JP4508613B2 - Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4508613B2 JP4508613B2 JP2003392203A JP2003392203A JP4508613B2 JP 4508613 B2 JP4508613 B2 JP 4508613B2 JP 2003392203 A JP2003392203 A JP 2003392203A JP 2003392203 A JP2003392203 A JP 2003392203A JP 4508613 B2 JP4508613 B2 JP 4508613B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crystal
- reaction vessel
- group iii
- nitrogen
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
Description
本発明は、III族窒化物の結晶製造方法に関する。
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を基板として用いた場合の問題点としては、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とが挙げられる。サファイア基板上に結晶成長したIII族窒化物結晶では、転位密度は１０８〜１０１０ｃｍ−２程度と非常に大きい。これはデバイス特性に悪影響を及ぼす。例えば発光デバイスでは、寿命を長くすることが困難であったり、発光効率の低下や、動作電力が大きくなったりするという欠点につながっている。従って、高出力な発光素子は実用化が阻まれている。また、受光デバイスでは、暗電流が大きくなり、ノイズが増加するためＳ／Ｎ比が下がる。また、電子デバイスでは、結晶中の貫通転位は電極材料の異常拡散や高電界下において短絡を引き起こす原因となる。
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点がある。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。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。
これらの問題を解決するために、サファイア基板上でのIII族窒化物半導体膜の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。この手法では、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較して、結晶欠陥を低減させることが可能となっているが、サファイア基板を用いることに依る、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、工程が複雑化すること、及びサファイア基板とＧａＮ薄膜という異種材料の組み合わせに伴う基板の反りという問題が生じる。これらは高コスト化につながっている。
こうした問題を解決するためには、基板上に結晶成長する材料と同一であるＧａＮ基板が最も適切である。そのため、気相成長，融液成長等によりバルクＧａＮの結晶成長の研究がなされている。しかし、未だ高品質で且つ実用的な大きさを有するＧａＮ基板は実現されていない。
例えば非特許文献１（第１の従来技術）では、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を提案している。これは、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を結晶成長する手法である。
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、工程が複雑化することなく、ＧａＮ基板を実現できる。しかし、この場合の欠点としては、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。また、この方法で成長した結晶は、Ｃ面を主面とする板状結晶で、主面の差し渡しの大きさは１ｃｍ程度となるが、厚さは高々２０〜３０μｍと薄く、デバイス作製プロセス中に割れてしまうなどの問題がある。
ＧａＮ基板を実現する別の手法として、非特許文献２（第２の従来技術）では、Ｎａをフラックスとして用いたＧａＮ結晶製造方法が提案されている。この方法は、アジ化ナトリウム（ＮａＮ３）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２の従来技術の場合には、６００〜８００℃と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程度と比較的圧力が低く、実用的な成長条件であることが特徴である。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。
これまで、本願の発明者らは、例えば、特許文献１（従来技術３）、特許文献２（従来技術４）、特許文献３（従来技術５）、特許文献４（従来技術６）に示されている発明を案出している。
ここで、特許文献１（従来技術３）には、Ｖ族原料を安定に供給する発明が示されている。また、特許文献２（従来技術４）には、種結晶を用いて成長する方法が示されている。また、特許文献３（従来技術５）には、III族金属とアルカリ金属の化合物からIII族原料を供給してIII族窒化物結晶の成長を行うことが示されている。また、特許文献４（従来技術６）には、立方晶のIII族窒化物結晶の製造方法が示されている。
これらの結晶製造方法では、III族金属とアルカリ金属を含む混合融液に、窒素を含む物質を反応容器外部から供給し、III族窒化物結晶を成長させている。
