JP2003206198A - Ｉｉｉ族窒化物結晶成長方法およびｉｉｉ族窒化物結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大面積の高品質なIII族窒化物結晶を作製す
る。 【解決手段】 センサー２０の先端には空間的に分離し
た端子２１，２２が設置されており、センサー２０の先
端に設置されている端子２１，２２間の電気的導通の有
無によって結晶成長容器１８の底板１７を停止あるいは
上方に移動させ、液面（気液界面）２６の高さを一定に
保持するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

【従来の技術】従来、青色のＬＥＤは、赤色や緑色に比
べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年、一般
式ＩｎＡｌＧａＮで表されるIII族窒化物化合物半導体
において、低温ＡｌＮバッファー層あるいは低温ＧａＮ
バッファー層を用いることによる結晶成長技術の向上
と、Ｍｇをドーパントした低抵抗のｐ型半導体層が得ら
れたことにより、高輝度青色ＬＥＤが実用化され、さら
には、青色波長領域で発振する半導体レーザが実現され
た。

【０００３】一般に、高品質の半導体層を基板上にエピ
タキシャル成長させる場合には、基板と半導体層の格子
定数や熱膨張係数が、同程度である必要がある。しか
し、III族窒化物半導体は、これらを同時に満足する基
板が現在世の中には存在しない。

【０００４】従って、III族窒化物では、一般に、サフ
ァイアやＧａＡｓのようなIII族窒化物半導体と格子定
数や熱膨張係数の大きく異なる異種基板上に、ＥＬＯ等
の結晶成長技術を駆使して厚膜ＧａＮを成長し、それを
基板として半導体レーザ結晶を作製している。

【０００５】しかるに、異種基板を用いて結晶成長され
た厚膜ＧａＮ基板は、転位密度が１０⁷ｃｍ^-2程度と非
常に多くの結晶欠陥が含まれており、実用的な高出力レ
ーザ素子や、電子デバイスを作製するには未だ十分な品
質であるとは言えない。

【０００６】また、異種基板を用いて結晶成長された厚
膜ＧａＮ基板は、異種基板の面方位に依存してエピタキ
シャル成長したものであるので、その主面は、異種基板
の面方位で決定されている。現状では、厚膜ＧａＮを成
長できる異種基板は、（０００１）Ｃ面サファイアと
（１１１）ＧａＡｓであるので、厚膜ＧａＮ基板の主面
は（０００１）Ｃ面のみとなっている。

【０００７】しかるに、Ｃ面を主面としたＧａＮ基板に
作製されたＬＥＤやＬＤのチップカットでは、短冊型に
カットすることが容易ではない。通常、Ｃ面を主面とし
た基板では、ｍ面とａ面が直交しているので、この面に
沿ってチップカットが行われるが、ａ面には３０°で交
わる別のｍ面があるので、その面でへき開が起り、短冊
型にチップカットされない場合がある。

【０００８】これに対し、ｍ面を主面とした基板では、
へき開容易面は、直交するＣ面とａ面のみであり、ａ面
を主面とした基板では、へき開容易面は、直交するＣ面
とｍ面のみであるので、容易に短冊型にチップカットす
ることができる。

【０００９】また、Ｃ面上に結晶成長した結晶とその他
の面上に結晶成長した結晶とでは、歪みをかけた場合の
バンド構造の変化も異なるので、Ｃ面以外の基板を使用
することで、デバイスの特性を向上することや、基板の
面方位に依存した特性を利用して機能するデバイスの実
現が期待できる。

【００１０】例えば、デバイス特性の向上としては、計
算機シミュレーションでレーザーのしきい値を下げる検
討が行なわれている。

【００１１】しかし、現状ではＣ面以外の主面を有する
厚膜ＧａＮ基板は存在しないので、このようなデバイス
は実現されていない。

【００１２】一方、高品質なＧａＮ基板を作製するため
のＧａＮバルク単結晶を作製する試みは様々な研究機関
においてなされているが、いまだに数ミリ程度のものし
か得られていないのが実状であり、実用化には程遠い状
態である。

【００１３】文献「Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｍ
ａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ．９（１９９７） ｐ．
４１３−４１６」（従来技術１）には、Ｎａをフラック
スとして用いたＧａＮ結晶成長方法が示されている。こ
の従来技術１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
方法では、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／ｃｍ
²程度と低くできる点が特徴である。この方法で１ｍｍ
程度の大きさのＧａＮ結晶ができている。

【００１４】また、特開２００１−６４０９８（従来技
術２）には、図８，図９に示すように、種結晶をフラッ
クス融液の上に移動して結晶を引き上げる方法や、ある
いは、フラックス融液中に種結晶を沈ませて、III族窒
化物結晶のインゴットを作製する方法が開示されてい
る。

【００１５】結晶を引き上げる方法では、図８に示され
ているように、反応容器１０１内に収容されたフラック
スとIII族金属の混合融液１０２に種結晶１０３を用い
て結晶成長を開始し、種結晶１０３を上方に移動して、
気液界面１１３で結晶成長が行なわれるようにして、II
I族窒化物結晶のインゴット１４０を引き上げる。

【００１６】また、種結晶を融液中に沈めて成長する方
法では、図９に示されているように、反応容器１０１内
に収容されたフラックスとIII族金属の混合融液１０２
と窒素原料ガスとの気液界面から種結晶１０３を用いて
結晶成長を開始し、種結晶１０３を融液中に沈め、下方
に移動して気液界面１１３で結晶成長が行なわれるよう
にする。そして、III族窒化物結晶のインゴット１４１
を作製する。

