JP2003292400A - 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およびｉｉｉ族窒化物結晶および半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶成長条件と結晶形態、結晶成長の有無の
関係を明らかにし、実用的な結晶成長条件でのIII族窒
化物の結晶成長を可能とする。 【解決手段】 領域Ａは、ＧａＮ結晶が成長しない領域
である。また、領域Ｂは、種結晶のみにＧａＮ結晶が支
配的に結晶成長する領域である。また、領域Ｃは、柱状
のＧａＮ結晶が支配的に結晶成長する領域である。ま
た、領域Ｄは、板状のＧａＮ結晶が支配的に結晶成長す
る領域である。なお、ここでいう支配的とは、大部分が
その形態で結晶成長している状態をいう。

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およびIII族窒
化物結晶および半導体デバイスに関する。

【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、
その殆どがサファイア基板あるいはＳｉＣ基板上に、Ｍ
Ｏ−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】更に、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III族窒化
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
III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って
いるが、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】これら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 Applie
d Physics Vol.36(1997) Part 2, No.12A, L1568-157
1」（以下、第１の従来技術という）には、図７に示す
ようなレーザダイオード（ＬＤ）が示されている。図７
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Ｓ
ｉＯ_２マスク４を形成する。このＳｉＯ_２マスク４は、
別のＣＶＤ（化学気相堆積）装置にて、ＳｉＯ_２膜を堆
積した後に、フォトリソグラフィ，エッチング工程を経
て形成される。次に、このＳｉＯ_２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
方向成長を行わない場合に比較して結晶欠陥を低減させ
ている。更に、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、
選択横方向成長及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。更には、ＳｉＯ_２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, p.832-834(199
8)」（以下、第２の従来技術という）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の従来技術での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とで、結晶欠陥を低
減させることが可能になるとともに、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。なお、この第２の従来技術
と同様のものとして、特開平１１−４０４８号が提案さ
れており、図８には特開平１１−４０４８号の半導体レ
ーザが示されている。

【０００８】しかしながら、この第２の従来技術は、第
１の従来技術よりも更に工程が複雑になっており、より
一層のコスト高になる。また、この第２の従来技術の方
法で２００μｍ程度の厚さのＧａＮ厚膜を成長する場合
には、基板であるサファイアとの格子定数差及び熱膨張
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号には、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 Growth,
Vol.189/190, p.153-158(1998)」（以下、第３の従来
技術という）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。この第３の従来技術は、１４００〜１７００
℃の高温、及び数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及び第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 Mater
ials Vol.9 (1997) p.413-416」（以下、第４の従来技
術という）には、Ｎａをフラックスとして用いたＧａＮ
結晶成長方法が提案されている。この方法はアジ化ナト
リウム（ＮａＮ_３）と金属Ｇａ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１
００ｋｇ／ｃｍ^２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、この第４の従来
技術の問題点としては、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の従来技術と同様に小
さすぎる。

【００１３】また、特開２０００−３２７４９５号（以
下、第５の従来技術という）には、上述の第４の従来技
術と基板を用いたエピタキシャル法を組み合わせた技術
が提案されている。この第５の従来技術では、予め基板
表面にＧａＮあるいはＡｌＮを成長させたものを基板と
して用い、この上に第４の従来技術を用いてＧａＮ膜を
エピタキシャル成長させる。しかし、この第５の従来技
術は基本的にエピタキシャル成長であり、第１や第２の
従来技術と同様に結晶欠陥の問題解決には至らない。更
に、予めＧａＮ膜あるいはＡｌＮ膜を基板上に成長させ
るため、工程が複雑となり高コストにつながる。

【００１４】また、最近、特開２０００−１２９００号
及び特開２０００−２２２１２号（以下、第６の従来技
術という）には、ＧａＡｓ基板を用いてＧａＮ厚膜基板
を作製する方法が提案されている。図９，図１０には、
この第６の従来技術によるＧａＮ厚膜基板の作製方法が
示されている。先ず、図９を参照すると、（１１１）Ｇ
ａＡｓ基板６０上に第１の従来技術と同様にＳｉＯ_２膜
やＳｉＮ膜をマスク６１として、ＧａＮ膜６３を７０μ
ｍ〜１ｍｍの厚さに選択成長する（図９（１）〜
（３））。この結晶成長はＨ−ＶＰＥにより行う。その
後、王水によりＧａＡｓ基板６０をエッチング，除去
し、ＧａＮ自立基板６３を作製する（図９（４））。こ
のＧａＮ自立基板６３を元に、更に再度Ｈ−ＶＰＥによ
り、数１０ｍｍの厚さのＧａＮ結晶６４を気相成長させ
る（図１０（１））。この数１０ｍｍの厚さのＧａＮ結
晶６４をスライサーによりウェハ状に切り出し、ＧａＮ
ウェハを作製する（図１０（２），（３））。

【００１５】この第６の従来技術では、ＧａＮ自立基板
６３が得られ、更に数１０ｍｍの厚さのＧａＮ結晶６４
を得ることができる。しかしながら、第６の従来技術に
は次のような問題点がある。すなわち、ＳｉＮ膜やＳｉ
Ｏ_２膜を選択成長用マスクとして用いるため、その作製
工程が複雑になり、コスト高につながる。また、Ｈ−Ｖ
ＰＥにより数１０ｍｍの厚さのＧａＮ結晶を成長させる
際に、反応容器内にも同様の厚さのＧａＮ結晶（単結晶
や多結晶）やアモルファス状のＧａＮが付着し、このた
め、量産性に問題がある。また、ＧａＡｓ基板が犠牲基
板として一回の成長毎にエッチング，除去されるため、
コスト高につながる。また、結晶品質に関しても、基本
的にはＧａＡｓという異種基板上の結晶成長からくる、
格子不整、熱膨張係数の違いによる、欠陥密度が高いと
いう問題も残る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、第１あるい
は第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、また、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も無く、かつ、第３，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
ために実用的な大きさで、かつ、低コスト，高品質のII
I族窒化物結晶を成長させることの可能なIII族窒化物結
晶成長方法およびIII族窒化物結晶および半導体デバイ
スを提供することを目的としている。

【００１７】さらに、本発明は、第５あるいは第６の従
来技術の問題点である結晶品質を低下させることなく、
且つ工程を複雑化させることなく、低コストで高品質の
III族窒化物結晶を成長させることの可能なIII族窒化物
結晶成長方法およびIII族窒化物結晶および半導体デバ
イスを提供することを目的としている。

【００１８】また、本願の発明者は、従来技術（特に第
４の従来技術）の問題点を改善するために、これまで、
特開２００１−０５８９００、特開２００１−０６４０
９７、特開２００１−６４０９８、特開２００１−１０
２３１６、特開２００１−１１９１０３の技術を提案し
ている。

【００１９】例えば、特開２００１−０５８９００で
は、III族原料とＶ族原料を外部より反応容器内に供給
することを提案している。また、特開２００１−０６４
０９７では、Ｖ族原料を安定に供給することを提案して
いる。また、特開２００１−６４０９８では、種結晶を
用いて成長する方法を提案している。また、特開２００
１−１０２３１６では、III族金属とアルカリ金属の混
合融液からのIII族窒化物結晶の成長について提案して
いる。また、特開２００１−１１９１０３では、立方晶
のIII族窒化物結晶の成長方法を提案している。

【００２０】しかし、これまで、アルカリ金属を用いて
III族窒化物結晶を成長する方法で、結晶成長条件と結
晶形態、結晶成長の有無の関係が明らかでなかった。

【００２１】本発明は、さらに、結晶成長条件と結晶形
態、結晶成長の有無の関係を明らかにし、実用的な結晶
成長条件でのIII族窒化物の結晶成長を可能とする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お
よびIII族窒化物結晶および半導体デバイスを提供する
ことを目的としている。

【００２２】

【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、アルカリ金
属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形
成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、
III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成
長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、圧力と温
度とで規定される領域に対応する結晶成長条件で、III
族窒化物の結晶を成長させることを特徴としている。

【００２３】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、結晶成長条件
として、圧力と温度とで規定される領域を複数個設ける
とき、複数の領域のそれぞれに応じて互いに異なる結晶
形態のIII族窒化物の結晶が成長可能であることを特徴
としている。

【００２４】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、複数の領域の
うちの１つの領域は、III族窒化物の結晶成長形態とし
て、種結晶に結晶成長するものであることを特徴として
いる。

【００２５】また、請求項４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、Ｐを反応容器
内の実効的な窒素圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温
度（Ｋ）、ａ，ｂを係数とするとき、成長するIII族窒
化物の結晶形態は、ｌｏｇＰ＝ａ／Ｔ＋ｂで表される境
界により規定される領域に応じて決定されることを特徴
としている。

【００２６】また、請求項５記載の発明は、請求項４記
載のIII族窒化物結晶成長方法において、ｌｏｇ Ｐ＝
ａ／Ｔ＋ｂで表される境界は、アルカリ金属のIII族金
属との比によって制御可能であることを特徴としてい
る。

【００２７】また、請求項６記載の発明は、請求項１乃
至請求項５のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶成
長方法において、種結晶を用いて結晶成長可能な結晶成
長条件領域で、III族窒化物の結晶を種結晶を用いて結
晶成長させることを特徴としている。

【００２８】また、請求項７記載の発明は、請求項１乃
至請求項５のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶成
長方法において、柱状結晶を用いて結晶成長可能な結晶
成長条件領域で、III族窒化物の結晶を柱状結晶を用い
て結晶成長させることを特徴としている。

【００２９】また、請求項８記載の発明は、請求項１乃
至請求項５のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶成
長方法において、板状結晶を用いて結晶成長可能な結晶
成長条件領域で、III族窒化物の結晶を板状結晶を用い
て結晶成長させることを特徴としている。