以下、特許文献１（従来技術３）の発明を図面に基づいて説明する。図１７は特許文献１（従来技術３）の結晶製造装置の構成例を示す図である。図１７を参照すると、反応容器１０１内には、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Ｎａ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。
また、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（例えば、ＧａＮ結晶）１０３が設けられている。
また、窒素原料としては窒素ガスが用いられ、窒素ガスを反応容器１０１内に供給するため、反応容器１０１の外部には、第１のガス供給装置１２０が設けられている。ここで、第１のガス供給装置１２０は、気体の窒素原料を貯めておくための第１のシリンダー１１０と、第１のバルブ１１１とにより構成されている。これにより、窒素ガスは、窒素ガスが充填された第１のガス供給装置１２０の第１のシリンダー１１０から窒素供給管１０６を介して、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。
また、窒素圧力を調整するために、圧力調整機構が窒素供給管１０６の途中に設けられている。この窒素ガスの圧力調整機構は、圧力センサー１０７及び圧力調整弁１０８から構成されており、圧力センサー１０７で測定された圧力情報がケーブル１０９を介して圧力調整弁１０８に伝わり、圧力調整弁１０８で圧力調整がなされ、反応容器１０１内の窒素圧力が所望の値に設定されるようになっている。
窒素ガスが充填された第１のシリンダー１１０内の窒素ガス圧力は、III族窒化物（例えばＧａＮ）結晶が、結晶成長する際に生じる反応容器１０１内の圧力以上になるように、窒素ガスが充填されている。
従って、窒素原料としての窒素ガスは、第１のシリンダー１１０から供給され、圧力調整機構で窒素原料のガス圧力が調整されて、反応容器１０１内に供給される。
このような構成の結晶製造装置を使用して、結晶成長可能な成長温度、窒素圧力、Ｎａ量の条件下において、種結晶１０３を核としてIII族窒化物結晶（例えばＧａＮ結晶）が成長し、アルカリ金属（例えばＮａ）とIII族金属（例えば、Ｇａ（ガリウム））を含む融液１０２と外部から供給される窒素ガスとを原料として、時間経過と共にIII族窒化物結晶の大きさが大きくなっていく。
このように、特許文献１（従来技術３）の発明では、III族金属とアルカリ金属（例えばＮａ）が十分ある状態で、窒素原料である窒素ガスを外部から供給することで、継続的なIII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っている。
同様に、特許文献２（従来技術４）、特許文献３（従来技術５）、特許文献４（従来技術６）の発明においても、窒素原料は反応容器の外部から供給され、継続的なIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）の成長が行われる。
しかしながら、これらの発明（従来技術３、４、５、６）では、いずれも、多数の結晶で構成される結晶集合体が混合融液表面を覆う場合があった。このため、混合融液中のIII族金属が結晶集合体の形成のために消費されて原料が枯渇し所望の結晶が大きくならないといった事や、融液表面近傍の成長領域が結晶集合体に占められて融液表面で所望の結晶を成長することができなくなるという問題があった。また、従来技術３，従来技術４では、種結晶に新たに結晶核が多数形成されて多結晶体化してしまう事や、種結晶が結晶集合体に覆われてしまう事があった。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．１８９／１９０， １５３−１５８（１９９８） Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ．９ （１９９７） ４１３−４１６ 特開２００１−６４０９７号公報
特開２００１−６４０９８号公報
特開２００１−１０２３１６号公報
特開２００１−１１９１０３号公報
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．１８９／１９０， １５３−１５８（１９９８） Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ．９ （１９９７） ４１３−４１６
本発明は、従来問題であった、多数の結晶で構成される結晶集合体が形成されて、混合融液の表面を覆う事をなくし、それによって混合融液中のIII族金属が結晶集合体の形成に消費されて原料が枯渇し所望の結晶が大きくならないといった事や、結晶集合体に混合融液表面近傍の成長領域を奪われて融液表面近傍で所望の結晶を成長することができなくなるという問題を解決し、安定してIII族窒化物を結晶成長させることの可能なIII族窒化物の結晶製造方法を提供することを目的としている。
また、本発明は、種結晶を用いたIII族窒化物の結晶成長において、種結晶に新たに結晶核が付着して多結晶化したり、種結晶が結晶集合体に覆われてしまうといった事態が生じることを防止し、種結晶から高品質の所望のIII族窒化物結晶を成長させることの可能なIII族窒化物の結晶製造方法を提供することを目的としている。
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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴とする。
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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長することを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度で、それぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のIII族窒