【００１７】なお、図８，図９のどちらの方法も、反応
容器内の窒素原料とフラックスの蒸気圧を制御するため
に窒素原料とフラックスの蒸気圧を外部からかけてい
る。

【００１８】また、特開２００１−６４０９７（従来技
術３）には、フラックス（Ｎａ）とIII族金属（Ｇａ）
の混合融液が収容された反応容器に、外部から窒素原料
を気体として供給し、気液界面に種結晶を保持して成長
を行なう方法が開示されている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術１では、反応容器が小さく、得られる結晶の大きさは
１ｍｍ程度であり、この程度の大きさではデバイスを実
用化するには小さすぎる。

【００２０】また、従来技術２の引き上げによるインゴ
ットの作製方法では、III族窒化物結晶のインゴットを
作製することができるが、窒素が気相から融液中に溶け
込み、結晶成長面に拡散する必要があるため、結晶成長
は窒素の供給律速となる。そのため、面内で特性の均一
な大きなインゴットを作製するには数μｍ／時と非常に
ゆっくり引き上げる必要があり、長時間を有するという
問題がある。

【００２１】また、結晶を沈ませてインゴットを作製す
る場合は、窒素は気液界面から成長面に均一に供給され
るのでインゴットの気液界面に平行な断面内で特性の均
一なIII族窒化物のインゴットを作製することができ
る。しかし、この場合には、結晶を融液中に沈めるため
に、融液中の結晶に別の結晶核が付着して多結晶になる
場合があった。

【００２２】また、従来技術３の種結晶を気液界面に保
持して成長を行なう方法では、気液界面に平行に結晶が
成長し、気液界面に平行な主面を有する板状結晶が成長
する。これは、窒素の供給が気液界面から行われるの
で、気液界面に沿って成長が進むためである。しかし、
従来技術３のように、種結晶を気液界面に浮かべただけ
では結晶がある程度の大きさになると、結晶は、その自
重で融液中に沈んでしまため、大きなものを作製するこ
とがは困難であるという問題があった。

【００２３】本願の発明者は、従来技術３を追認する実
験を行なった。すなわち、ＮａとＧａの混合融液を使用
して大きな板状結晶を成長させるための実験を行なっ
た。

【００２４】その結果、気液界面には、Ｃ面を主面とす
る板状結晶が気液界面に平行に成長したが、この板状結
晶は、約５ｍｍ程度の大きさになると、融液中に沈み、
成長速度が遅くなる場合があった。

【００２５】また、結晶成長容器の側面で核が発生し、
そこから気液界面に沿って成長する結晶も観察された
が、このような結晶は、容器側面から融液表面に向かっ
て斜めに傾いて成長していた。この原因は、結晶成長中
にＮａとＧａの混合融液の液面が低下するためと考えら
れる。

【００２６】Ｎａは、結晶成長温度では蒸気圧が高いの
で、成長中に蒸発し、気液界面（液面）の低下が起る。
そのため、成長点は気液界面の位置の低下をトレースす
るように下がり、結果として、斜めに傾いた結晶が成長
すると考えられる。

【００２７】また、成長速度よりも気液界面（液面）の
低下速度が速い場合は、結晶成長が中断してしまうこと
も分かった。

【００２８】従って、従来技術３においては、大面積の
板状結晶が成長できない場合もあった。

【００２９】本発明は、これら従来のIII族窒化物結晶
の作製上の問題点を解決し、大面積の高品質なIII族窒
化物結晶を作製することの可能なIII族窒化物結晶成長
方法およびIII族窒化物結晶成長装置を提供することを
目的としている。

【００３０】

【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、アルカリ金属とIII族金属
原料を含む混合融液中でIII族金属原料と窒素原料を反
応させてIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶
成長方法において、アルカリ金属とIII族金属を含む混
合融液と窒素原料ガスとの気液界面付近、あるいは、ア
ルカリ金属とIII族金属を含む混合融液と窒素原料が分
解して生成した窒素ガスとの気液界面付近に、III族窒
化物結晶の成長中、III族窒化物結晶を継続して保持
し、気液界面に概ね平行に板状のIII族窒化物結晶を成
長することを特徴としている。

【００３１】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載のIII族窒化物結晶成長方法において、III族窒化物の
種結晶の所定の結晶面を気液界面に平行にして保持し、
該種結晶から気液界面に平行な主面を有する板状のIII
族窒化物結晶を結晶成長することを特徴としている。

【００３２】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載のIII族窒化物結晶成長方法において、気液界面に平
行にする種結晶の所定の結晶面は、（１−１００）ｍ面
あるいは（１１−２０）ａ面であり、該種結晶からｍ面
あるいはａ面が気液界面に平行な板状のIII族窒化物結
晶を成長することを特徴としている。

【００３３】また、請求項４記載の発明は、アルカリ金
属とIII族金属原料を含む混合融液中でIII族金属原料と
窒素原料を反応させてIII族窒化物結晶を成長させるIII
族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物結晶の成
長中に、III族窒化物結晶を気液界面に継続して保持す
る機構が設けられていることを特徴としている。

【００３４】また、請求項５記載の発明は、請求項４記
載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物結
晶を気液界面に継続して保持する機構には、III族窒化
物結晶の成長中に、気液界面の位置を一定にする機構が
用いられることを特徴としている。

【００３５】また、請求項６記載の発明は、請求項４記
載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物結
晶を気液界面に継続して保持する機構には、III族窒化
物結晶の成長中に、III族窒化物結晶を気液界面の位置
に移動する機構が用いられることを特徴としている。

【００３６】また、請求項７記載の発明は、請求項６記
載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物結
晶を気液界面の位置に移動する機構には、結晶成長容器
の上あるいは下に設置した治具を上下させてIII族窒化
物結晶を移動させる機構が用いられることを特徴として
いる。

【００３７】また、請求項８記載の発明は、請求項６記
載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物結
晶を気液界面の位置に移動する機構には、気液界面にII
I族窒化物結晶が成長する治具を浮かせる機構が用いら
れることを特徴としている。

【００３８】また、請求項９記載の発明は、請求項６記
載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物結
晶を保持する機構には、種結晶を設置する手段が設けら
れていることを特徴としている。

