JP2017061396A - 酸化ガリウム単結晶育成用ルツボおよび酸化ガリウム単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ルツボからの不純物の混入がなく、安価に酸化ガリウム単結晶を育成することを実現できる酸化ガリウム単結晶育成用ルツボおよび酸化ガリウム単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】酸化ガリウム単結晶の育成に用いられ、酸化ガリウム融液３０を保持するルツボ１００であって、酸化ガリウム鋳塊１０からなる本体部と、該本体部の周囲に付与した酸化ガリウム粉末の成型体と、を有するルツボ１００し、ルツボ１００を用いて酸化ガリウム融液３０を保持する工程と、酸化ガリウム融液３０にシード５０を接触させて、シード５０を引き上げて、シード５０の下端に酸化ガリウム単結晶を育成させる工程とを有する酸化ガリウム単結晶の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化ガリウム単結晶育成用ルツボおよび酸化ガリウム単結晶の製造方法に関する。

酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）単結晶を育成する方法としては、特許文献１に記載の方法が知られている。この方法では、イリジウム製のルツボに酸化ガリウムの融液を保持し、ＣＺ法（Czochralski method）、ＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed Growth method）等により、シードと呼ばれる種結晶を融液に接触後、引き上げることによって、該シードの下端に酸化ガリウム単結晶を育成する。ルツボの周囲には水冷された高周波コイルが配置され、このコイルによってイリジウムルツボを誘導加熱し、加熱されたルツボからの熱伝導によりルツボ内の酸化ガリウム原料を融解させて、融液とする。

特開２０１１−１５３０５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、高価なイリジウムルツボを用いるため、育成した酸化ガリウム単結晶の価格も高くせざるを得ない。また、酸化ガリウム融液中にルツボから不純物が混入し、育成する酸化ガリウム単結晶が重金属で汚染され易いという問題もある。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、ルツボからの不純物の混入がなく、安価に酸化ガリウム単結晶を育成することを実現できる酸化ガリウム単結晶育成用ルツボと、該ルツボを用いた酸化ガリウム単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）酸化ガリウム単結晶の育成に用いられ、酸化ガリウム融液を保持するルツボであって、
酸化ガリウムから構成されることを特徴とするルツボ。

（２）酸化ガリウム鋳塊からなる、上記（１）に記載のルツボ。

（３）酸化ガリウム鋳塊からなる本体部と、該本体部の周囲に付与した酸化ガリウム粉末の成型体と、を有する上記（１）に記載のルツボ。

（４）酸化ガリウム粉末の成型体からなる、上記（４）に記載のルツボ。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のルツボを用いて酸化ガリウム融液を保持する工程と、
前記酸化ガリウム融液にシードを接触させて、該シードを引き上げて、該シードの下端に酸化ガリウム単結晶を育成させる工程と、
を有する酸化ガリウム単結晶の製造方法。

（６）前記育成工程をＣＺ法またはＥＦＧ法により行う、上記（５）に記載の酸化ガリウム単結晶の製造方法。

（７）前記酸化ガリウム融液が、前記ルツボの一部を融解させたものを含む、上記（５）または（６）に記載の酸化ガリウム単結晶の製造方法。

（８）前記ルツボの中央上部に、固体または液体の金属ガリウムを保持し、該金属ガリウムを誘導加熱し、加熱された前記金属ガリウムからの熱伝導により前記ルツボの一部が融解して前記酸化ガリウム融液となる、上記（７）に記載の酸化ガリウム単結晶の製造方法。

本発明の酸化ガリウム単結晶育成用ルツボは、ルツボからの不純物の混入がなく、安価に酸化ガリウム単結晶を育成することを実現できる。本発明の酸化ガリウム単結晶の製造方法は、ルツボからの不純物の混入がなく、安価に酸化ガリウム単結晶を育成できる。

本発明の一実施形態によるルツボ１００の模式断面図である。 本発明の他の実施形態によるルツボ２００の模式断面図である。 本発明の他の実施形態によるルツボ３００の模式断面図である。 本発明の一実施形態による酸化ガリウム単結晶の製造方法における、酸化ガリウム融液の形成手順を説明する図である。

（酸化ガリウム単結晶育成用ルツボ）
本発明のルツボは、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）単結晶の育成に用いられ、酸化ガリウム融液を保持するルツボであり、酸化ガリウムから構成されることを特徴とする。図１〜図３を参照して、その本発明のルツボの実施形態を説明する。