化物の結晶製造方法において、種結晶にIII族窒化物を結晶成長させることを特徴として
いる。
化物の結晶製造方法において、種結晶にIII族窒化物を結晶成長させることを特徴として
いる。
請求項１乃至請求項５記載の発明によれば、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧するので、混合融液の温度上昇に追随して反応容器内の窒素の圧力が増加し、混合融液中の窒素濃度が増加する。このような混合融液中への窒素の導入方法を行うと、従来問題であった、混合融液表面近傍で多数の核発生が起こり多数の結晶で構成される結晶集合体が形成されて混合融液表面を覆うという事が抑制される。このため、混合融液中のIII族金属が結晶集合体の形成
に消費されて原料が枯渇し所望の結晶が大きくならないといった事や、結晶集合体に混合融液表面近傍の成長領域を奪われて融液表面近傍で所望の結晶を成長することができなくなるという問題が解決され、安定してIII族窒化物の結晶成長を行うことができる。
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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧するので、混合融液の温度上昇に追随して反応容器内の窒素の圧力が増加し、混合融液中の窒素濃度が増加する。このような混合融液中への窒素の導入方法を行うと、従来問題であった、混合融液表面近傍で多数の核発生が起こり多数の結晶で構成される結晶集合体が形成されて混合融液表面を覆うという事が抑制される。このため、混合融液中のIII族金属が結晶集合体の形成
に消費されて原料が枯渇し所望の結晶が大きくならないといった事や、結晶集合体に混合融液表面近傍の成長領域を奪われて融液表面近傍で所望の結晶を成長することができなくなるという問題が解決され、安定してIII族窒化物の結晶成長を行うことができる。
特に、請求項１記載の発明によれば、圧力調整器等の精度の良い圧力の調整方法を選択することができ、これによって、温度に追随した昇圧を精度良く行うことができる。その結果、多数の核発生を無くし、混合融液表面を覆う結晶集合体の形成を抑制することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧するので、蒸気圧の高いアルカリ金属の蒸発を抑制するために不活性ガスを反応容器内に導入して結晶成長を行う場合においても、結晶集合体の形成を抑制することができる。すなわち、アルカリ金属の蒸発を抑制しつつ、安定してIII族窒化物の結晶成長を行うことができる。
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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧するので、蒸気圧の高いアルカリ金属の蒸発を抑制するために不活性ガスを反応容器内に導入して結晶成長を行う場合においても、結晶集合体の形成を抑制することができる。すなわち、アルカリ金属の蒸発を抑制しつつ、安定してIII族窒化物の結晶成長を行うことができる。
また、請求項３記載の発明によれば、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長するようにしており、昇温時に温度の上昇とともに窒素を含む物質の圧力も上昇するので、蒸気圧の高いアルカリ金属の蒸発を抑制するために不活性ガスを反応容器内に導入して結晶成長を行う場合においても、結晶集合体の形成を抑制することができる。
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、種結晶にIII族窒化物を結晶成長するようにしており、この場合、種結晶が多結晶化したり結晶集合体に覆われてしまうことなく、種結晶から高品質の所望の結晶を安定して成長することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本願の発明者は、結晶成長初期段階、特に、窒素を含む物質の導入方法の検討を行い、本発明を完成するに至った。
本発明は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧する。
なお、本発明において、窒素を含む物質とは、結晶成長温度において、その一部あるいは全部が窒素を構成元素に含む物質の気体となる物質である。例えば、窒素ガスやアンモニアガスのような気体であっても良いし、アジ化ナトリウムのように室温では固体であり、III族窒化物の結晶成長温度では、分解して窒素ガスとナトリウムになる物質であっても良い（すなわち、窒素を含む物質とは、窒素ガスや、アジ化ナトリウムなどの窒素を構成元素に含む化合物である）。窒素を含む物質の気体は、混合融液と気液界面を形成し、気液界面から窒素は混合融液中に供給される。
また、本発明において、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一種類あるいは複数の種類のIII族金属と窒素との化合物を意味する。
また、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事もできる。
また、アルカリ金属を含む融液中には、別の元素を溶融させておく事もできる。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。
また、本発明において、昇温とは、混合融液の温度を上げることを意味する。また、昇圧とは、気体の圧力を増加させることを意味する。
前述した従来技術３、４、５、６では、III族窒化物の結晶成長を行う所定の温度において、外部から窒素を含む物質を供給しているが、この場合、混合融液表面に多数の結晶核が同時に発生し、混合融液表面を覆う結晶集合体が形成される場合があった。