【００３９】

【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。

【００４０】第１の実施形態 図１は本発明の第１の実施形態のIII族窒化物結晶成長
装置の構成例を示す図である。図１を参照すると、この
結晶成長装置には、ステンレス製の閉じた形状の反応容
器１０と、反応容器１０内に設けられ、結晶成長を行な
うための結晶成長容器１８と、融液２４の液面（気液界
面）２６を検知するためのセンサー２０と、結晶成長容
器１８の底板１７と、結晶成長容器１８の蓋１９と、結
晶成長容器１８の底板１７を上下に移動するための移動
治具１６と、移動治具１６を移動させる治具移動装置２
７と、センサー２０からの信号を処理し、気液界面２６
の高さが一定に保持されるよう、移動治具１６の移動を
制御する制御装置２３と、ヒーター１５と、反応容器１
０内の全圧力をモニターするための圧力計１４とが設け
られている。

【００４１】ここで、結晶成長容器１８と底板１７と結
晶成長容器１８の蓋１９の材質は、例えばＢＮ（ボロン
ナイトライド）である。

【００４２】また、成長容器１８と蓋１９との間には、
隙間がわずかにあいている。窒素原料ガスは、この隙間
を通して結晶成長容器１８の内部空間２５内に入り、ア
ルカリ金属とIII族金属の混合融液２４との間に気液界
面２６を形成する。

【００４３】また、反応容器１０の内部空間に窒素原料
ガスを充満させ、かつ反応容器１０内の窒素原料圧力を
制御することを可能にするガス供給管１１が反応容器１
０を貫通して装着されている。ここで、ガス供給管１１
はバルブ１２で外部と分離することが可能となってい
る。また、窒素の圧力を圧力制御装置１３で調整するこ
とが可能となっている。

【００４４】図１の結晶成長装置では、融液面（気液界
面）２６の高さが一定に保持されるように構成されてい
る。すなわち、図１の装置では、センサー２０の先端に
は空間的に分離した端子２１，２２が設置されており、
センサー２０の先端に設置されている端子２１，２２間
の電気的導通の有無によって結晶成長容器１８の底板１
７を停止あるいは上方に移動させ、液面（気液界面）２
６の高さを一定に保持するように構成されている。

【００４５】図１の装置では、結晶成長初期では、端子
２１，２２がIII族金属とアルカリ金属の混合融液２４
に接しており、端子２１，２２間に電気的導通がある場
合は、制御装置２３から治具移動装置２７に治具１６の
移動を停止させる信号が送られ、治具１６は停止してい
る。

【００４６】一方、混合融液２４の液面（気液界面）２
６が下がり、端子２１，２２間の電気的導通がなくなっ
た場合には、制御装置２３から治具移動装置２７に治具
１６を上方に移動させる信号が送られ、移動治具１６が
上方に移動する。移動治具１６上には結晶成長容器１８
の底板１７が設置されており、この底板１７は、結晶成
長容器１８の内側面に接して上下に移動可能になってい
る。従って、治具１６に連動して底板１７も上方に移動
し、融液２４の液面（気液界面）２６も上方に移動す
る。

【００４７】そして、融液面（気液界面）２６が端子２
１と端子２２に接し、端子２１，２２間が電気的に導通
すると、制御装置２３から治具移動装置２７に治具１６
の移動を停止させる信号が送られ、治具１６は停止す
る。すなわち、融液の液面（気液界面）２６の移動が停
止する。

【００４８】このように、図１の装置では、気液界面２
６は常にセンサー２０の端子２１，２２の高さに保持さ
れる。これにより、常に一定高さの気液界面２６に沿っ
てIII族窒化物結晶２８の成長が継続し、気液界面２６
に平行な大型の板状のIII族窒化物結晶２８を成長する
ことができる。

【００４９】以下に、図１の結晶成長装置を使用したＧ
ａＮの成長方法を説明する。

【００５０】まず、結晶成長容器１８に、アルカリ金属
としてＮａを入れ、また、III族金属としてＧａを入
れ、結晶成長容器１８の上に蓋１９をかぶせる。

【００５１】アルカリ金属とIII族金属の量は、混合融
液となった時の液面２６の高さがセンサー２０の端子２
１，２２の高さよりもわずかに低くなるようにする。

【００５２】次いで、反応容器１０を密閉し、バルブ１
２を閉じ、反応容器１０内部を外部雰囲気と遮断する。

【００５３】次いで、ヒーター１５の温度を７００℃ま
で昇温する。

【００５４】次いで、センサー２０を作動させる。この
時点では、センサー２０の端子２１，２２と混合融液２
４とは接していないので、移動治具１６と底板１７が上
方へ移動する。それと連動して、液面２６が上がり、セ
ンサー２０の端子２１、２２と液面２６とが接して、移
動治具１６と底板１７の移動が停止する。

【００５５】次いで、バルブ１２を開け、ガス供給管１
１から窒素原料ガスである窒素ガスを入れ、圧力制御装
置１３で窒素ガスの圧力を調整して、反応容器１０内の
全圧を５ＭＰａにする。この状態で２００時間保持した
後、降温する。

【００５６】反応容器１０内のガスの圧力を下げた後、
反応容器１０を開けると、Ｎａの一部が成長容器１８の
下部に付着していた。また、成長容器１８の底板１７は
上昇していたが、融液面（気液界面）２６はセンサー２
０に接しており、ＧａＮの結晶成長中、液面（気液界
面）２６が一定の高さに保たれていた。

【００５７】そして、気液界面２６には、成長容器１８
の内壁に核発生して成長したＧａＮの板状単結晶２８が
気液界面２６に平行に結晶成長していた。

【００５８】図１の結晶成長装置では、気液界面２６が
常に一定の高さに保持された状態で結晶成長することが
できるので、従来のように成長容器内壁と気液界面が交
差する位置に核発生した結晶が、気液界面の位置の低下
とともに斜めに成長したり、途中で成長が停止したりす
ることがなくなる。その結果、常に一定高さの気液界面
に沿ってIII族窒化物の結晶成長が継続し、気液界面に
平行な大型の板状のIII族窒化物結晶を成長することが
できる。