【００３０】また、請求項９記載の発明は、請求項１乃
至請求項８のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶成
長方法において、III族窒化物結晶が成長せずに分解す
る条件領域、種結晶成長する成長条件領域、柱状結晶が
成長する成長条件領域、板状結晶が成長する成長条件領
域の内、複数の条件領域を利用して、III族窒化物結晶
を成長させることを特徴としている。

【００３１】また、請求項１０記載の発明は、請求項９
記載のIII族窒化物結晶成長方法において、III族窒化物
結晶が成長せずに分解する条件領域と柱状結晶または板
状結晶が成長する成長条件領域とを利用して、III族窒
化物結晶を成長させることを特徴としている。

【００３２】また、請求項１１記載の発明は、請求項１
乃至請求項５のいずれか一項に記載のIII族窒化物結晶
成長方法において、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎ
ａ）を用い、少なくともIII族金属を含む物質としてガ
リウム（Ｇａ）を用い、少なくとも窒素を含む物質とし
て窒素ガス（Ｎ_２）を用いて、III族窒化物として窒化
ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させるときに、窒化ガリ
ウム（ＧａＮ）の結晶成長条件を窒素ガス圧力とガリウ
ムとナトリウムの混合融液の温度とで規定することを特
徴としている。

【００３３】また、請求項１２記載の発明は、請求項１
１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、Ｐを窒素
ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ
１，ｂ１，ａ２，ｂ２を、ａ１＝−５．４０Ｅ−３，ｂ
１＝４．８３，ａ２＝−５．５９Ｅ−３，ｂ２＝５．４
７の係数とするとき、ａ_１／Ｔ＋ｂ_１≦ｌｏｇ Ｐ≦ａ
_２／Ｔ＋ｂ_２で表される結晶成長条件領域で、種結晶を
用いて窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させることを
特徴としている。

【００３４】また、請求項１３記載の発明は、請求項１
１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、Ｐを窒素
ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ
２，ｂ２，ａ３，ｂ３を、ａ２＝−５．５９Ｅ−３，ｂ
２＝５．４７，ａ３＝−５．６７Ｅ−３，ｂ３＝５．８
３の係数とするとき、ａ_２／Ｔ＋ｂ_２≦ｌｏｇ Ｐ≦ａ
_３／Ｔ＋ｂ_３で表される結晶成長条件領域で、柱状の窒
化ガリウム（ＧａＮ）結晶を成長させることを特徴とし
ている。

【００３５】また、請求項１４記載の発明は、請求項１
１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、Ｐを窒素
ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ
３，ｂ３を、ａ３＝−５．６７Ｅ−３，ｂ３＝５．８３
の係数とするとき、ａ_３／Ｔ＋ｂ_３≦ｌｏｇ Ｐで表さ
れる結晶成長条件領域で、板状の窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）結晶を成長させることを特徴としている。

【００３６】また、請求項１５記載の発明は、種結晶成
長する成長条件領域、柱状結晶が成長する成長条件領
域、板状結晶が成長する成長条件領域の内の１つの成長
条件領域を選択してIII族窒化物結晶を成長させるため
の圧力制御機構及び温度制御機構を有していることを特
徴としている。

【００３７】また、請求項１６記載の発明は、III族窒
化物結晶が成長せずに分解する条件領域、種結晶成長す
る成長条件領域、柱状結晶が成長する成長条件領域、板
状結晶が成長する成長条件領域の内、複数の条件領域を
利用してIII族窒化物結晶を成長させるための圧力制御
機構及び温度制御機構を有していることを特徴としてい
る。

【００３８】また、請求項１７記載の発明は、請求項１
乃至請求項１４のいずれか一項に記載のIII族窒化物結
晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶であることを
特徴としている。

【００３９】また、請求項１８記載の発明は、請求項１
７記載のIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイスであ
ることを特徴としている。

【００４０】また、請求項１９記載の発明は、請求項１
８記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイス
は、光デバイスであることを特徴としている。

【００４１】また、請求項２０記載の発明は、請求項１
８記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイス
は、電子デバイスであることを特徴としている。

【００４２】

【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。

【００４３】第１の実施形態 本発明の第１の実施形態は、反応容器内で、アルカリ金
属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形
成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、
III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成
長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、圧力と温
度とで規定される領域に対応する結晶成長条件で、III
族窒化物の結晶を成長させることを特徴としている。

【００４４】ここで、III族金属とは、Ｇａ，Ａｌ，Ｉ
ｎ等であり、また、アルカリ金属には、Ｋ，Ｎａ等が使
用可能である。また、窒素を含む物質とは、窒素ガス
や、アジ化ナトリウム，アンモニアなどの窒素を構成元
素に含む化合物である。

【００４５】また、結晶成長条件を規定する圧力とは、
反応容器内の空間部分の圧力である。同様に、結晶成長
条件を規定する温度とは、結晶成長が起こる融液内，融
液表面の温度である。

【００４６】本発明において、III族窒化物の結晶成長
方法は次のようになされる。すなわち、反応容器内に
は、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質
と、少なくとも窒素を含む物質とがあり、この反応容器
を結晶成長可能な温度に上げること、及び、反応容器内
の実効窒素分圧をIII族窒化物結晶が結晶成長する条件
に設定することにより、III族窒化物の結晶成長が開始
し、III族窒化物を継続的に結晶成長させることができ
る。

【００４７】このように、本発明の第１の実施形態のII
I族窒化物結晶成長方法では、反応容器内で、アルカリ
金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を
形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とか
ら、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結
晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、圧力
と温度とで規定される領域に対応する結晶成長条件で、
III族窒化物の結晶を成長させるので、III族窒化物結晶
（具体的には、例えばIII族窒化物の薄膜結晶成長用の
基板となるIII族窒化物結晶）を容易に得ることができ
る。すなわち、第１あるいは第２の従来技術で述べたよ
うな複雑な工程を必要とせずに、低コストで、高品質の
III族窒化物結晶及びそれを用いた半導体デバイスを得
ることが可能となる。

【００４８】また、１０００℃以下と成長温度が低く、
１００気圧程度以下と圧力も低い条件下でIII族窒化物
の結晶成長が可能となることから、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。その結果、低コストで、III族窒化物結晶
及びそれを用いた半導体デバイスを得ることが可能とな
る。

【００４９】さらに、圧力と温度とで規定される領域に
対応する結晶成長条件で、III族窒化物の結晶を成長さ
せるので、結晶成長の制御性を格段に向上させることが
可能となり、所望の結晶形態を容易に得ることができ
る。

【００５０】換言すれば、圧力と温度とで規定される領
域に対応する結晶成長条件で、III族窒化物の結晶を成
長させるので、混合融液を用いた良質なIII族窒化物結
晶を成長する場合の条件制御性を向上させることができ
る。すなわち、圧力と温度を制御することで、良質なII
I族窒化物結晶を成長することが可能となる。

【００５１】第２の実施形態 本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態のIII族窒
化物結晶成長方法において、結晶成長条件として、圧力
と温度とで規定される領域を複数個設けるとき、複数の
領域のそれぞれに応じて互いに異なる結晶形態のIII族
窒化物の結晶が成長可能であることを特徴としている。

【００５２】このように、第２の実施形態では、結晶成
長条件として、圧力と温度とで規定される領域を複数個
設けるとき、複数の領域のそれぞれに応じて互いに異な
る結晶形態のIII族窒化物の結晶を成長可能であるの
で、結晶成長の制御性を格段に向上させることが可能と
なり、所望の結晶形態を容易に得ることができる。

【００５３】第３の実施形態 本発明の第３の実施形態は、第２の実施形態のIII族窒
化物結晶成長方法において、複数の領域のうちの１つの
領域は、III族窒化物の結晶成長形態として、種結晶に
結晶成長するものであることを特徴としている。

【００５４】このように、第３の実施形態では、複数の
領域のうちの１つの領域は、III族窒化物の結晶成長形
態として、種結晶に結晶成長するものであるので、他の
領域への核発生及び結晶成長が殆ど発生せず、これによ
り、無駄な原料の消費を抑え、大型のIII族窒化物単結
晶を作製することが可能となる。また、種結晶のある所
定位置に大型の単結晶を成長させることができる。更
に、種結晶の結晶方位を制御することで、成長する結晶
の結晶方位も制御することが可能となり、基板として用
いる際に意図した結晶方位を使用することが容易とな
る。

【００５５】第４の実施形態 本発明の第４の実施形態は、上述した第２の実施形態の
III族窒化物結晶成長方法において、成長するIII族窒化
物の結晶形態が、次式（数１）で表される境界により規
定される領域に応じて決定されることを特徴としてい
る。

【００５６】

【数１】ｌｏｇ Ｐ＝ａ／Ｔ＋ｂ

【００５７】ここで、Ｐは反応容器内の実効的な窒素圧
力（Ｐａ）、Ｔは混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ，ｂは
係数である。

【００５８】このように、第４の実施形態は、Ｐを反応
容器内圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度（Ｋ）、
ａ，ｂを係数とするとき、成長するIII族窒化物の結晶
形態が、ｌｏｇ Ｐ＝ａ／Ｔ＋ｂで表される境界により
規定されるので、上記数式を元にして成長条件を決定
し、良質なIII族窒化物結晶を成長することが可能とな
る。より詳しくは、上記数式を元にして、圧力と温度を
決定することで、所望の結晶形態のIII族窒化物結晶を
成長させることが可能となる。

【００５９】第５の実施形態 本発明の第５の実施形態は、第４の実施形態のIII族窒
化物結晶成長方法において、ｌｏｇ Ｐ＝ａ／Ｔ＋ｂで
表される境界は、アルカリ金属のIII族金属との比によ
って制御可能であることを特徴としている。