本願の発明者は、結晶成長初期段階、特に、窒素を含む物質の導入方法の検討を行い、温度の上昇に合わせて窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、結晶集合体が形成されなくなることを見出した。
すなわち、本発明においては、結晶成長温度に混合融液の温度を昇温する時に、温度の上昇に追随して窒素を含む物質の圧力を徐々に昇圧することによって、混合融液表面に結晶核が多数発生することを抑制することができ、そして、所定の結晶成長温度において、所定の圧力下で混合融液に溶解し拡散した窒素がアルカリ金属の存在下でIII族金属と結合し、III族窒化物を結晶成長させることができる。
なお、窒素を含む物質の圧力の昇圧を温度の上昇に追随させる方法は、特に限定されるものではない。
また、昇温速度（換言すれば、窒素を含む物質の昇圧速度）は、結晶集合体が形成されない速度に適宜決めることができる。
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
本発明の第１の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
すなわち、本発明の第１の形態の結晶製造方法では、混合融液の温度を結晶成長温度に昇温する時に、温度の上昇に追随して、窒素を含む物質を気体として反応容器の外部から導入して窒素を含む物質の圧力を徐々に昇圧し、所定の温度，圧力下でIII族窒化物の結晶成長を行うようにしている。
なお、窒素を含む物質の昇圧方法は、特に限定されるものではなく、例えば、圧力調整器等で徐々に加圧する方法等が使用可能である。
（第２の形態）
また、本発明の第２の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
また、本発明の第２の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、III族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
すなわち、本発明の第２の形態の結晶製造方法では、混合融液の温度を結晶成長温度に昇温する時に、温度の上昇に追随して、不活性ガスと窒素を含む物質を気体として反応容器の外部から導入して窒素を含む物質と不活性ガスの圧力を徐々に昇圧し、所定の温度，圧力下でIII族窒化物の結晶成長を行うようにしている。
ここで、不活性ガスは、反応容器内の圧力を大きくすることによりアルカリ金属の蒸発を抑制するために使用されるものである。
なお、不活性ガスとは、III族金属やアルカリ金属，窒素と反応しないガスを意味し、不活性ガスには、例えば、アルゴンガス等が使用可能である。
また、不活性ガスは、窒素を含む物質のガスラインとは別のガスラインから導入しても良いし、あるいは、窒素を含む物質と不活性ガスの混合ガスとして導入することもできる。
（第３の形態）
また、本発明の第３の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
また、本発明の第３の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
ここで、不活性ガスは、本発明の第３の形態で説明したのと同様に、反応容器内の圧力を大きくすることによりアルカリ金属の蒸発を抑制するために使用されるものである。
なお、不活性ガスとは、III族金属やアルカリ金属，窒素と反応しないガスを意味し、不活性ガスには、例えば、アルゴンガス等が使用可能である。
本発明の第３の形態の結晶製造方法では、結晶が成長する温度よりも低い温度において、反応容器内に窒素原料である窒素を含む物質と不活性ガスを導入し、反応容器を密閉して所定の結晶成長温度まで昇温する。密閉された反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの圧力は、温度の上昇とともに徐々に増加する。これに伴って、混合融液中に溶解する窒素濃度も徐々に増加し、所定の結晶成長温度において、混合融液に溶解し拡散した窒素がアルカリ金属の存在下でIII族金属と結合し、III族窒化物が結晶成長する。
なお、結晶成長温度に達した時点での窒素を含む物質と不活性ガスの圧力は、結晶成長を行う所定の圧力になっていることが望ましいが、それ以上であっても良い。その場合は、反応容器と外部を仕切るバルブ等を開閉することで所定の圧力まで減圧することができる。
なお、窒素を含む物質と不活性ガスの圧力の増加量は、温度の上昇量に比例するので、温度の上昇速度を制御することで、窒素を含む物質の気体の昇圧速度を制御することができる。昇温速度は、結晶集合体が形成されない速度に適宜決めることができる。
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第３の形態の結晶製造方法において、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度でそれぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。
本発明の第４の形態は、第３の形態の結晶製造方法において、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度でそれぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。
すなわち、この第４の形態では、反応容器内の気相中の窒素を含む物質と不活性ガスの圧力が、結晶成長温度において、結晶成長を行う所定の圧力になるように、窒素原料の仕込み量と不活性ガスの圧力を調整して導入しておく。その後、反応容器を密閉して昇温し、所定の結晶成長温度，圧力で結晶成長を行うようにしている。
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内の窒素を含む物質の分圧が所定の結晶成長温度で所定の圧力となる量の窒素を含む物質を気体として反応容器内に導入した後に反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。