【００５９】第２の実施形態 図２は本発明の第２の実施形態のIII族窒化物結晶成長
装置の構成例を示す図である。図２を参照すると、この
結晶成長装置には、ステンレス製の閉じた形状の反応容
器３０と、反応容器３０内に設けられ、結晶成長を行な
うための結晶成長容器３７と、結晶成長容器３７の蓋３
８と、結晶を上下に移動するための移動治具３９とが設
けられている。

【００６０】ここで、図２の結晶成長容器３７と結晶成
長容器３７の蓋３８の材質は、例えばＢＮ（ボロンナイ
トライド）である。

【００６１】また、成長容器３７と蓋３８との間には、
隙間がわずかにあいている。窒素原料ガスは、この隙間
を通して結晶成長容器３７の内部空間４６内に入り、ア
ルカリ金属とIII族金属の混合融液４５との間に気液界
面４８を形成するようになっている。

【００６２】また、結晶を上下に移動するための移動治
具３９には、種結晶４３を取り付ける（保持する）種結
晶ホルダー４０と、融液面（気液界面）４８を検知する
センサー端子４１，４２が備わっている。

【００６３】また、図２の結晶成長装置には、移動治具
３９を移動させる治具移動装置３６と、センサー端子４
１，４２からの信号を処理し、移動治具３９の移動を制
御する制御装置４７と、ヒーター３５と、反応容器３０
内の全圧力をモニターするための圧力計３４とが設けら
れている。

【００６４】また、図２の装置では、反応容器３０の内
部空間に窒素原料ガスを充満させ、かつ反応容器３０内
の窒素原料圧力を制御することを可能にするガス供給管
３１が反応容器３０を貫通して装着されている。ここ
で、ガス供給管３１は、バルブ３２で外部と分離するこ
とが可能となっている。また、窒素の圧力を圧力制御装
置３３で調整することが可能となっている。

【００６５】図２の結晶成長装置では、結晶を融液面
（気液界面）４８の高さに保持するように構成されてい
る。すなわち、図２の装置では、結晶移動治具３９に設
けられているセンサー端子４１、４２間の電気的導通の
有無によって結晶移動治具３９を停止あるいは下方に移
動させ、III族窒化物結晶４４を融液４５の液面（気液
界面）４８に保持するように構成されている。

【００６６】図２の装置では、結晶成長初期では、セン
サー端子４１，４２がIII族金属とアルカリ金属の混合
融液４５に接しており、センサー端子４１，４２間に電
気的導通がある場合は、制御装置４７から治具移動装置
３６に治具３９の移動を停止させる信号が送られ、治具
３９は停止している。

【００６７】一方、混合融液４５の液面（気液界面）４
８が下がり、端子４１，４２間の電気的導通がなくなっ
た場合には、制御装置４７から治具移動装置３６に治具
３９を下方に移動させる信号が送られ、移動治具３９が
下方に移動する。

【００６８】そして、センサー端子４１とセンサー端子
４２が融液面（気液界面）４８に接し、センサー端子４
１，４２間が電気的に導通すると、制御装置４７から治
具移動装置３６に治具３９の移動を停止させる信号が送
られ、治具３９は停止する。

【００６９】移動治具３９には種結晶４３を保持するホ
ルダー４０が設けられており、このホルダー４０に種結
晶４３が設置されている。種結晶４３とセンサー端子４
２，４１は同じ高さに設定されており、センサー端子４
１，４２が液面（気液界面）４８に接すると種結晶４３
も液面（気液界面）４８に接する。すなわち、種結晶４
３から気液界面４８に沿って成長したIII族窒化物結晶
４４もセンサー端子４１，４２が液面（気液界面）４８
に接すると液面（気液界面）４８に接する。

【００７０】従って、図２の結晶成長装置では、融液面
（気液界面）４８の移動に追随して種結晶４３と成長し
た結晶４４も移動し、結晶４４は、常に融液面（気液界
面）４８に保持される。

【００７１】以下に、図２の結晶成長装置を使用したＧ
ａＮの成長方法を説明する。

【００７２】まず、結晶成長容器３７に、アルカリ金属
としてＮａを入れ、また、III族金属としてＧａを入れ
る。

【００７３】アルカリ金属とIII族金属の量は、混合融
液４５となった時の液面４８の高さがセンサー端子４
１，４２の高さよりもわずかに低くなるようにする。す
なわち、種結晶ホルダー４０が融液４５に接しない高さ
にする。

【００７４】次いで、種結晶ホルダー４０にＧａＮの種
結晶４３を設置する。この時、種結晶４３は、ｍ面が気
液界面４８に平行になるように設置した。

【００７５】次いで、成長容器３７の上に蓋３８をかぶ
せる。次いで、反応容器３０を密閉し、バルブ３２を閉
じ、反応容器３０内部を外部雰囲気と遮断する。次い
で、ヒーター３５の温度を７００℃まで昇温する。

【００７６】次いで、バルブ３２を開け、窒素ガス供給
管３１から窒素ガスを入れ、圧力制御装置３３で圧力を
調整して反応容器３０内の全圧を５ＭＰａにする。

【００７７】次いで、センサー４１，４２を作動させ
る。いまの時点では、センサー端子４１，４２と融液４
５とは接していないので、移動治具３９が下方へ移動す
る。それと連動して、種結晶４３とセンサー端子４１，
４２も下方へ移動し、センサー端子４１，４２と種結晶
４３とが液面４８と接して、移動が停止する。この状態
で２００時間保持した後、降温する。