【００６０】このように、第５の実施形態では、第４の
実施形態のIII族窒化物結晶成長方法において、ｌｏｇ
Ｐ＝ａ／Ｔ＋ｂで表される境界は、アルカリ金属（例
えば、Ｎａ）のIII族金属（例えば、Ｇａ）との比によ
って制御可能であるので、領域を容易に制御することが
できる。

【００６１】第６の実施形態 本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの
実施形態のIII族窒化物結晶成長方法において、種結晶
を用いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族窒
化物の結晶を種結晶を用いて結晶成長させることを特徴
としている。

【００６２】このように、第６の実施形態では、種結晶
を用いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族窒
化物の結晶を種結晶を用いて結晶成長させることで、大
型のIII族窒化物単結晶を作製することが可能となる。
すなわち、上記の結晶成長条件領域では、種結晶を元に
した結晶成長が支配的であり、他の領域への核発生及び
結晶成長が殆ど発生しないことから、無駄な原料の消費
を抑え、大型のIII族窒化物単結晶を作製することが可
能となる。また、種結晶のある所定位置に大型の単結晶
を成長させることができる。更に、種結晶の結晶方位を
制御することで、成長する結晶の結晶方位も制御するこ
とが可能となり、基板として用いる際に意図した結晶方
位を使用することが容易となる。

【００６３】第７の実施形態 本発明の第７の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの
実施形態のIII族窒化物結晶成長方法において、柱状結
晶を用いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族
窒化物の結晶を柱状結晶を用いて結晶成長させることを
特徴としている。

【００６４】このように、第７の実施形態では、柱状結
晶を用いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族
窒化物の結晶を柱状結晶を用いて結晶成長させるので、
良質な柱状結晶を成長させることが可能となる。すなわ
ち、上記の結晶成長条件領域では、柱状結晶が支配的に
結晶成長することから、面方位が明確となっている。従
って、この柱状結晶を元にIII族窒化物基板を作製する
場合に、面方位の決定，スライスが容易となる利点があ
る。

【００６５】第８の実施形態 本発明の第８の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの
実施形態のIII族窒化物結晶成長方法において、板状結
晶を用いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族
窒化物の結晶を板状結晶を用いて結晶成長させることを
特徴としている。

【００６６】このように、第８の実施形態では、板状結
晶を用いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族
窒化物の結晶を板状結晶を用いて結晶成長させるので、
良質な板状結晶を成長することが可能となる。すなわ
ち、上記の結晶成長条件領域では、板状結晶が支配的に
結晶成長することから、III族窒化物基板として用い易
い。この板状結晶をそのままIII族窒化物基板として用
いることも可能である。あるいは、表面の凹凸がある場
合でも、表面研磨するのみでIII族窒化物基板として使
用することができる。また、面方位が明確となっている
ことからも、基板としての使用を容易にすることができ
る。更に、この結晶成長条件領域での結晶成長では、板
状結晶の面方向結晶成長速度が早いことから、効率的に
III族窒化物結晶を成長することができ、低コストにつ
ながる。

【００６７】第９の実施形態 本発明の第９の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの
実施形態のIII族窒化物結晶成長方法において、III族窒
化物結晶が成長せずに分解する条件領域、種結晶成長す
る成長条件領域、柱状結晶が成長する成長条件領域、板
状結晶が成長する成長条件領域の内、複数の条件領域を
利用して、III族窒化物結晶を成長させることを特徴と
している。

【００６８】第９の実施形態は、III族窒化物結晶が成
長せずに分解する条件領域、種結晶成長する成長条件領
域、柱状結晶が成長する成長条件領域、板状結晶が成長
する成長条件領域の内、複数の条件領域を利用して、II
I族窒化物結晶を成長させることで、複数の形態を有す
る結晶成長が可能となる。従って、同一の結晶成長にお
いて異なる形態のIII族窒化物結晶を得ることができ
る。

【００６９】第１０の実施形態 本発明の第１０の実施形態は、第９の実施形態のIII族
窒化物結晶成長方法において、III族窒化物結晶が成長
せずに分解する条件領域と柱状結晶または板状結晶が成
長する成長条件領域とを利用して、III族窒化物結晶を
成長させることを特徴としている。

【００７０】第１０の実施形態は、III族窒化物結晶が
成長せずに分解する条件領域と柱状結晶または板状結晶
が成長する成長条件領域とを利用して、III族窒化物結
晶を成長させることで、III族窒化物結晶に対して分解
と成長の両方を行うことができ、これにより、次のよう
な効果を得ることができる。すなわち、柱状結晶や板状
結晶が成長する条件領域では、多数の結晶核が発生す
る。多数の結晶核発生と分解の両条件を推移させること
で、小さな結晶が分解され、より大きな結晶が成長し易
くなる。従って、第１０の実施形態によれば、大型の結
晶を成長させることができる。

【００７１】第１１の実施形態 本発明の第１１の実施形態は、第１乃至第５のいずれか
の実施形態のIII族窒化物結晶成長方法において、アル
カリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、少なくとも
III族金属を含む物質としてガリウム（Ｇａ）を用い、
少なくとも窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ_２）を用
いて、III族窒化物として窒化ガリウム（ＧａＮ）を結
晶成長させるときに、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶成
長条件を窒素ガス圧力とガリウムとナトリウムの混合融
液の温度とで規定することを特徴としている。

【００７２】このように、第１１の実施形態は、アルカ
リ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、少なくともII
I族金属を含む物質としてガリウム（Ｇａ）を用い、少
なくとも窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ_２）を用い
て、III族窒化物として窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶
成長させるときに、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶成長
条件を窒素ガス圧力とガリウムとナトリウムの混合融液
の温度とで規定するので、良質なＧａＮ結晶を制御性良
く成長させることが可能となる。すなわち、窒素ガスを
用いることから圧力の制御が容易となる。更に、Ｎａと
Ｇａを用いることから、ＮａとＧａが均一に混ざり合
い、温度を均一に制御することが可能となる。従って、
窒素ガス圧力と混合融液の温度を制御することで、所望
の結晶形態も制御して、所望の結晶形態のＧａＮ結晶を
容易に成長させることが可能となる。

【００７３】第１２の実施形態 本発明の第１２の実施形態は、第１１の実施形態のIII
族窒化物結晶成長方法において、次式で表される結晶成
長条件領域で、種結晶を用いて窒化ガリウム（ＧａＮ）
を結晶成長させることを特徴としている。

【００７４】

【数２】ａ_１／Ｔ＋ｂ_１≦ｌｏｇ Ｐ≦ａ_２／Ｔ＋ｂ_２

【００７５】ここで、Ｐは窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔは
混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ１，ｂ１， ａ２， ｂ
２は係数で、ａ１＝−５．４０Ｅ−３， ｂ１＝４．８
３， ａ２＝−５．５９Ｅ−３， ｂ２＝５．４７であ
る。

【００７６】このように、第１２の実施形態は、Ｐを窒
素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度（Ｋ）、
ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２を、ａ１＝−５．４０Ｅ−３，
ｂ１＝４．８３，ａ２＝−５．５９Ｅ−３，ｂ２＝５．
４７の係数とするとき、ａ_１／Ｔ＋ｂ_１≦ｌｏｇ Ｐ≦
ａ_２／Ｔ＋ｂ_２で表される結晶成長条件領域で、種結晶
を用いて窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させるよう
にしており、種結晶を元にしてＧａＮ結晶を成長させる
ことが、圧力と温度を制御することで可能となる。すな
わち、上記の結晶成長条件領域では、種結晶を元にした
結晶成長が支配的であり、他の領域への核発生及び結晶
成長が殆ど発生しないことから、無駄な原料の消費を抑
え、大型のIII族窒化物単結晶を作製することが可能と
なる。また、種結晶のある所定位置に大型の単結晶を成
長させることができる。更に、種結晶の結晶方位を制御
することで、成長する結晶の結晶方位も制御することが
可能となり、基板として用いる際に意図した結晶方位を
使用することが容易となる。

【００７７】第１３の実施形態 本発明の第１３の実施形態は、第１１の実施形態のIII
族窒化物結晶成長方法において、次式で表される結晶成
長条件領域で、柱状の窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶を成
長させることを特徴としている。

【００７８】

【数３】ａ_２／Ｔ＋ｂ_２≦ｌｏｇ Ｐ≦ａ_３／Ｔ＋ｂ_３

【００７９】ここで、Ｐは窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔは
混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ２，ｂ２， ａ３， ｂ
３は係数で、ａ２＝−５．５９Ｅ−３， ｂ２＝５．４
７， ａ３＝−５．６７Ｅ−３， ｂ３＝５．８３であ
る。

【００８０】このように、第１３の実施形態は、Ｐを窒
素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度（Ｋ）、
ａ２，ｂ２，ａ３，ｂ３を、ａ２＝−５．５９Ｅ−３，
ｂ２＝５．４７，ａ３＝−５．６７Ｅ−３，ｂ３＝５．
８３の係数とするとき、ａ_２／Ｔ＋ｂ_２≦ｌｏｇ Ｐ≦
ａ_３／Ｔ＋ｂ_３で表される結晶成長条件領域で、柱状の
窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶を成長させるようにしてお
り、これにより、良質な柱状結晶を成長させることが可
能となる。すなわち、上記の結晶成長条件領域では、柱
状結晶が支配的に結晶成長することから、面方位が明確
となっている。従って、この柱状結晶を元にIII族窒化
物基板を作製する場合に、面方位の決定，スライスが容
易となる利点がある。また、この結晶成長条件領域で
は、種結晶がなくとも、自発核発生により柱状結晶が成
長することから、前述の第１２の実施形態で用いる種結
晶として、この第１３の実施形態の結晶成長条件領域で
結晶成長した柱状結晶を使用することができる。

【００８１】第１４の実施形態 本発明の第１４の実施形態は、第１１の実施形態のIII
族窒化物結晶成長方法において、次式で表される結晶成
長条件領域で、板状の窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶を成
長させることを特徴としている。