本発明の第５の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内の窒素を含む物質の分圧が所定の結晶成長温度で所定の圧力となる量の窒素を含む物質を気体として反応容器内に導入した後に反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴としている。
本発明の第５の形態の結晶製造方法では、結晶が成長する温度よりも低い温度において、反応容器内に窒素原料である窒素を含む物質を導入し、反応容器を密閉して所定の結晶成長温度まで昇温する。密閉された反応容器内の窒素を含む物質の気体の圧力は、温度の上昇とともに徐々に増加する。これに伴って、混合融液中に溶解する窒素濃度も徐々に増加し、所定の結晶成長温度において、混合融液に溶解し拡散した窒素がアルカリ金属の存在下でIII族金属と結合し、III族窒化物が結晶成長する。そして、この第５の形態では、反応容器内の気相中の窒素を含む物質の圧力が、結晶成長温度において、結晶成長を行う所定の圧力になるように、窒素原料の仕込み量を調整して導入しておく。その後、反応容器を密閉して昇温し、所定の結晶成長温度，圧力で結晶成長を行うようにしている。
なお、結晶成長温度に達した時点での窒素を含む物質の圧力は、結晶成長を行う所定の圧力になっていることが望ましいが、それ以上であっても良い。その場合は、反応容器と外部を仕切るバルブ等を開閉することで所定の圧力まで減圧することができる。
なお、窒素を含む物質の圧力の増加量は、温度の上昇量に比例するので、昇温速度を制御することで、窒素を含む物質の気体の昇圧速度を制御することができる。昇温速度は、結晶集合体が形成されない速度に適宜決めることができる。
（第６の形態）
また、本発明の第６の形態は、上述した本発明の第１乃至第５のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶製造方法において、種結晶にIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
また、本発明の第６の形態は、上述した本発明の第１乃至第５のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶製造方法において、種結晶にIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
本発明により製造した板状ＧａＮ結晶は、例えば、六方晶であり、主面が六角形で、主面の面方位，主面の対角線の長さ、厚さ、転位密度（ＴＥＭで測定）、色は次表（表１）のものを成長させることができる。
本発明により製造した柱状ＧａＮ結晶は、例えば、六方晶であり、Ｃ軸方向の長さ、幅、転位密度（ＴＥＭで測定）、色は次表（表２）のものを成長させることができる。
本発明により製造したIII族窒化物結晶を用いて半導体デバイスを構成できる。この半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスが本発明により製造したIII族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造を有する発光素子を構成することができる。
ここで、発光素子の形態は特に限定されるものではなく、発光ダイオード，半導体レーザ等、III族窒化物結晶上に積層された半導体積層構造を有する発光素子であれば良い。
本発明により製造した半導体デバイスはIII族窒化物結晶を用いて形成された受光素子であることを特徴としている。
ここで、受光素子は、光導電セル，ｐ−ｎ接合フォトダイオード，ヘテロ接合ＦＥＴ型受光素子，ヘテロ接合バイポーラ型フォトトランジスター等であり、特に限定されるものではない。
本発明により製造したIII族窒化物結晶を用いて電子デバイスを構成できる。
ここで、電子デバイスの形態は、特に限定されるものではなく、ＦＥＴであってもＨＢＴであっても良い。また、その目的用途も、高温動作デバイス，高周波デバイス，大電力電子デバイス等、特に限定されるものではない。
本発明により製造したIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイス（発光素子）を光源として用いた照明装置，フルカラー大型表示装置，交通標識などであっても良いし、半導体デバイス（発光素子）を書き込みあるいは読み取り光源として用いた光記録装置であっても良いし、半導体デバイス（発光素子）を書き込み光源として用いた電子写真装置であっても良いし、半導体デバイス（受光素子）を光センサーとして具備した火炎センサー，波長選択型検出器等であっても良いし、半導体デバイス（電子デバイス）を具備した移動通信システム等であっても良い。その他、システムであれば、特に限定されるものではない。
実施例１では、柱状ＧａＮ単結晶を結晶成長させた（すなわち、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、混合融液の表面近傍に柱状ＧａＮ単結晶を結晶成長させた）。
この実施例１では、III族金属としてガリウム（Ｇａ）を用い、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ２）を使用して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる。
図１は実施例１で用いた結晶製造装置の構成例を示す図（断面図）である。図１の結晶製造装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器１１内に、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液２５を保持し結晶成長を行なうための融液保持容器１２が設けられている。この融液保持容器１２は反応容器１１から取り外すことができる。また、この融液保持容器１２の材質はＢＮである。