図１を参照して、本発明の一実施形態によるルツボ１００は、円柱状のルツボの全体が、酸化ガリウム鋳塊１０からなる。本明細書において「酸化ガリウム鋳塊」とは、酸化ガリウム原料を融解し、その後固化させてなる物体を意味する。酸化ガリウム原料の種類は特に限定されず、例えば酸化ガリウム粉末を挙げることができる。

図１に示すこのルツボ１００は、例えば以下のようにして作製できる。まず、円柱状のイリジウムルツボ（図示せず）に酸化ガリウム粉末を充填する。イリジウムルツボの周囲に水冷された高周波コイル（図示せず）を配置し、このコイルによって窒素１００％雰囲気中でイリジウムルツボを誘導加熱し、加熱されたイリジウムルツボからの熱伝導によりイリジウムルツボ内の酸化ガリウム粉末を全て融解させる。その後、高周波電源を切り、イリジウムルツボを冷却させると、融解した酸化ガリウムが固化する。その後、イリジウムルツボを切断、除去して、固化した円柱状の酸化ガリウム鋳塊１０を取り出して、ルツボ１００とする。

このようにして得られた酸化ガリウム鋳塊１０は、無色透明の多結晶であり、外部から応力負荷したとしても、割れずに十分に耐えうる強度を有する。

次に、図２を参照して、本発明の他の実施形態によるルツボ２００は、酸化ガリウム鋳塊１０からなる本体部と、該本体部の周囲に付与した酸化ガリウム粉末の成型体２０と、を有する。酸化ガリウム粉末の成型体２０は、本体部の側面と底面に付与され、酸化ガリウム鋳塊１０と酸化ガリウム粉末の成型体２０とによって、円柱状のルツボ２００を構成する。

図２に示すこのルツボ２００は、例えば以下のようにして作製できる。まず、本体部である酸化ガリウム鋳塊１０は、既述と同様にして作製できる。次に、取り出した円柱状の酸化ガリウム鋳塊１０を、伸縮するゴムラバーの中に入れ、さらに酸化ガリウム鋳塊１０を取り囲むように、酸化ガリウム粉末を詰める。この状態でゴムラバーの口を閉め、次に冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）して、酸化ガリウム粉末を押し固める。その結果、酸化ガリウム鋳塊１０の周囲に、押し固められた酸化ガリウム粉末の成型体２０が付与される。最後に、ルツボ２００の上面（融液を保持する凹部が形成される面）に付与された酸化ガリウム粉末の成型体の一部を削り落として、ルツボ２００とする。なお、上記冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）に替えて、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を行ってもよい。

次に、図３を参照して、本発明の他の実施形態によるルツボ３００は、円柱状のルツボの全体が、酸化ガリウム粉末の成型体２０からなる。

図３に示すこのルツボ３００は、例えば以下のようにして作製できる。ゴムラバーの中に酸化ガリウム粉末を充填し、円柱状に形を整えてからラバーの口を閉める。次に、冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）により酸化ガリウム粉末を押し固める。押し固められた酸化ガリウム粉末の成型体２０をラバーから取り出して、ルツボ３００とする。なお、上記冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）に替えて、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を行ってもよい。

このようにして得られた成型体２０は、白色の固化物であり、急激な熱付加の環境下においても、割れずに十分に耐えうる強度を有する。なお、酸化ガリウム粉末の成型体２０を焼結させて焼結体構造としてもよく、これにより成型体２０の強度をより向上させることができる。

本実施形態による酸化ガリウムから構成されるルツボ１００，２００，３００によれば、以下の作用効果を得ることができる。まず、本実施形態のルツボを用いれば、高価なイリジウムルツボを用いることなく酸化ガリウム単結晶を育成することができる。その結果、育成した酸化ガリウム単結晶の価格も低くすることができる。次に、本実施形態では、ルツボの成分と育成する単結晶の成分が同一であるため、酸化ガリウム融液中にルツボから不純物が混入することがない。そのため、育成した酸化ガリウム単結晶中の結晶欠陥を低密度にすることができる。

さらに、コールドクルーシブル法のように金属製のルツボを用いるものでもないため、酸化ガリウム融液中にメタルによる汚染が生じることもない。さらに、本実施形態のルツボは、作製も改鋳も容易である。すなわち、固化させた原料の継ぎ足しや、粉末原料の充填などでルツボを改鋳でき、このルツボの一部を、後述のように、次バッチの結晶育成用の融液とすることもできる。