【００７８】反応容器３０内のガスの圧力を下げた後、
反応容器３０を開けると、Ｎａの一部が成長容器３７の
下部に付着していた。また、成長容器３７内の融液面
（気液界面）４８は下降していたが、センサー端子４
１，４２は融液面（気液界面）４８に接しており、種結
晶４３から成長したｍ面を主面とするＧａＮの板状単結
晶４４が気液界面４８に平行に結晶成長していた。

【００７９】図２の結晶成長装置では、結晶４４を常に
気液界面４８に保持した状態で結晶成長することができ
るので、従来のように成長容器内壁と気液界面が交差す
る位置に核発生した結晶が、気液界面の位置の低下とと
もに斜めに成長したり、途中で成長が停止したりするこ
とがなくなる。その結果、常に気液界面に沿ってIII族
窒化物の結晶成長が継続し、気液界面に平行な大型の板
状のIII族窒化物結晶を成長することができる。

【００８０】第３の実施形態 図３は本発明の第３の実施形態のIII族窒化物結晶成長
装置の構成例を示す図である。

【００８１】図３の結晶成長装置は、ステンレス製の閉
じた形状の反応容器５０と、反応容器５０内に設けら
れ、結晶成長を行なうための結晶成長容器５６と、結晶
成長容器５６の蓋５７と、結晶を気液界面６３に保持す
る結晶保持治具５８と、ヒーター５５と、反応容器５０
内の全圧力をモニターするための圧力計５４とが設けら
れている。

【００８２】ここで、結晶成長容器５６と結晶成長容器
５６の蓋５７と結晶保持治具５８の材質は、例えばＢＮ
（ボロンナイトライド）である。

【００８３】また、結晶成長容器５６と蓋５７の間には
隙間がわずかにあいている。窒素原料ガスは、この隙間
を通して結晶成長容器５６の内部空間６１内に入り、ア
ルカリ金属とIII族金属の混合融液６２との間に気液界
面６３を形成する。

【００８４】図４は結晶保持治具５８の一例を示す図で
ある。図４を参照すると、結晶を気液界面６３に保持す
る結晶保持治具５８は、リング形状のものであって、リ
ングの内側に種結晶５９を取り付けるための種結晶ホル
ダー６５が設けられている。なお、図４では、種結晶ホ
ルダー６５が１個しか図示されていないが、種結晶ホル
ダー６５は、リングの対向面にさらに１個設置されてい
る。

【００８５】また、図３の装置では、反応容器５０の内
部空間に窒素原料ガスを充満させ、かつ反応容器５０内
の窒素原料圧力を制御することを可能にするガス供給管
５１が反応容器５０を貫通して装着されている。ここ
で、ガス供給管５１は、バルブ５２で外部と分離するこ
とが可能となっている。また、窒素の圧力を圧力制御装
置５３で調整することが可能となっている。

【００８６】図３の結晶成長装置では、結晶を気液界面
６３に保持するように構成されている。すなわち、図３
の装置では、アルカリ金属とIII族金属の混合融液６２
に浮く結晶保持治具５８を使用することで、常に気液界
面６３に結晶を保持するように構成されている。

【００８７】図３，図４の装置では、結晶保持治具５８
には種結晶ホルダー６５が具備されており、これに種結
晶５９を設置して混合融液６２に浮かべ、種結晶５９か
ら結晶成長を行なう。結晶保持治具５８は常に融液６２
の表面に浮いているので、成長したIII族窒化物結晶６
０は、常に気液界面６３に保持され、気液界面６３に沿
って板状のIII族窒化物結晶６０の成長が継続する。

【００８８】以下に、図３の結晶成長装置を使用したＧ
ａＮの成長方法を説明する。

【００８９】まず、結晶成長容器５６に、アルカリ金属
としてＮａを入れ、また、III族金属としてＧａを入れ
る。

【００９０】次いで、図４に示した結晶保持治具５８の
２つの種結晶ホルダー６５にＧａＮの種結晶５９を設置
する。この時、種結晶５９はＣ面が気液界面６３に平行
になるように設置する。

【００９１】次いで、種結晶５９を設置した結晶保持治
具５８を成長容器５６に収容し蓋５７をかぶせる。次い
で、反応容器５０を密閉し、バルブ５２を閉じ、反応容
器５０内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、ヒーター
５５の温度を７００℃まで昇温する。

【００９２】次いで、バルブ５２を開け、ガス供給管５
１から窒素ガスを入れ、圧力制御装置５３で圧力を調整
して反応容器５０内の全圧を５ＭＰａにする。この状態
で２００時間保持した後、降温する。

【００９３】反応容器５０内のガスの圧力を下げた後、
反応容器５０を開けると、Ｎａの一部が成長容器５６の
下部に付着していた。また、成長容器５６内の融液面
（気液界面）６３は下降していたが、結晶保持治具５８
は融液面（気液界面）６３に接しており、図５に示すよ
うに、種結晶５９から成長したＣ面を主面とするＧａＮ
の板状単結晶６０が２枚、気液界面６３に平行に結晶成
長していた。

【００９４】図６は、図３の結晶成長装置において、種
結晶を３個設置できる（３個の種結晶ホルダーを有す
る）結晶保持治具を使用して、図４，図５と同様の方法
で結晶成長を行なった場合を示す図である。

【００９５】この場合は、種結晶５９から成長したＣ面
を主面とするＧａＮの板状単結晶６０が３枚、気液界面
６３に平行に結晶成長していた。

【００９６】図３の結晶成長装置では、結晶６０を常に
気液界面６３に保持した状態で結晶成長することができ
るので、従来のように成長容器内壁と気液界面が交差す
る位置に核発生した結晶が、気液界面の位置の低下とと
もに斜めに成長したり、途中で成長が停止したりするこ
とがなくなる。その結果、常に気液界面に沿ってIII族
窒化物の結晶成長が継続し、気液界面に平行な大型の板
状のIII族窒化物結晶を成長することができる。