【００８２】

【数４】ａ_３／Ｔ＋ｂ_３≦ｌｏｇ Ｐ

【００８３】ここで、Ｐは窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔは
混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ３，ｂ３は係数で、ａ３
＝−５．６７Ｅ−３， ｂ３＝５．８３である。

【００８４】このように、第１４の実施形態は、Ｐを窒
素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度（Ｋ）、
ａ３，ｂ３を、ａ３＝−５．６７Ｅ−３，ｂ３＝５．８
３の係数とするとき、ａ_３／Ｔ＋ｂ_３≦ｌｏｇ Ｐで表
される結晶成長条件領域で、板状の窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）結晶を成長させるようにしており、これにより、良
質な板状結晶を成長することが可能となる。すなわち、
上記の結晶成長条件領域では、板状結晶が支配的に結晶
成長することから、III族窒化物基板として用い易い。
この板状結晶をそのままIII族窒化物基板として用いる
ことも可能である。あるいは、表面の凹凸がある場合で
も、表面研磨するのみでIII族窒化物基板として使用す
ることができる。また、面方位が明確となっていること
からも、基板としての使用を容易にすることができる。
更に、この結晶成長条件領域での結晶成長では、板状結
晶の面方向結晶成長速度が早いことから、効率的にIII
族窒化物結晶を成長することができ、低コストにつなが
る。また、この結晶成長条件領域では、種結晶がなくと
も、自発核発生により板状結晶が成長することから、前
述の第１２の実施形態で用いる種結晶として、この第１
４の実施形態の結晶成長条件領域で結晶成長した板状結
晶を使用することができる。

【００８５】第１５の実施形態 本発明の第１５の実施形態は、種結晶成長する成長条件
領域、柱状結晶が成長する成長条件領域、板状結晶が成
長する成長条件領域の内の１つの成長条件領域を選択し
てIII族窒化物結晶を成長させるための圧力制御機構及
び温度制御機構を有しているIII族窒化物結晶成長装置
である。

【００８６】第１５の実施形態のIII族窒化物結晶成長
装置は、種結晶成長する成長条件領域、柱状結晶が成長
する成長条件領域、板状結晶が成長する成長条件領域の
内の１つの成長条件領域を選択してIII族窒化物結晶を
成長させるための圧力制御機構及び温度制御機構を有し
ているので、III族窒化物結晶を種結晶成長する成長条
件、柱状結晶成長条件、板状結晶成長条件の所望の成長
条件に圧力，温度を制御することができる。従って、１
台の結晶成長装置で、所望の成長条件でIII族窒化物結
晶を成長させることが可能となる。

【００８７】第１６の実施形態 本発明の第１６の実施形態は、III族窒化物結晶が成長
せずに分解する条件領域、種結晶成長する成長条件領
域、柱状結晶が成長する成長条件領域、板状結晶が成長
する成長条件領域の内、複数の条件領域を利用してIII
族窒化物結晶を成長させるための圧力制御機構及び温度
制御機構を有しているIII族窒化物結晶成長装置であ
る。

【００８８】第１６の実施形態のIII族窒化物結晶成長
装置は、III族窒化物結晶が成長せずに分解する条件領
域、種結晶成長する成長条件領域、柱状結晶が成長する
成長条件領域、板状結晶が成長する成長条件領域の内、
複数の条件領域を利用して成長させるための圧力制御機
構及び温度制御機構を有することで、III族窒化物結晶
を分解条件、柱状結晶成長条件、板状結晶成長条件の任
意の条件に制御することができる。従って、任意の形態
のIII族窒化物や大型のIII族窒化物結晶を成長させるこ
とが可能となる。

【００８９】第１７の実施形態 本発明の第１７の実施形態は、第１乃至第１４のいずれ
かの実施形態のIII族窒化物結晶成長方法で作製されたI
II族窒化物結晶である。

【００９０】このIII族窒化物結晶は、第１乃至第１４
のいずれかの実施形態のIII族窒化物結晶成長方法で作
製されたものであるので、高品質のものとなっている。

【００９１】第１８の実施形態 本発明の第１８の実施形態は、第１７の実施形態のIII
族窒化物結晶を用いた半導体デバイスである。

【００９２】このように、第１８の実施形態は、第１７
の実施形態のIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイス
であるので、高品質の半導体デバイスを提供できる。

【００９３】なお、ここで、半導体デバイスは、光デバ
イスであっても良いし、電子デバイスであっても良い。

【００９４】次に、上述した各実施形態をより詳細に説
明する。なお、以下では、説明の便宜上、III族窒化物
結晶がＧａＮ結晶であるとして説明する。

【００９５】図１は本発明のIII族窒化物結晶成長方法
で用いられる結晶成長装置の一例を示す図である。

【００９６】図１を参照すると、反応容器１０１内に
は、アルカリ金属(以下の例では、Ｎａ)と少なくともII
I族金属(以下の例では、Ｇａ)を含む物質との混合融液
１０３を保持する混合融液保持容器１０２が設置されて
いる。

【００９７】なお、アルカリ金属(Ｎａ)は、外部から供
給されても良いし、あるいは、最初から反応容器１０１
内に存在していても良い。

【００９８】また、混合融液保持容器１０２の上には蓋
１０９があり、混合融液保持容器１０２と蓋１０９との
間には、気体が出入できる程度の僅かな隙間がある。

【００９９】また、反応容器１０１は、例えばステンレ
スで形成されている。また、混合融液保持容器１０２
は、例えば、ＢＮ（窒化ホウ素）、あるいは、ＡｌＮ、
あるいは、パイロリティックＢＮで形成されている。

【０１００】また、反応容器１０１には、III族窒化物
（ＧａＮ）を結晶成長可能な温度に反応容器１０１内を
制御するための加熱装置１０６が設けられている。すな
わち、加熱装置１０６による温度制御機能によって、反
応容器１０１内を結晶成長可能な温度に上げること、及
び、結晶成長が停止する温度に下げること、及び、それ
らの温度に任意の時間保持することが可能となってい
る。

【０１０１】また、図１のIII族窒化物結晶成長装置に
は、反応容器１０１内に少なくとも窒素を含む物質（例
えば、窒素ガス，アンモニアガスまたはアジ化ナトリウ
ム）を供給するための供給管１０４が設けられている。
なお、ここで言う窒素とは、窒素分子あるいは窒素を含
む化合物から生成された窒素分子や原子状窒素、および
窒素を含む原子団および分子団のことであり、本発明に
おいて、窒素とは、このようなものであるとする。

【０１０２】また、少なくとも窒素を含む物質は、容器
１０７に収納されている。ここで、少なくとも窒素を含
む物質として窒素ガスを用いるときには、容器１０７に
は窒素ガスが収納されている。

【０１０３】また、少なくとも窒素を含む物質として窒
素ガスを用いるときには、供給管１０４には、窒素ガス
の圧力を調整するために圧力調整機構（例えば、圧力調
整弁）１０５が設けられている。また、図１の装置に
は、反応容器１０１内の窒素ガスの圧力を検知する圧力
センサー１１１と、混合融液保持容器１０２の温度を検
知する温度センサー１１２とが設置され、反応容器１０
１内の圧力が所定の圧力となるように、圧力センサー１
１１は圧力調整機構１０５にフィードバックをかけるよ
うに構成されている。また、温度センサー１１２は、加
熱装置１０６にフィードバックをかけるように構成され
ている。

【０１０４】本発明の具体例では、少なくとも窒素を含
む物質として、窒素ガスを用い、窒素ガスを、反応容器
１０１外に設置されている容器１０７から供給管１０４
を通して反応容器１０１内の空間１０８に供給すること
ができる。この際、窒素ガスは、図１に示されているよ
うに、反応容器１０１の下側から供給されるようにして
いる。この窒素ガスの圧力は、圧力調整機構１０５によ
って調整することができる。

【０１０５】図１の装置を用いてIII族窒化物（Ｇａ
Ｎ）の結晶を成長させる場合、反応容器１０１内の温
度，圧力を所定の温度，所定の圧力に設定し、この状態
を一定時間保持することで、混合融液保持容器１０２内
にはIII族窒化物結晶としてＧａＮ結晶１１０が成長す
る。この場合、このときの温度，圧力の成長条件によ
り、ＧａＮ結晶１１０の結晶形態が異なってくる。

【０１０６】図２は結晶成長条件の温度と圧力の関係を
表した図である。なお、図２において、縦軸は反応容器
１０１内の窒素圧力であり、横軸は混合融液１０３の温
度（絶対温度）の逆数をとったものである。

【０１０７】図２において、領域Ａは、ＧａＮ結晶が成
長しない領域である。また、領域Ｂは、種結晶のみにＧ
ａＮ結晶が支配的に結晶成長する領域である。また、領
域Ｃは、柱状のＧａＮ結晶が支配的に結晶成長する領域
である。また、領域Ｄは、板状のＧａＮ結晶が支配的に
結晶成長する領域である。なお、ここでいう支配的と
は、大部分がその形態で結晶成長している状態をいう。

【０１０８】領域Ｃで支配的に成長する柱状の窒化ガリ
ウム（ＧａＮ）結晶とは、六方晶系のＧａＮ結晶におい
て、Ｃ軸＜０００１＞方向に結晶が伸びた形状のもので
ある。また、領域Ｄで支配的に成長する板状の窒化ガリ
ウム（ＧａＮ）結晶とは、六方晶系のＧａＮ結晶におい
て、Ｃ面すなわち（０００１）面方向に結晶が伸びた形
状のものである。

【０１０９】領域Ａは、ライン１より圧力が低く、温度
が高い（１／Ｔが小さい）領域である。また、領域Ｂ
は、ライン１とライン２で挟まれた領域である。また、
領域Ｃは、ライン２とライン３で挟まれた領域である。
また、領域Ｄは、ライン３よりも圧力が高く、温度が低
い（１／Ｔが大きい）領域である。