（酸化ガリウム単結晶の製造方法）
本実施形態の酸化ガリウム単結晶の製造方法は、図１〜図３に示すように、ルツボ１００，２００，３００を用いて酸化ガリウム融液３０を保持する工程と、酸化ガリウム融液３０にシード５０を接触させて、該シード５０を引き上げて、該シード５０の下端に酸化ガリウム単結晶を育成させる工程と、を有する。シード５０は、酸化ガリウム単結晶からなる、いわゆる種結晶である。

育成工程は上記のようなものであれば特に限定されないが、例えばＣＺ法またはＥＦＧ法により行うことができる。

この際、酸化ガリウム融液は、ルツボ１００，２００，３００の一部を融解させたものを含むことが好ましい。図４を参照して、ルツボ１００を用いて酸化ガリウム融液を形成する方法の一例を説明する。

まず、図４（Ａ）に示すように、ルツボ１００の中央上部にダイヤモンドドリルなどで凹部を形成し、この凹部に金属ガリウムペレット６０を載置する。ルツボ１００の周囲には、水冷された高周波コイル４０が配置される。高周波電源を入れて、高周波コイルに電流を流すと、金属ガリウムペレット６０が誘導加熱される。この時、ルツボ１００を構成する、酸化ガリウム鋳塊１０は絶縁体であるため、誘導加熱されない。また、高周波コイル４０を構成する配管内には冷却水が流れており、水冷されたコイルにより酸化ガリウム鋳塊１０の外周部が十分に冷却されるため、酸化ガリウム鋳塊１０の外周部が溶融することはない。

金属ガリウムペレット６０は、融点が約３０℃であり、誘導加熱が始まるとすぐに液体となる。しかし、その後も誘導加熱により金属ガリウムは加熱され、図４（Ｂ）に示すように、加熱された金属ガリウムからの熱伝導によりルツボの一部、すなわち、酸化ガリウム鋳塊１０の金属ガリウム近傍部分から徐々に融解が進行して、酸化ガリウム融液３０となる。

ここで、酸化ガリウムは固体の状態では絶縁体であるが、液体の状態（融液）になると導電性を発現する。そのため、酸化ガリウム融液３０が一旦形成された後は、その酸化ガリウム融液に誘導電流が流れ、高周波加熱が開始される。その結果、融液の近傍にある酸化ガリウム鋳塊１０の融解が進行し、図４（Ｃ）に示すように、酸化ガリウム融液３０の大きな融液だまりが形成される。酸化ガリウム融液に付与される誘導加熱によるエネルギーと、酸化ガリウム鋳塊１０の外周からの冷却エネルギーとが平衡した段階で、融解がストップする。なお、初期に導入した金属ガリウムは完全に溶解し、その少なくとも一部は酸化ガリウムとなるため、その後の結晶育成を阻害することはない。このようにして酸化ガリウム融液を形成することで、その後、酸化ガリウムの結晶育成を行うことができる。

ルツボの中央上部の凹部に載置する金属ガリウムは、ペレットに限定されず、固体または液体の金属ガリウムが凹部に保持されればよい。例えば、金属ガリウム粉末や、金属ガリウムの液体であってもよい。

図１に示すルツボ１００および図２に示すルツボ２００は、このような酸化ガリウム融液を形成する方法に適している点で好適である。消費した固体の酸化ガリウムの体積とほぼ同じ体積の酸化ガリウム融液を得ることができるからである。一方、図３のルツボ３００の場合、酸化ガリウム粉末の成型体２０は酸化ガリウム鋳塊１０よりもかさ密度が大きいため、得られる融液の体積が、消費した固体の酸化ガリウムの体積よりも少ない。ただし、この場合でも、融液を別途追加しながら、結晶を育成することは可能である。図３のルツボ３００は、上記のように簡易な方法で作製できる点が好ましい。

また、図２のルツボ２００および図３のルツボ３００は、白色の成型体２０が酸化ガリウム融液３０から発光を遮断し、高周波コイル４０への輻射熱の伝達を遮ることができる点で好適である。また、ルツボ２００の場合、酸化ガリウム鋳塊１０よりも成型体２０の方が融解しにくいことから、成型体２０を融液の保持体として用いることができる点でも好適である。

ルツボの寸法や融液の寸法は、育成したい酸化ガリウム単結晶の寸法に応じて適宜設定すればよい。例えば、４インチ（直径１０１．６ｍｍ）の酸化ガリウム単結晶を育成する場合には、ルツボ直径は約２倍の２００ｍｍ程度とすることが好ましい。融液の寸法は、当該ルツボに形成できる限りでなるべく大きくすることが好ましいが、操業安全性の観点から、融液の直径はルツボ直径の８０％以下とすることが好ましい。

