば、Ｎａ
をフラックスとして用いることで、安価且つ高純度なフ
ラックスとして利用することが可能となる。従って、得
られるIII族窒化物結晶としても高純度なものが低コス
トで実現可能となる。

【００６３】また、請求項６記載の発明によれば、融液
と接する反応容器の内壁が窒化物であることから、高純
度で高温下でも安定であり、融液中へ溶け出す不純物が
少ない。その結果、高純度なIII族窒化物結晶を成長さ
せることが可能となる。

【００６４】また、請求項７記載の発明によれば、種結
晶を上方向に移動させることで(引き上げることで)、種
結晶の下側にIII族窒化物が結晶成長し、その結果、種
結晶の結晶方位と取り付け方向を工夫することで、結晶
方位の制御が容易になる。

【００６５】また、請求項８記載の発明によれば、種結
晶及び成長したIII族窒化物結晶を融液中に沈ませなが
ら移動させることにより、窒素やフラックス蒸気等の気
体が気液界面に接触することを遮るものが、気液界面の
上方向にはなく、その結果、気液界面での結晶成長がス
ムーズに進み、結晶品質の高い大型の結晶が成長可能と
なる。

【００６６】また、請求項９記載の発明によれば、種結
晶は、気液界面と概ね平行な面の一辺が長く、かつ結晶
成長初期において、気液界面と概ね平行な面が気液界面
に接しているか、もしくは種結晶が融液中に浸っている
形状となっているので、厚さ方向には薄いIII族窒化物
結晶を成長させることが可能となる。それを適切な大き
さに分割することで、直ぐにIII族窒化物薄膜の結晶成
長等に用いることができる。その結果、スライス，研磨
等の基板の加工が必要なくなり、低コストで高品質なII
I族窒化物基板を実現できる。

【００６７】また、請求項１０記載の発明によれば、請
求項３記載の結晶成長装置において、前記限定手段は、
所定の大きさに制御可能な開口部を有しているので、II
I族金属とフラックス及び窒素原料が接する領域を限定
しつつ、大口径基板を結晶成長させることが可能とな
る。

【００６８】また、請求項１２記載の発明によれば、請
求項１記載の結晶成長方法を用いてIII族窒化物結晶を
結晶成長させているので、高品質の大型のIII族窒化物
結晶を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る結晶成長装置の構成例を示す図で
ある。

【図２】図１の結晶成長装置の変形例を示す図である。

【図３】図２の結晶成長装置における限定手段(カバー)
の一例を示す図である。

【図４】図１の結晶成長装置の他の変形例を示す図であ
る。

【図５】図１の結晶成長装置の他の変形例を示す図であ
る。

【図６】図１の結晶成長装置の他の変形例を示す図であ
る。

【図７】図１の結晶成長装置の他の変形例を示す図であ
る。

【図８】図１，図２，図４，図５，図６，図７の結晶成
長装置に用いられる種結晶および種結晶ホルダーの一例
を示す図である。

【図９】従来のレーザダイオードを示す図である。

【符号の説明】

１０１反応容器１０２融液１０３種結晶１０４種結晶ホルダー１０５加熱装置１０６フラックス容器１０７フラックス１０８加熱装置１１０連結管１１１窒素供給管１１２圧力調整機構１１３気液界面１１４限定手段(カバー) １１５開口部１１７連結管の先端部１２０第２の反応容器１３０種結晶引き上げ機１４０ III族窒化物結晶１３１種結晶引き下げ機１４１ III族窒化物結晶１５０ III族窒化物結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G077 AA02 BE15 CC04 CC06 EA08 ED01 EG12 5F053 AA12 BB04 BB60 DD20 FF04 GG01 HH04 LL02 RR04 RR13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器内で、少なくともIII族金属を
含む融液とフラックスと窒素原料とが接する領域から、
種結晶を用いてIII族窒化物結晶を成長させることを特
徴とする結晶成長方法。
【請求項２】反応容器内で、少なくともIII族金属を
含む融液とフラックスと窒素原料からIII族窒化物結晶
を成長させる結晶成長装置において、III族窒化物の種
結晶を保持する種結晶保持手段と、フラックス蒸気圧を
制御可能にフラックスを供給するフラックス供給手段
と、窒素圧力を制御可能に窒素原料を供給する窒素供給
手段とを具備しており、前記種結晶保持手段を移動させ
ることで、種結晶と前記融液と窒素原料が接することが
できる領域を移動可能となっていることを特徴とする結
晶成長装置。
【請求項３】請求項２記載の結晶成長装置において、
種結晶と融液とフラックスと窒素原料とが接する領域を
限定する限定手段がさらに設けられていることを特徴と
する結晶成長装置。
【請求項４】請求項２記載の結晶成長装置において、
前記フラックス供給手段は、III族窒化物の種結晶を保
持している周辺からフラックスを供給する機能を有して
いることを特徴とする結晶成長装置。
【請求項５】請求項２乃至請求項４のいずれか一項に
記載の結晶成長装置において、フラックスとしてＮａが
用いられ、前記フラックス供給手段は、フラックスとし
てのＮａの蒸気圧を制御する機能を有していることを特
徴とする結晶成長装置。
【請求項６】請求項２乃至請求項５のいずれか一項に
記載の結晶成長装置において、反応容器の内壁のうち、
前記融液が接する領域が窒化物で形成されていることを
特徴とする結晶成長装置。
【請求項７】請求項２または請求項３記載の結晶成長
装置において、前記種結晶保持手段を融液がある側とは
反対の側に上方に移動させて種結晶を引き上げ可能とな
っていることを特徴とする結晶成長装置。
【請求項８】請求項２記載の結晶成長装置において、
種結晶を融液中に沈ませながら移動させるよう、前記種
結晶保持手段を移動可能となっていることを特徴とする
結晶成長装置。
【請求項９】請求項２乃至請求項８のいずれか一項に
記載の結晶成長装置において、種結晶は、気液界面と概
ね平行な面の一辺が長く、かつ結晶成長初期において、
気液界面と概ね平行な面が気液界面に接しているか、も
しくは種結晶が融液中に浸っている形状となっているこ
とを特徴とする結晶成長装置。
【請求項１０】請求項３記載の結晶成長装置におい
て、前記限定手段は、所定の大きさに制御可能な開口部
を有していることを特徴とする結晶成長装置。
【請求項１１】請求項２乃至請求項１０のいずれか一
項に記載の結晶成長装置を用いてIII族窒化物結晶を結
晶成長させることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１２】請求項１記載の結晶成長方法を用いて
結晶成長させたIII族窒化物結晶。