【０１１０】ここで、本願の発明者らは、ライン１とラ
イン２とライン３が、それぞれ、次のように表されるこ
とを実験的に見出した。

【０１１１】すなわち、ライン１は、次式（数５）によ
って表わされる。

【０１１２】

【数５】ｌｏｇ Ｐ＝ａ_１／Ｔ＋ｂ_１

【０１１３】ここで、Ｐは窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔは
混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ１，ｂ１は係数で、ａ１
＝−５．４０Ｅ−３， ｂ１＝４．８３である。

【０１１４】また、ライン２は、次式（数６）によって
表わされる。

【０１１５】

【数６】ｌｏｇ Ｐ＝ａ_２／Ｔ＋ｂ_２

【０１１６】ここで、Ｐは窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔは
混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ２，ｂ２は係数で、ａ２
＝−５．５９Ｅ−３， ｂ２＝５．４７である。

【０１１７】また、ライン３は、次式（数７）によって
表わされる。

【０１１８】

【数７】ｌｏｇ Ｐ＝ａ_３／Ｔ＋ｂ_３

【０１１９】ここで、Ｐは窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔは
混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ３，ｂ３は係数で、ａ３
＝−５．６７Ｅ−３， ｂ３＝５．８３である。

【０１２０】前述した数２は、窒素ガス圧力がライン１
とライン２との間の領域Ｂになければならないことを表
わし、また、数３は窒素ガス圧力がライン２とライン３
との間の領域Ｃになければならないことを表わし、ま
た、数４は窒素ガス圧力がライン３より上の領域Ｄにな
ければならないことを表わしている。

【０１２１】先ず、図２の領域Ｂの結晶成長条件を用い
てＧａＮ結晶を成長させる場合について説明する。この
領域Ｂでは、種結晶に支配的に結晶成長する。従って、
種結晶以外の領域には、結晶核の発生、及び結晶成長は
殆どしない。

【０１２２】具体的に、図１の結晶成長装置を用い、結
晶成長条件として、窒素ガス圧力を２ＭＰａ、融液温度
を８５０℃（１／Ｔ＝８．９Ｅ−４ Ｋ^−１）にしてＧ
ａＮ結晶成長させた場合、図３に示すような結晶成長と
なる。すなわち、図１の混合融液１０３中に種結晶とな
るＧａＮ結晶３０１を設置しておき、上記の結晶成長条
件（窒素ガス圧力；２ＭＰａ、融液温度；８５０℃）に
保持する。その後、種結晶３０１を元に、ＧａＮ結晶が
大きく成長し、成長後のＧａＮ結晶３０２となる。

【０１２３】ここで、種結晶３０１として六角柱状の結
晶を用いており、その種結晶３０１の周りに結晶が成長
し、ＧａＮ結晶が大きくなっている。図３において、六
角柱の上面及び底面が（０００１）面となっている。

【０１２４】図２の領域Ｂでは、種結晶に支配的に結晶
成長することから、種結晶以外の領域には新たな結晶成
長は起こり難く、原料の効率的な消費が可能となる。す
なわち、種結晶を元にして成長するＧａＮ結晶で殆どの
原料が消費されることとなり、最初に仕込んだ金属Ｇａ
が効率的に使用される。その結果、より大きなＧａＮ結
晶を成長させることが可能となる。

【０１２５】また、種結晶を元に結晶成長できることか
ら、結晶方位の制御も容易になる。特に、予め結晶方位
の明確となっているＧａＮ結晶を種結晶として用いるこ
とにより、結晶方位の精密制御が可能となる。その結
果、最終的にＧａＮ基板として結晶をスライスする際
に、面方位が明確にし易いという利点がある。

【０１２６】また、このようにして得られるＧａＮ結晶
は、欠陥密度の小さい良質な結晶となっている。

【０１２７】また、この例では、六角柱状の種結晶を用
いているが、後述のような板状結晶を種結晶として用い
ても良い。また、従来技術で述べたエピタキシャル膜上
に結晶成長させることも可能である。この場合、板状の
大きなＧａＮ結晶を実現することができる。

【０１２８】次に、図２の領域Ｃの結晶成長条件を用い
てＧａＮ結晶を成長させる場合について説明する。この
領域Ｃでは、柱状結晶が支配的に結晶成長する。

【０１２９】具体的に、図１の結晶成長装置を用い、結
晶成長条件として、窒素ガス圧力を３ＭＰａ、融液温度
を８００℃（１／Ｔ＝９．３２Ｅ−４ Ｋ^−１）にして
ＧａＮ結晶を成長させた場合、図４（ａ）または図４
（ｂ）に示すような柱状結晶４０１が成長する。すなわ
ち、図１の結晶成長装置において、上記の結晶成長条件
（窒素ガス圧力；３ＭＰａ、融液温度；８００℃）に保
持することで、混合融液１０３中に図４（ａ）または図
４（ｂ）の形態のＧａＮ結晶４０１が成長する。

【０１３０】ここで、図４（ａ）のように成長したＧａ
Ｎ結晶４０１は六角柱状のものであり、また、図４
（ｂ）のように成長したＧａＮ結晶４０１は六角柱の上
方に六角錘が重なったような形状のものである。図４
（ａ），図４（ｂ）のいずれのＧａＮ結晶４０１も上面
及び底面がＣ面（０００１）面となっており、Ｃ軸方向
に伸びた結晶形態である。

【０１３１】図２の領域Ｃでは、上述のように柱状結晶
が支配的に結晶成長することから、面方位が明確となっ
ている。従って、この柱状結晶を元にＧａＮ基板を作製
する場合に、面方位の決定，スライスが容易となる利点
がある。

【０１３２】また、この領域Ｃでは、種結晶がなくと
も、自発核発生により柱状結晶が成長することから、前
述の領域Ｂで用いる種結晶として、本領域Ｃで結晶成長
した柱状結晶を使用することができる。

【０１３３】次に、図２の領域Ｄの結晶成長条件を用い
てＧａＮ結晶を成長させる場合について説明する。この
領域Ｄでは、板状結晶が支配的に結晶成長する。

【０１３４】具体的に、図１の結晶成長装置を用い、結
晶成長条件として、窒素ガス圧力を５ＭＰａ、融液温度
を７５０℃（１／Ｔ＝９．７７Ｅ−４ Ｋ^−１）にして
ＧａＮ結晶を成長させた場合、図５に示すような板状結
晶５０１が成長する。すなわち、図１の結晶成長装置に
おいて、上記の結晶成長条件（窒素ガス圧力；５ＭＰ
ａ、融液温度；７５０℃）に保持することで、混合融液
１０３中、及び、融液表面に、図５の形態のＧａＮ結晶
５０１が成長する。

【０１３５】なお、図２の領域Ｄの結晶成長条件を用い
て成長させたＧａＮ結晶５０１としては、図５に示すよ
うな六角板状のもの以外にも、多角形状の六方晶の板状
結晶も得られる。いずれもＣ面（０００１）面方向に伸
びた結晶形態である。

【０１３６】この領域Ｄでは、板状結晶が支配的に結晶
成長することから、ＧａＮ基板として用い易い。この板
状結晶をそのままＧａＮ基板として用いることも可能で
ある。あるいは、表面の凹凸がある場合でも、表面研磨
するのみで、ＧａＮ基板として使用することができる。
また、面方位が明確となっていることからも、基板とし
ての使用を容易にすることができる。

【０１３７】更に、この領域Ｄでの結晶成長では、板状
結晶の面方向結晶成長速度が早いことから、効率的にＧ
ａＮ結晶を成長することができ、低コストにつながる。

【０１３８】また、この領域Ｄでは、種結晶がなくと
も、自発核発生により板状結晶が成長することから、前
述の領域Ｂで用いる種結晶として、本領域Ｄで結晶成長
した板状結晶を使用することができる。

【０１３９】このように、本発明のIII族窒化物結晶成
長方法を用いて、III族窒化物結晶を作製することがで
きる。このように作製されたIII族窒化物結晶は、結晶
欠陥の少ない高品質な結晶となっている。

【０１４０】また、図１１は本発明の結晶成長装置の他
の例を示す図である。図１１の結晶成長装置は、図１の
結晶成長装置において、圧力センサー１１１と圧力調整
弁１０５との間に、圧力制御機構１３０が設けられ、ま
た、温度センサー１１２と加熱装置１０６との間に温度
制御機構１３１が設けられている。

【０１４１】図１１の結晶成長装置では、圧力調整弁１
０５を圧力制御機構１３０を介して制御し、また、加熱
装置１０６を温度制御機構１３１を介して制御すること
で、III族窒化物結晶の成長条件の設定や変更などを自
動的に行うことが可能となる。この結果、１台の結晶成
長装置で、所望の形態のIII族窒化物結晶を成長させる
ことが可能となる。あるいは、III族窒化物結晶を分解
条件、柱状結晶成長条件、板状結晶成長条件の任意の条
件に制御することが可能となる。従って、任意の形態の
III族窒化物や大型の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、意図した結晶形態を任意の時
間成長，分解することが可能となり、低コストで大型の
III族窒化物結晶を成長させることができる。

【０１４２】図１２あるいは図１３は図１１の結晶成長
装置の具体例を示す図である。図１２，図１３の例で
は、図１１の圧力制御機構１３０，温度制御機構１３１
の機能を有するパーソナルコンピュータ１４０が設けら
れている。すなわち、圧力センサー１１１，温度センサ
ー１１２からの検知情報はパーソナルコンピュータ１４
０に入力され、パーソナルコンピュータ１４０によっ
て、圧力センサー１１１，温度センサー１１２からの検
知情報に基づいて、容器１０１内の圧力，温度が所定の
圧力，温度となるように圧力調整弁１０５，加熱装置１
０６を制御するように構成されている。