なお、水冷コイルのみでルツボ外周部を冷却する能力が不十分な場合には、本実施形態のルツボ１００，２００，３００の周囲に、水冷の金属ルツボを併用して配置してもよい。

以下の実施例１〜３において、それぞれ図１〜図３に示す酸化ガリウムから構成されるルツボを作製した。

（実施例１）
直径２インチ、高さ５０ｍｍの円柱状のイリジウムルツボに、純度４Ｎの酸化ガリウム粉末を充填した。窒素１００％雰囲気の中で高周波加熱によりイリジウムルツボを加熱し、酸化ガリウム粉末を完全に溶解させた。その後、高周波電源を切り、イリジウムルツボを冷却させた。次に、イリジウムルツボから、直径４７ｍｍ、高さ４５ｍｍの固化した酸化ガリウム鋳塊を取り出した。円柱形状に固化した酸化ガリウム鋳塊の上部中央に、ダイヤモンドドリルを使用し、直径１０ｍｍの凹みを形成した。

（実施例２）
実施例１の方法で、直径４７ｍｍ、高さ４５ｍｍの固化した酸化ガリウム鋳塊を作製した。次に、取り出した円柱状の酸化ガリウム鋳塊を、伸縮するゴムラバーの中に入れ、さらに酸化ガリウム鋳塊を取り囲むように、酸化ガリウム粉末を詰めた。この状態でゴムラバーの口を閉め、次に冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）して、酸化ガリウム粉末を押し固めた。その結果、酸化ガリウム体の周囲に、押し固められた酸化ガリウム粉末の成型体（厚さ１．５ｍｍ）が付与された。最後に、ルツボの上面（融液を保持する凹部が形成される面）に付与された酸化ガリウム粉末の成型体の一部を削り落とし、内部から露出した酸化ガリウム鋳塊の上部中央に、ダイヤモンドドリルを使用し、直径１０ｍｍの凹みを形成した。

（実施例３）
ゴムラバーの中に酸化ガリウム粉末を充填し、円柱状に形を整えてからラバーの口を閉めた。次に、冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）により酸化ガリウム粉末を押し固めた。押し固められた直径４７ｍｍ、高さ４５ｍｍの酸化ガリウム粉末の成型体をラバーから取り出して、成型体の上部中央に、ダイヤモンドドリルを使用し、直径１０ｍｍの凹みを形成した。

本発明の酸化ガリウム単結晶育成用ルツボは、ルツボからの不純物の混入がなく、安価に酸化ガリウム単結晶を育成することを実現できる。

１００，２００，３００ ルツボ
１０ 酸化ガリウム鋳塊
２０ 酸化ガリウム粉末の成型体
３０ 酸化ガリウム融液
４０ 高周波コイル
５０ シード
６０ 金属ガリウムペレット

Claims (8)

1. 酸化ガリウム単結晶の育成に用いられ、酸化ガリウム融液を保持するルツボであって、
   酸化ガリウムから構成されることを特徴とするルツボ。
2. 酸化ガリウム鋳塊からなる、請求項１に記載のルツボ。
3. 酸化ガリウム鋳塊からなる本体部と、該本体部の周囲に付与した酸化ガリウム粉末の成型体と、を有する請求項１に記載のルツボ。
4. 酸化ガリウム粉末の成型体からなる、請求項１に記載のルツボ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のルツボを用いて酸化ガリウム融液を保持する工程と、
   前記酸化ガリウム融液にシードを接触させて、該シードを引き上げて、該シードの下端に酸化ガリウム単結晶を育成させる工程と、
   を有する酸化ガリウム単結晶の製造方法。
6. 前記育成工程をＣＺ法またはＥＦＧ法により行う、請求項５に記載の酸化ガリウム単結晶の製造方法。
7. 前記酸化ガリウム融液が、前記ルツボの一部を融解させたものを含む、請求項５または６に記載の酸化ガリウム単結晶の製造方法。
8. 前記ルツボの中央上部に、固体または液体の金属ガリウムを保持し、該金属ガリウムを誘導加熱し、加熱された前記金属ガリウムからの熱伝導により前記ルツボの一部が融解して前記酸化ガリウム融液となる、請求項７に記載の酸化ガリウム単結晶の製造方法。