【００９７】第４の実施形態 図７は本発明の第４の実施形態のIII族窒化物結晶成長
装置の構成例を示す図である。

【００９８】この第４の実施形態の結晶成長装置は、基
本的には、第３の実施形態の結晶成長装置と同じである
が、第４の実施形態では、結晶成長容器を４個収容する
ことができるように構成されている。

【００９９】図７の結晶成長装置には、ステンレス製の
閉じた形状の反応容器７０と、反応容器７０内に設けら
れ、結晶成長を行なうための結晶成長容器７７と、結晶
成長容器７７の蓋７８と、結晶を気液界面に保持する結
晶保持治具７９と、ヒーター７５と、反応容器７０内の
全圧力をモニターするための圧力計７４と、結晶成長容
器７７を４台設置するための支持台７６とが設けられて
いる。

【０１００】ここで、結晶成長容器７７，蓋７８，結晶
保持治具７９は、第３の実施形態の結晶成長装置のもの
と同じものである。

【０１０１】また、図７の装置では、反応容器７０の内
部空間に窒素原料ガスを充満させ、かつ反応容器７０内
の窒素原料圧力を制御することを可能にするガス供給管
７１が反応容器７０を貫通して装着されている。ガス供
給管７１は、バルブ７２で外部と分離することが可能と
なっている。また、窒素の圧力を圧力制御装置７３で調
整することが可能となっている。

【０１０２】また、結晶を気液界面に保持する結晶保持
治具７９には、例えば図６に示したものと同様のものを
用いることができる。この場合、結晶保持治具７９は、
リング形状のものであって、リングの内側に種結晶８０
を取り付ける種結晶ホルダーが３個具備されている。

【０１０３】図７の結晶成長装置を使用しての結晶成長
は、第３の実施形態と同様の手順で行なえる。異なる点
は、１回で４個の結晶成長容器７７にＮａとＧａと種結
晶８０を設置する点である。

【０１０４】図７の結晶成長装置では、１つの結晶保持
治具７９に種結晶８０を３個設置して結晶成長を行なう
ことで、１回の成長で、１２枚のIII族窒化物（Ｇａ
Ｎ）の板状結晶８１を成長できた。なお、図７におい
て、符号８３は混合融液である。

【０１０５】以上のように、第４の実施形態の装置を使
用することで、板状のＧａＮ単結晶を一度に多数枚、結
晶成長することができる。

【０１０６】上述した各実施形態からわかるように、本
発明は、アルカリ金属とIII族金属原料を含む混合融液
中でIII族金属原料と窒素原料を反応させてIII族窒化物
結晶を成長させる場合に、アルカリ金属とIII族金属を
含む混合融液と窒素原料ガスとの気液界面付近、あるい
は、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液と窒素原
料が分解して生成した窒素ガスとの気液界面付近に、II
I族窒化物結晶の成長中、III族窒化物結晶を継続して保
持し、気液界面に概ね平行に板状のIII族窒化物結晶を
成長するようにしている。

【０１０７】換言すれば、本発明では、結晶成長の位置
を気液界面として、結晶成長を継続する間、成長してい
る結晶を常に気液界面に保持して結晶成長を行なうよう
にしている。

【０１０８】これにより、厚さが数百μｍ程度の大面積
の板状結晶を、その主面を気液界面に概ね平行にして成
長させることができる。なお、自然核発生で成長を行な
うと通常、主面はＣ面となる。

【０１０９】本発明において、アルカリ金属としては、
通常Ｎａ（ナトリウム）やＫ（カリウム）が使用される
が、その他のアルカリ金属を使用することもできる。

【０１１０】また、III族窒化物は、ガリウム，アルミ
ニウム，インジウムから選ばれるIII族金属と窒素との
化合物を意味する。

【０１１１】また、アルカリ金属とIII族金属を含む混
合融液中には、別の元素を溶融させておくこともでき
る。例えばｎ型不純物やｐ型不純物を溶融させドーピン
グしてもよい。

【０１１２】また、本発明の結晶成長方法で使用する窒
素原料としては、窒素ガスや窒素と別の元素との化合物
等の窒素を構成元素とする物質を使用することができ
る。従って、窒素原料は、気体であっても液体であって
も固体であっても良く、特にその種類は限定するもので
はないが、窒素原料を気体とするのが最も好ましい。す
なわち、この場合には、窒素原料を気体として気相から
供給し、気液界面付近の窒素濃度が最も高くなるように
することができる。こうすることで、気液界面付近に結
晶性の良い高品質のIII族窒化物を結晶成長させること
ができる。すなわち、成長速度を律速する窒素の供給を
十分にして、成長速度を速くすることができる。また、
窒素不足による窒素空孔等の欠陥が低減し、高品質なII
I族窒化物を成長することができる。具体的には、窒素
原料としては、窒素ガスを使用することができる。ま
た、窒素原料を気体とすることで、融液中の窒素濃度を
小さくでき、この場合には、結晶成長容器の側面や底面
での結晶成長が抑制され、III族原料の無駄な消費を少
なくすることができる。

【０１１３】また、本発明では、上述のIII族窒化物結
晶成長方法において、III族窒化物の種結晶の所定の結
晶面を気液界面に平行にして保持し、該種結晶から気液
界面に平行な主面を有する板状のIII族窒化物結晶を結
晶成長するようにしている。

【０１１４】自然核発生を利用して気液界面にIII族窒
化物の板状結晶を成長すると、通常、結晶のＣ軸が気液
界面に垂直になる。すなわち、Ｃ面が気液界面に平行に
なり、Ｃ面を主面とするIII族窒化物の板状結晶が成長
する。

【０１１５】本発明では、種結晶を使用し、前述のよう
にその面方位を規定して成長を行なうことで、所望の結
晶面を主面とする板状結晶を成長することができる。

【０１１６】また、本発明では、上述のIII族窒化物結
晶成長方法において、気液界面に平行にする種結晶の所
定の結晶面が、（１−１００）ｍ面あるいは（１１−２
０）ａ面であり、この種結晶からｍ面あるいはａ面が気
液界面に平行な板状のIII族窒化物結晶を成長するよう
にしている。