【０１４３】ここで、図１２の例では、パーソナルコン
ピュータ１４０には、操作部として、板状結晶選択部１
４１と、柱状結晶選択部１４２とが設けられており、ま
た、記憶部１４３には、板状結晶を成長させるための成
長条件（圧力，温度データ）と、柱状結晶を成長させる
ための成長条件（圧力，温度データ）とが記憶されてい
る。

【０１４４】図１２の例では、オペレータが板状結晶選
択部１４１を選択操作すると、コンピュータ１４０は、
記憶部１４３から板状結晶を成長させるための成長条件
（圧力，温度データ）を読み出し、容器１０１内の圧
力，温度を、この圧力，温度に自動制御する。これによ
り、板状結晶を確実に成長させることができる。

【０１４５】また、オペレータが柱状結晶選択部１４２
を選択操作すると、コンピュータ１４０は、記憶部１４
３から柱状結晶を成長させるための成長条件（圧力，温
度データ）を読み出し、容器１０１内の圧力，温度を、
この圧力，温度に自動制御する。これにより、柱状結晶
を確実に成長させることができる。

【０１４６】また、図１３の例では、パーソナルコンピ
ュータ１４０には、操作部として、種々の成長方法を選
択可能な選択部１４４−１〜１４４−ｎが設けられてい
る。また、記憶部１４３には、種々の成長方法を実現す
るためのデータが記憶されている。例えば、記憶部１４
３には、選択部１４４−１に対応させて、領域ＣでＧａ
Ｎ結晶を成長させた後、領域Ｄの成長条件に変更する成
長方法を実現するためのデータが記憶され、また、選択
部１４４−２に対応させて、領域Ｃあるいは領域ＤでＧ
ａＮ結晶を成長させた後、分解領域である領域Ａに条件
を変更し、しかる後、更に領域Ｃあるいは領域Ｄに条件
を変更する成長方法を実現するためのデータが記憶され
ている。

【０１４７】この場合、例えば選択部１４４−１が選択
されると、これに対応したデータが記憶部１４３から読
み出され、領域ＣでＧａＮ結晶を成長させた後、領域Ｄ
の成長条件に変更する成長方法が実行されるようになっ
ている。また、例えば選択部１４４−２が選択される
と、これに対応したデータが記憶部１４３から読み出さ
れ、領域Ｃあるいは領域ＤでＧａＮ結晶を成長させた
後、分解領域である領域Ａに条件を変更し、その後、更
に領域Ｃあるいは領域Ｄに条件を変更する成長方法が実
行されるようになっている。

【０１４８】このような構成では、オペレータが選択部
１４４−１を選択すると、領域ＣでＧａＮ結晶を成長さ
せた後、領域Ｄの成長条件に変更する成長方法が実行さ
れ、柱状結晶と板状結晶の両方の結晶形態のＧａＮ結晶
を成長させることができる。

【０１４９】また、オペレータが選択部１４４−２を選
択すると、領域Ｃあるいは領域ＤでＧａＮ結晶を成長さ
せた後、分解領域である領域Ａに条件が変更し、領域Ｃ
あるいは領域Ｄで成長した柱状あるいは板状のＧａＮ結
晶の内、小さい結晶が分解する。その後、更に領域Ｃあ
るいは領域Ｄに条件が変更し、再度ＧａＮ結晶成長が開
始し、この結果、大きな結晶を成長させることができ
る。

【０１５０】図６は本発明のIII族窒化物結晶を用いて
作製された半導体デバイスの構成例を示す図である。な
お、図６の半導体デバイスは、半導体レーザとして構成
されている。図６の半導体レーザは、本発明のIII族窒
化物結晶成長方法により作製されたIII族窒化物結晶を
用いたｎ型ＧａＮ基板６０１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層６０２、ｎ型ＧａＮガイド層６０３、ＩｎＧａＮ
ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層６０４、ｐ型ＧａＮガ
イド層６０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６０６、ｐ型
ＧａＮコンタクト層６０７が順次に結晶成長されて積層
されている。

【０１５１】この結晶成長方法としては、ＭＯ−ＶＰＥ
（有機金属気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシ
ー）法等の薄膜結晶成長方法を用いることができる。

【０１５２】そして、このようなＧａＮ，ＡｌＧａＮ，
ＩｎＧａＮの積層膜にリッジ構造が形成され、ＳｉＯ_２
絶縁膜６０８がコンタクト層６０７のところでのみ穴開
けした状態で形成され、上部及び下部に、各々、ｐ側オ
ーミック電極（Ａｕ／Ｎｉ）６０９及びｎ側オーミック
電極（Ａｌ／Ｔｉ）６１０が形成されている。

【０１５３】この半導体レーザでは、ｐ側オーミック電
極６０９及びｎ側オーミック電極６１０から電流を注入
することで、レーザ発振し、図６の矢印方向にレーザ光
が出射される。

【０１５４】この半導体レーザは、本発明のIII族窒化
物結晶（ＧａＮ結晶）を基板として用いているため、半
導体レーザデバイス中の結晶欠陥が少なく、大出力動作
且つ長寿命のものとなっている。また、ＧａＮ基板はｎ
型であることから、基板に直接電極を形成することがで
き、第１の従来技術（図７）のようにｐ側とｎ側の２つ
の電極を表面からのみ取り出すことが必要なく、低コス
ト化を図ることが可能となる。更に、光出射端面を劈開
で形成することが可能となり、チップの分離と併せて、
低コストで高品質なデバイスを実現することができる。

【０１５５】なお、上述の例では、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ
を活性層６０４としたが、ＡｌＧａＮ ＭＱＷを活性層
６０４として、発光波長の短波長化を図ることも可能で
ある。すなわち、本発明では、ＧａＮ基板の欠陥及び不
純物が少ないことで、深い順位からの発光が少なくな
り、短波長化しても高効率な発光デバイスが可能とな
る。

【０１５６】また、上述の例では、本発明を光デバイス
に適用した場合について述べたが、本発明を電子デバイ
スに適用することもできる。すなわち、欠陥の少ないＧ
ａＮ基板を用いることで、その上にエピタキシャル成長
したＧａＮ系薄膜も結晶欠陥が少なく、その結果、リー
ク電流を抑制できたり、量子構造にした場合のキャリア
閉じ込め効果を高めたり、高性能なデバイスが実現可能
となる。

【０１５７】すなわち、本発明のIII族窒化物結晶は、
前述したように、結晶欠陥の少ない高品質な結晶であ
る。このIII族窒化物結晶を用いて、デバイスを作製あ
るいは基板として用いて、薄膜成長からデバイス作製を
行うことで、高性能なデバイスが実現できる。ここで言
う高性能とは、例えば半導体レーザや発光ダイオードの
場合には、従来実現できていない高出力且つ長寿命なも
のであり、電子デバイスの場合には低消費電力、低雑
音、高速動作、高温動作可能なものであり、受光デバイ
スとしては低雑音、長寿命等のものである。

【０１５８】なお、上述の例では、反応容器１０１内に
少なくとも窒素を含む物質（例えば、窒素ガス，アンモ
ニアガスまたはアジ化ナトリウム）を供給するとした
が、反応容器１０１内に少なくとも窒素を含む物質（例
えば、窒素ガス，アンモニアガスまたはアジ化ナトリウ
ム）と不活性気体（例えば、アルゴンガス）との混合気
体を供給するようにしても良い。

【０１５９】なお、ここでいう不活性気体とは、反応容
器１０１内で、アルカリ金属、少なくともIII族金属を
含む物質、及び少なくとも窒素を含む物質と反応しない
気体である。

【０１６０】このように、反応容器１０１内に少なくと
も窒素を含む物質（例えば、窒素ガス，アンモニアガス
またはアジ化ナトリウム）と不活性気体（例えば、アル
ゴンガス）との混合気体を供給する場合でも、III族窒
化物結晶成長のための圧力は、混合ガス全体の圧力では
なく、反応容器内の実効的な窒素ガス圧力によって決定
される。

【０１６１】

【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、アルカリ
金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を
形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とか
ら、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結
晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、圧力
と温度とで規定される領域に対応する結晶成長条件で、
III族窒化物の結晶を成長させるので、III族窒化物結晶
（具体的には、例えばIII族窒化物の薄膜結晶成長用の
基板となるIII族窒化物結晶）を容易に得ることができ
る。すなわち、第１あるいは第２の従来技術で述べたよ
うな複雑な工程を必要とせずに、低コストで、高品質の
III族窒化物結晶及びそれを用いた半導体デバイスを得
ることが可能となる。

【０１６２】また、１０００℃以下と成長温度が低く、
１００気圧程度以下と圧力も低い条件下でIII族窒化物
の結晶成長が可能となることから、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。その結果、低コストで、III族窒化物結晶
及びそれを用いた半導体デバイスを得ることが可能とな
る。

【０１６３】さらに、結晶成長の制御性を格段に向上さ
せることが可能となり、所望の結晶形態を容易に得るこ
とができる。

【０１６４】換言すれば、請求項１乃至請求項１２記載
の発明においては、反応容器内で、アルカリ金属と少な
くともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該
混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金
属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させ
るIII族窒化物結晶成長方法であって、圧力と温度とで
規定される領域に対応する結晶成長条件で、III族窒化
物の結晶を成長させるので、混合融液を用いた良質なII
I族窒化物結晶を成長する場合の条件制御性を向上させ
ることができる。すなわち、圧力と温度を制御すること
で、良質なIII族窒化物結晶を成長することが可能とな
る。

【０１６５】特に、請求項２記載の発明によれば、請求
項１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、結晶成
長条件として、圧力と温度とで規定される領域を複数個
設けるとき、複数の領域のそれぞれに応じて互いに異な
る結晶形態のIII族窒化物の結晶を成長可能であるの
で、結晶成長の制御性を格段に向上させることが可能と
なり、所望の結晶形態を容易に得ることができる。