【０１１７】また、本発明では、アルカリ金属とIII族
金属原料を含む混合融液中でIII族金属原料と窒素原料
を反応させてIII族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物
結晶成長装置において、III族窒化物結晶の成長中に、I
II族窒化物結晶を気液界面に継続して保持する機構が設
けられている。

【０１１８】ここで、III族窒化物結晶を気液界面に継
続して保持する機構としては、III族窒化物結晶の成長
中に、気液界面の位置を一定にする機構を用いることが
できる。

【０１１９】あるいは、III族窒化物結晶を気液界面に
継続して保持する機構としては、III族窒化物結晶の成
長中に、III族窒化物結晶を気液界面の位置に移動する
機構を用いることができる。ここで、III族窒化物結晶
を気液界面の位置に移動する機構としては、結晶成長容
器の上あるいは下に設置した治具を上下させてIII族窒
化物結晶を移動させる機構を用いたり、あるいは、III
族窒化物III族窒化物結晶が成長する治具を気液界面に
浮かせる機構を用いることができる。

【０１２０】また、上述した結晶を保持する機構には、
種結晶を設置する手段が設けられている。このとき、結
晶成長は種結晶を設置する機構（治具）に種結晶を設置
した後、気液界面に種結晶を保持して種結晶から結晶成
長を開始する。なお、種結晶を設置する方法は特に限定
するものではない。

【０１２１】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項９記載の発明によれば、アルカリ金属とIII族金属
原料を含む混合融液中でIII族金属原料と窒素原料を反
応させてIII族窒化物結晶を成長させる場合に、アルカ
リ金属とIII族金属を含む混合融液と窒素原料ガスとの
気液界面付近、あるいは、アルカリ金属とIII族金属を
含む混合融液と窒素原料が分解して生成した窒素ガスと
の気液界面付近に、III族窒化物結晶の成長中、III族窒
化物結晶を継続して保持し、気液界面に概ね平行に板状
のIII族窒化物結晶を成長するので、III族窒化物の板状
結晶を継続して成長することができる。その結果、大面
積を有する高品質のIII族窒化物の板状結晶を成長する
ことができる。

【０１２２】特に、請求項２記載の発明では、請求項１
記載のIII族窒化物結晶成長方法において、III族窒化物
の種結晶の所定の結晶面を気液界面に平行にして保持
し、該種結晶から気液界面に平行な主面を有する板状の
III族窒化物結晶を結晶成長するので、従来では、Ｃ面
を主面とするIII族窒化物の板状結晶しか作製すること
が困難であったが、所望の結晶面を主面とするIII族窒
化物の板状結晶を容易に作製することができる。従っ
て、Ｃ面以外の主面を有するIII族窒化物基板を作製す
ることができる。また、この板状結晶を使用してデバイ
スを作製する場合には、基板の面方位に依存した特性を
利用して機能するデバイスを作製することが可能にな
る。

【０１２３】また、請求項３記載の発明では、請求項２
記載のIII族窒化物結晶成長方法において、気液界面に
平行にする種結晶の所定の結晶面は、（１−１００）ｍ
面あるいは（１１−２０）ａ面であり、該種結晶からｍ
面あるいはａ面が気液界面に平行な板状のIII族窒化物
結晶を成長するので、従来作製が困難であったｍ面ある
いはａ面を主面とした板状結晶を容易に作製することが
できる。また、この板状結晶を使用してデバイスを作製
する場合には、デバイスチップを容易に短尺形にチップ
カットすることができる。その結果、チップカット時の
歩留まりが向上し、低コスト化を図ることができる。

【０１２４】また、請求項４記載の発明では、アルカリ
金属とIII族金属原料を含む混合融液中でIII族金属原料
と窒素原料を反応させてIII族窒化物結晶を成長させるI
II族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物結晶の
成長中に、III族窒化物結晶を気液界面に継続して保持
する機構が設けられているので、原料の消費やアルカリ
金属の蒸発によって結晶成長中に気液界面が低下して
も、結晶を気液界面に保持することができて、従来のよ
うに、気液界面の低下とともに結晶が斜めに成長してし
まうことや、結晶成長が中断してしまうことを防止でき
る。その結果、気液界面で大きなIII族窒化物の板状結
晶を成長することができる。

【０１２５】また、請求項５記載の発明では、請求項４
記載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物
結晶を気液界面に継続して保持する機構には、III族窒
化物結晶の成長中に、気液界面の位置を一定にする機構
が用いられるので、成長容器の側面に核発生した結晶が
成長した場合等で結晶を移動することが困難である場合
に有効である。すなわち、このような場合でも、気液界
面で大きなIII族窒化物の板状結晶を成長することがで
きる。

【０１２６】また、請求項６記載の発明では、請求項４
記載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物
結晶を気液界面に継続して保持する機構には、III族窒
化物結晶の成長中に、III族窒化物結晶を気液界面の位
置に移動する機構が用いられるので、融液面（気液界
面）の位置変動を制御できないような場合においても、
常に結晶を気液界面に保持することができる。その結
果、気液界面で大きなIII族窒化物の板状結晶を成長す
ることができる。

【０１２７】また、請求項７記載の発明では、請求項６
記載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物
結晶を気液界面の位置に移動する機構には、結晶成長容
器の上あるいは下に設置した治具を上下させてIII族窒
化物結晶を移動させる機構が用いられるので、ある程度
の大きさになった結晶が、その自重で融液中に沈むこと
を防止でき、気液界面で大きなIII族窒化物の板状結晶
を成長することができる。

【０１２８】また、請求項８記載の発明では、請求項６
記載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物
結晶を気液界面の位置に移動する機構には、気液界面に
III族窒化物結晶が成長する治具を浮かせる機構が用い
られるので、治具から結晶成長した結晶を常に気液界面
に保持することができる。また、結晶を上下するための
大掛かりな機構を必要としないので、装置の構造を簡単
なものにすることができる。

【０１２９】また、請求項９記載の発明では、請求項６
記載のIII族窒化物結晶成長装置において、III族窒化物
結晶を保持する機構には、種結晶を設置する手段が設け
られているので、III族窒化物の種結晶を核として優先
的にIII族窒化物結晶を成長させることができ、種結晶
が設置されていない治具を使用した場合に比べて、治具
に結晶を付着させて成長することが容易になり、III族
窒化物の大きな板状結晶を容易に作製することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のIII族窒化物結晶成
長装置の構成例を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施形態のIII族窒化物結晶成
長装置の構成例を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施形態のIII族窒化物結晶成
長装置の構成例を示す図である。

【図４】結晶保持治具の一例を示す図である。

【図５】結晶成長の一例を示す図である。

【図６】結晶成長の他の例を示す図である。

【図７】本発明の第４の実施形態のIII族窒化物結晶成
長装置の構成例を示す図である。

【図８】従来技術を説明するための図である。

【図９】従来技術を説明するための図である。

【符号の説明】

１０ 反応容器 １１ ガス供給管 １２ バルブ １３ 圧力制御装置 １４ 圧力計 １５ ヒーター １６ 移動治具 １７ 底板 １８ 結晶成長容器 １９ 結晶成長容器の蓋 ２０ センサー ２１，２２ 端子 ２３ 制御装置 ２４ 混合融液 ２６ 気液界面 ２７ 治具移動装置 ２８ 板状単結晶 ３０ 反応容器 ３１ ガス供給管 ３２ バルブ ３３ 圧力制御装置 ３４ 圧力計 ３５ ヒーター ３６ 結晶成長容器の内部空間 ３７ 成長容器 ３８ 結晶成長容器の蓋 ３９ 移動治具 ４０ 種結晶ホルダー ４１，４２ センサー端子 ４３ 種結晶 ４４ III族窒化物結晶 ４５ III族金属の混合融液 ４７ 制御装置 ４８ 融液面（気液界面） ５０ 反応容器 ５１ ガス供給管 ５２ バルブ ５３ 圧力制御装置 ５４ 圧力計 ５５ ヒーター ５６ 結晶成長容器 ５７ 結晶成長容器の蓋 ５８ 結晶保持治具 ５９ 種結晶 ６０ III族窒化物結晶 ６２ III族金属の混合融液 ６３ 気液界面 ７０ 反応容器 ７１ ガス供給管 ７２ バルブ ７３ 圧力制御装置 ７４ 圧力計 ７５ ヒーター ７６ 支持台 ７７ 結晶成長容器 ７８ 結晶成長容器の蓋 ７９ 結晶保持治具 ８０ 種結晶 ８１ 板状結晶 ８３ 混合融液

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルカリ金属とIII族金属原料を含む混
   合融液中でIII族金属原料と窒素原料を反応させてIII族
   窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶成長方法にお
   いて、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液と窒素
   原料ガスとの気液界面付近、あるいは、アルカリ金属と
   III族金属を含む混合融液と窒素原料が分解して生成し
   た窒素ガスとの気液界面付近に、III族窒化物結晶の成
   長中、III族窒化物結晶を継続して保持し、気液界面に
   概ね平行に板状のIII族窒化物結晶を成長することを特
   徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のIII族窒化物結晶成長方
   法において、III族窒化物の種結晶の所定の結晶面を気
   液界面に平行にして保持し、該種結晶から気液界面に平
   行な主面を有する板状のIII族窒化物結晶を結晶成長す
   ることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のIII族窒化物結晶成長方
   法において、気液界面に平行にする種結晶の所定の結晶
   面は、（１−１００）ｍ面あるいは（１１−２０）ａ面
   であり、該種結晶からｍ面あるいはａ面が気液界面に平
   行な板状のIII族窒化物結晶を成長することを特徴とす
   るIII族窒化物結晶成長方法。
4. 【請求項４】 アルカリ金属とIII族金属原料を含む混
   合融液中でIII族金属原料と窒素原料を反応させてIII族
   窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶成長装置にお
   いて、III族窒化物結晶の成長中に、III族窒化物結晶を
   気液界面に継続して保持する機構が設けられていること
   を特徴とするIII族窒化物結晶成長装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載のIII族窒化物結晶成長装
   置において、III族窒化物結晶を気液界面に継続して保
   持する機構には、III族窒化物結晶の成長中に、気液界
   面の位置を一定にする機構が用いられることを特徴とす
   るIII族窒化物結晶成長装置。
6. 【請求項６】 請求項４記載のIII族窒化物結晶成長装
   置において、III族窒化物結晶を気液界面に継続して保
   持する機構には、III族窒化物結晶の成長中に、III族窒
   化物結晶を気液界面の位置に移動する機構が用いられる
   ことを特徴とするIII族窒化物結晶成長装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載のIII族窒化物結晶成長装
   置において、III族窒化物結晶を気液界面の位置に移動
   する機構には、結晶成長容器の上あるいは下に設置した
   治具を上下させてIII族窒化物結晶を移動させる機構が
   用いられることを特徴とするIII族窒化物結晶成長装
   置。
8. 【請求項８】 請求項６記載のIII族窒化物結晶成長装
   置において、III族窒化物結晶を気液界面の位置に移動
   する機構には、気液界面にIII族窒化物結晶が成長する
   治具を浮かせる機構が用いられることを特徴とするIII
   族窒化物結晶成長装置。
9. 【請求項９】 請求項６記載のIII族窒化物結晶成長装
   置において、III族窒化物結晶を保持する機構には、種
   結晶を設置する手段が設けられていることを特徴とする
   III族窒化物結晶成長装置。