【０１６６】また、請求項３記載の発明によれば、請求
項２記載のIII族窒化物結晶成長方法において、複数の
領域のうちの１つの領域は、III族窒化物の結晶成長形
態として、種結晶に結晶成長するものであるので、他の
領域への核発生及び結晶成長が殆ど発生せず、無駄な原
料の消費を抑え、大型のIII族窒化物単結晶を作製する
ことが可能となる。また、種結晶のある所定位置に大型
の単結晶を成長させることができる。更に、種結晶の結
晶方位を制御することで、成長する結晶の結晶方位も制
御することが可能となり、基板として用いる際に意図し
た結晶方位を使用することが容易となる。

【０１６７】また、請求項４，請求項５記載の発明によ
れば、請求項２記載のIII族窒化物結晶成長方法におい
て、Ｐを反応容器内の実効的な窒素圧力（Ｐａ）、Ｔを
混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ，ｂを係数とするとき、
成長するIII族窒化物の結晶形態は、ｌｏｇ Ｐ＝ａ／
Ｔ＋ｂで表される境界により規定される領域に応じて決
定されるので、上記数式を元にして成長条件を決定し、
良質なIII族窒化物結晶を成長することが可能となる。
より詳しくは、上記数式を元にして、圧力と温度を決定
することで、所望の結晶形態のIII族窒化物結晶を成長
させることが可能となる。

【０１６８】また、請求項６記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のIII族窒化物
結晶成長方法において、種結晶を用いて結晶成長可能な
結晶成長条件領域で、III族窒化物の結晶を種結晶を用
いて結晶成長させるので（すなわち、上記の結晶成長条
件領域では、種結晶を元にした結晶成長が支配的であ
り、他の領域への核発生及び結晶成長が殆ど発生しない
ことから）、無駄な原料の消費を抑え、大型のIII族窒
化物単結晶を作製することが可能となる。また、種結晶
のある所定位置に大型の単結晶を成長させることができ
る。更に、種結晶の結晶方位を制御することで、成長す
る結晶の結晶方位も制御することが可能となり、基板と
して用いる際に意図した結晶方位を使用することが容易
となる。

【０１６９】また、請求項７記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のIII族窒化物
結晶成長方法において、柱状結晶を用いて結晶成長可能
な結晶成長条件領域で、III族窒化物の結晶を柱状結晶
を用いて結晶成長させるので、良質な柱状結晶を成長さ
せることが可能となる。すなわち、上記の結晶成長条件
領域では、柱状結晶が支配的に結晶成長することから、
面方位が明確となっている。従って、この柱状結晶を元
にIII族窒化物基板を作製する場合に、面方位の決定，
スライスが容易となる利点がある。

【０１７０】また、請求項８記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のIII族窒化物
結晶成長方法において、板状結晶を用いて結晶成長可能
な結晶成長条件領域で、III族窒化物の結晶を板状結晶
を用いて結晶成長させるので、良質な板状結晶を成長す
ることが可能となる。すなわち、上記の結晶成長条件領
域では、板状結晶が支配的に結晶成長することから、II
I族窒化物基板として用い易い。この板状結晶をそのま
まIII族窒化物基板として用いることも可能である。あ
るいは、表面の凹凸がある場合でも、表面研磨するのみ
でIII族窒化物基板として使用することができる。ま
た、面方位が明確となっていることからも、基板として
の使用を容易にすることができる。更に、この結晶成長
条件領域での結晶成長では、板状結晶の面方向結晶成長
速度が早いことから、効率的にIII族窒化物結晶を成長
することができ、低コストにつながる。

【０１７１】また、請求項９記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のIII族窒化物
結晶成長方法において、III族窒化物結晶が成長せず分
解する条件領域、種結晶成長する成長条件領域、柱状結
晶が成長する成長条件領域、板状結晶が成長する成長条
件領域の内、複数の条件領域を利用して、III族窒化物
結晶を成長させることで、複数の形態を有する結晶成長
が可能となる。従って、同一の結晶成長において異なる
形態のIII族窒化物結晶を得ることができる。

【０１７２】また、請求項１０記載の発明によれば、請
求項９記載のIII族窒化物結晶成長方法において、III族
窒化物結晶が成長せずに分解する条件領域と柱状結晶ま
たは板状結晶が成長する成長条件領域とを利用して、II
I族窒化物結晶を成長させることで、III族窒化物結晶に
対して分解と成長の両方を行うことができ、これによ
り、次のような効果を得ることができる。すなわち、柱
状結晶や板状結晶が成長する条件領域では、多数の結晶
核が発生する。多数の結晶核発生と分解の両条件を推移
させることで、小さな結晶が分解され、より大きな結晶
が成長し易くなる。従って、請求項１０記載の発明によ
れば、大型の結晶を成長させることができる。

【０１７３】また、請求項１１記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のIII族窒化
物結晶成長方法において、アルカリ金属としてナトリウ
ム（Ｎａ）を用い、少なくともIII族金属を含む物質と
してガリウム（Ｇａ）を用い、少なくとも窒素を含む物
質として窒素ガス（Ｎ_２）を用いて、III族窒化物とし
て窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させるときに、窒
化ガリウム（ＧａＮ）の結晶成長条件を窒素ガス圧力と
ガリウムとナトリウムの混合融液の温度とで規定するの
で、良質なＧａＮ結晶を制御性良く成長させることが可
能となる。すなわち、窒素ガスを用いることから圧力の
制御が容易となる。更に、ＮａとＧａを用いることか
ら、ＮａとＧａが均一に混ざり合い、温度を均一に制御
することが可能となる。従って、窒素ガス圧力と混合融
液の温度を制御することで、所望の結晶形態も制御し
て、所望の結晶形態のIII族窒化物結晶を容易に成長さ
せることが可能となる。

【０１７４】また、請求項１２記載の発明によれば、請
求項１１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、Ｐ
を窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度
（Ｋ）、ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２を、ａ１＝−５．４０
Ｅ−３，ｂ１＝４．８３，ａ２＝−５．５９Ｅ−３，ｂ
２＝５．４７の係数とするとき、ａ_１／Ｔ＋ｂ_１≦ｌｏ
ｇＰ≦ａ_２／Ｔ＋ｂ_２で表される結晶成長条件領域で、
種結晶を用いて窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させ
ることにより、種結晶を元にしてＧａＮ結晶を成長させ
ることが、圧力と温度を制御することで可能となる。す
なわち、上記の結晶成長条件領域では、種結晶を元にし
た結晶成長が支配的であり、他の領域への核発生及び結
晶成長が殆ど発生しないことから、無駄な原料の消費を
抑え、大型のIII族窒化物単結晶を作製することが可能
となる。また、種結晶のある所定位置に大型の単結晶を
成長させることができる。更に、種結晶の結晶方位を制
御することで、成長する結晶の結晶方位も制御すること
が可能となり、基板として用いる際に意図した結晶方位
を使用することが容易となる。

【０１７５】また、請求項１３記載の発明によれば、請
求項１１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、Ｐ
を窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度
（Ｋ）、ａ２，ｂ２，ａ３，ｂ３を、ａ２＝−５．５９
Ｅ−３，ｂ２＝５．４７，ａ３＝−５．６７Ｅ−３，ｂ
３＝５．８３の係数とするとき、ａ_２／Ｔ＋ｂ_２≦ｌｏ
ｇＰ≦ａ_３／Ｔ＋ｂ_３で表される結晶成長条件領域で、
柱状の窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶を成長させることに
より、良質な柱状結晶を成長させることが可能となる。
すなわち、上記の結晶成長条件領域では、柱状結晶が支
配的に結晶成長することから、面方位が明確となってい
る。従って、この柱状結晶を元にIII族窒化物基板を作
製する場合に、面方位の決定，スライスが容易となる利
点がある。また、この結晶成長条件領域では、種結晶が
なくとも、自発核発生により柱状結晶が成長することか
ら、前述の請求項１２で用いる種結晶として、本結晶成
長条件領域で結晶成長した柱状結晶を使用することがで
きる。

【０１７６】また、請求項１４記載の発明によれば、請
求項１１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、Ｐ
を窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合融液の絶対温度
（Ｋ）、ａ３，ｂ３を、ａ３＝−５．６７Ｅ−３，ｂ３
＝５．８３の係数とするとき、ａ _３／Ｔ＋ｂ_３≦ｌｏｇ
Ｐで表される結晶成長条件領域で、板状の窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）結晶を成長させることにより、良質な板状
結晶を成長することが可能となる。すなわち、上記の結
晶成長条件領域では、板状結晶が支配的に結晶成長する
ことから、III族窒化物基板として用い易い。この板状
結晶をそのままIII族窒化物基板として用いることも可
能である。あるいは、表面の凹凸がある場合でも、表面
研磨するのみでIII族窒化物基板として使用することが
できる。また、面方位が明確となっていることからも、
基板としての使用を容易にすることができる。更に、こ
の結晶成長条件領域での結晶成長では、板状結晶の面方
向結晶成長速度が早いことから、効率的にIII族窒化物
結晶を成長することができ、低コストにつながる。ま
た、この結晶成長条件領域では、種結晶がなくとも、自
発核発生により板状結晶が成長することから、前述の請
求項１２で用いる種結晶として、本結晶成長条件領域で
結晶成長した板状結晶を使用することができる。

【０１７７】また、請求項１５記載の発明によれば、種
結晶成長する成長条件領域、柱状結晶が成長する成長条
件領域、板状結晶が成長する成長条件領域の内の１つの
成長条件領域を選択してIII族窒化物結晶を成長させる
ための圧力制御機構及び温度制御機構を有しているの
で、１台の結晶成長装置で、所望の成長条件でIII族窒
化物結晶を成長させることが可能となる。

【０１７８】また、請求項１６記載の発明によれば、II
I族窒化物結晶が成長せずに分解する条件領域、種結晶
成長する成長条件領域、柱状結晶が成長する成長条件領
域、板状結晶が成長する成長条件領域の内、複数の条件
領域を利用してIII族窒化物結晶を成長させるための圧
力制御機構及び温度制御機構を有しているので、III族
窒化物結晶を分解条件、柱状結晶成長条件、板状結晶成
長条件の任意の条件に制御することができる。従って、
任意の形態のIII族窒化物や大型のIII族窒化物結晶を成
長させることが可能となる。

【０１７９】また、請求項１７記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載のIII族窒
化物結晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶である
ので、高品質のIII族窒化物結晶を提供できる。

【０１８０】また、請求項１８乃至請求項２０記載の発
明によれば、請求項１７記載のIII族窒化物結晶を用い
た半導体デバイスであるので、高品質の半導体デバイス
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のIII族窒化物結晶成長方法で用いる結
晶成長装置の構成例を示す図である。

【図２】III族窒化物の結晶成長条件の温度と圧力の関
係を示す図である。

【図３】本発明により成長させたIII族窒化物結晶の一
例を示す図である。

【図４】本発明により成長させたIII族窒化物結晶の他
の例を示す図である。

【図５】本発明により成長させたIII族窒化物結晶の他
の例を示す図である。

【図６】本発明に係る半導体光デバイスの構成例を示す
図である。

【図７】従来のレーザダイオードを示す図である。

【図８】従来の半導体レーザを示す図である。

【図９】第６の従来技術によるＧａＮ厚膜基板の作製方
法を示す図である。

【図１０】第６の従来技術によるＧａＮ厚膜基板の作製
方法を示す図である。

【図１１】本発明の結晶成長装置の他の構成例を示す図
である。

【図１２】図１１の結晶成長装置の具体例を示す図であ
る。

【図１３】図１１の結晶成長装置の具体例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０１ 反応容器 １０２ 混合融液保持容器 １０３ 混合融液 １０４ ガス供給管 １０５ 窒素圧力調整弁 １０６ 加熱装置 １０７ 窒素ガス容器 １０８ 反応容器内の空間 １０９ 混合融液保持容器の蓋 １１０ III族窒化物（ＧａＮ）結晶 １１１ 圧力センサー １１２ 温度センサー １３０ 圧力制御機構 １３１ 温度制御機構 １４０ パーソナルコンピュータ １４１ 板状結晶選択部 １４２ 板状結晶選択部 １４３ 記憶部 １４４−１〜１４４−ｎ 選択部 ３０１ 種結晶 ３０２ 成長後のＧａＮ結晶 ４０１ 六角柱状のＧａＮ結晶 ５０１ 板状のＧａＮ結晶 ６０１ ｎ型ＧａＮ基板 ６０２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 ６０３ ｎ型ＧａＮガイド層 ６０４ ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層 ６０５ ｐ型ＧａＮガイド層 ６０６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 ６０７ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ６０８ ＳｉＯ_２絶縁膜 ６０９ ｐ側オーミック電極 ６１０ ｎ側オーミック電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山根 久典 宮城県仙台市宮城野区鶴ヶ谷１−12−４ (72)発明者 島田 昌彦 宮城県仙台市青葉区貝ヶ森３−29−５ (72)発明者 青木 真登 宮城県宮城郡利府町青山３−３−１ Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BE15 CC04 EA02 EA03 EA06 EG30 EH10 HA02 HA12 5F073 AA13 AA74 CA07 CB02 CB22 DA05 DA32 EA24 EA28

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応容器内で、アルカリ金属と少なくと
   もIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合
   融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と
   窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII
   族窒化物結晶成長方法であって、圧力と温度とで規定さ
   れる領域に対応する結晶成長条件で、III族窒化物の結
   晶を成長させ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、結晶成長条件として、圧力と温度とで規定
   される領域を複数個設けるとき、複数の領域のそれぞれ
   に応じて互いに異なる結晶形態のIII族窒化物の結晶が
   成長可能であ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、複数の領域のうちの１つの領域は、III族
   窒化物の結晶成長形態として、種結晶に結晶成長するも
   のであ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】 請求項２記載のIII族窒化物結晶成長方
   法において、Ｐを反応容器内の実効的な窒素圧力（Ｐ
   ａ）、Ｔを混合融液の絶対温度（Ｋ）、ａ，ｂを係数と
   するとき、成長するIII族窒化物の結晶形態は、ｌｏｇ
   Ｐ＝ａ／Ｔ＋ｂで表される境界により規定される領域
   に応じて決定されることを特徴とするIII族窒化物結晶
   成長方法。
5. 【請求項５】 請求項４記載のIII族窒化物結晶成長方
   法において、ｌｏｇＰ＝ａ／Ｔ＋ｂで表される境界は、
   アルカリ金属のIII族金属との比によって制御可能であ
   ることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に
   記載のIII族窒化物結晶成長方法において、種結晶を用
   いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族窒化物
   の結晶を種結晶を用いて結晶成長させることを特徴とす
   るIII族窒化物結晶成長方法。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に
   記載のIII族窒化物結晶成長方法において、柱状結晶を
   用いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族窒化
   物の結晶を柱状結晶を用いて結晶成長させることを特徴
   とするIII族窒化物結晶成長方法。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に
   記載のIII族窒化物結晶成長方法において、板状結晶を
   用いて結晶成長可能な結晶成長条件領域で、III族窒化
   物の結晶を板状結晶を用いて結晶成長させることを特徴
   とするIII族窒化物結晶成長方法。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に
   記載のIII族窒化物結晶成長方法において、III族窒化物
   結晶が成長せずに分解する条件領域、種結晶成長する成
   長条件領域、柱状結晶が成長する成長条件領域、板状結
   晶が成長する成長条件領域の内、複数の条件領域を利用
   して、III族窒化物結晶を成長させることを特徴とするI
   II族窒化物結晶成長方法。
10. 【請求項１０】 請求項９記載のIII族窒化物結晶成長
    方法において、III族窒化物結晶が成長せずに分解する
    条件領域と柱状結晶または板状結晶が成長する成長条件
    領域とを利用して、III族窒化物結晶を成長させること
    を特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至請求項５のいずれか一項
    に記載のIII族窒化物結晶成長方法において、アルカリ
    金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、少なくともIII
    族金属を含む物質としてガリウム（Ｇａ）を用い、少な
    くとも窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ_２）を用い
    て、III族窒化物として窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶
    成長させるときに、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶成長
    条件を窒素ガス圧力とガリウムとナトリウムの混合融液
    の温度とで規定することを特徴とするIII族窒化物結晶
    成長方法。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載のIII族窒化物結晶成
    長方法において、Ｐを窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合
    融液の絶対温度（Ｋ）、ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２を、ａ
    １＝−５．４０Ｅ−３，ｂ１＝４．８３，ａ２＝−５．
    ５９Ｅ−３，ｂ２＝５．４７の係数とするとき、ａ_１／
    Ｔ＋ｂ_１≦ｌｏｇ Ｐ≦ａ_２／Ｔ＋ｂ _２で表される結晶
    成長条件領域で、種結晶を用いて窒化ガリウム（Ｇａ
    Ｎ）を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結
    晶成長方法。
13. 【請求項１３】 請求項１１記載のIII族窒化物結晶成
    長方法において、Ｐを窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合
    融液の絶対温度（Ｋ）、ａ２，ｂ２，ａ３，ｂ３を、ａ
    ２＝−５．５９Ｅ−３，ｂ２＝５．４７，ａ３＝−５．
    ６７Ｅ−３，ｂ３＝５．８３の係数とするとき、ａ_２／
    Ｔ＋ｂ_２≦ｌｏｇ Ｐ≦ａ_３／Ｔ＋ｂ _３で表される結晶
    成長条件領域で、柱状の窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶を
    成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方
    法。
14. 【請求項１４】 請求項１１記載のIII族窒化物結晶成
    長方法において、Ｐを窒素ガス圧力（Ｐａ）、Ｔを混合
    融液の絶対温度（Ｋ）、ａ３，ｂ３を、ａ３＝−５．６
    ７Ｅ−３，ｂ３＝５．８３の係数とするとき、ａ_３／Ｔ
    ＋ｂ_３≦ｌｏｇ Ｐで表される結晶成長条件領域で、板
    状の窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶を成長させることを特
    徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
15. 【請求項１５】 種結晶成長する成長条件領域、柱状結
    晶が成長する成長条件領域、板状結晶が成長する成長条
    件領域の内の１つの成長条件領域を選択してIII族窒化
    物結晶を成長させるための圧力制御機構及び温度制御機
    構を有していることを特徴とするIII族窒化物結晶成長
    装置。
16. 【請求項１６】 III族窒化物結晶が成長せずに分解す
    る条件領域、種結晶成長する成長条件領域、柱状結晶が
    成長する成長条件領域、板状結晶が成長する成長条件領
    域の内、複数の条件領域を利用してIII族窒化物結晶を
    成長させるための圧力制御機構及び温度制御機構を有し
    ていることを特徴とするIII族窒化物結晶成長装置。
17. 【請求項１７】 請求項１乃至請求項１４のいずれか一
    項に記載のIII族窒化物結晶成長方法で作製されたこと
    を特徴とするIII族窒化物結晶。
18. 【請求項１８】 請求項１７記載のIII族窒化物結晶を
    用いたことを特徴とする半導体デバイス。
19. 【請求項１９】 請求項１８記載の半導体デバイスにお
    いて、該半導体デバイスは、光デバイスであることを特
    徴とする半導体デバイス。
20. 【請求項２０】 請求項１８記載の半導体デバイスにお
    いて、該半導体デバイスは、電子デバイスであることを
    特徴とする半導体デバイス。