また、反応容器１１の内部空間２３に窒素原料となる窒素（Ｎ２）ガスを充満させ、かつ反応容器１１内の窒素（Ｎ２）圧力を調整することを可能にするガス供給管１４が反応容器１１を貫通して装着されている。
反応容器１１は、バルブ２１部分で結晶製造装置から取り外すことが可能であり、反応容器１１部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
また、反応容器１１の外側には、ヒーター１３が設けられている。ヒーター１３の温度は、温度センサー２９でモニターされ、温度センサー２９からモニター信号が温度制御器３４に送られ、温度制御器３４によってヒーター１３の温度が制御されるようになっている。この温度制御器３４は、昇温時間や、一定温度での保持時間を制御することもできる。なお、ヒーター１３の温度と混合融液２５の温度は、あらかじめ較正され対応付けされているので、ヒーター１３の温度を制御することで、混合融液２５の温度を制御することができる。
また、温度の上昇に追随して窒素ガスの圧力を昇圧するために演算処理装置３５が設けられている。演算処理装置３５は、温度制御器３４から送られる信号を受け、圧力制御装置１６に温度に対応した制御信号を送る。そして、圧力制御装置１６によって、反応容器１１内の圧力が調整されるようになっている。
反応容器１１内の圧力は圧力センサー３３でモニターされ、圧力センサー３３からのモニター信号が圧力制御装置１６に送られ、反応容器１１内を所定の圧力に調整するようになっている。
図１の結晶製造装置を使用したＧａＮの結晶製造方法を説明する。
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶製造装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。混合融液中のＮａの比率は、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．５１とした。
次いで、融液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶製造装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素ガス供給ライン１４に接続する。
次いで、バルブ１５，２１を開ける。
次いで、ヒーター１３に通電し、混合融液２５を結晶成長温度まで昇温する。結晶成長温度は７７５℃とし、室温（２７℃）から７７５℃までの昇温時間は１時間とした。すなわち、昇温速度は７４８℃／時である。
また、反応容器１１内の窒素の圧力を、混合融液２５の昇温に追随させて昇圧させた。すなわち、室温における０ＭＰａ（反応容器内に窒素を入れていない状態）から昇圧を開始し、１時間後、すなわち結晶成長温度７７５℃に達した時に、７ＭＰａになるようにした。すなわち、窒素圧力の昇圧速度は７ＭＰａ／ｈである。
結晶成長温度７７５℃，窒素圧力７ＭＰａに達した後、３２０時間保持して結晶成長を行った。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、融液保持容器１２内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、混合融液保持容器１２の底にｃ軸の長さが約５ｍｍの無色透明な柱状のＧａＮの単結晶３０が結晶成長していた。
成長した柱状ＧａＮ結晶のＣ面を走査電子顕微鏡で観察し、対角線の長さを測定した結果、１ｍｍ以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、１０６ｃｍ−２以下であった。
実施例２では、結晶製造方法で柱状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた（すなわち、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質とを反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、柱状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた）。
この実施例２では、III族金属としてガリウム（Ｇａ）を用い、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ２）を用い、Ｎａの蒸発抑制ガス（不活性ガス）としてＡｒを使用して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる。
図２は実施例２で用いた結晶製造装置の構成例を示す図（断面図）である。図２の結晶製造装置は、図１の装置にＡｒガス供給ライン２０が付加されたものとなっている。
すなわち、図２の装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器１１内に、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液２５を保持し結晶成長を行うための混合融液保持容器１２が設けられている。この混合融液保持容器１２は反応容器１１から取り外すことができる。また、この混合融液保持容器１２の材質はＢＮである。
また、反応容器１１の内部空間２３に窒素原料となる窒素（Ｎ２）ガスとアルカリ金属の蒸発を抑制する為のアルゴン（Ａｒ）ガスを充満させ、かつ反応容器１１内の窒素（Ｎ２）圧力とアルゴン（Ａｒ）ガス圧力を調整することを可能にするガス供給管１４が反応容器１１を貫通して装着されている。
図２の装置では、ガス供給管１４は、窒素供給管１７とアルゴン供給管２０とに分岐しており、それぞれ、バルブ１５，１８で分離することが可能となっている。また、それぞれの圧力を圧力制御装置１６，１９で調整する事ができる。これにより、アルカリ金属の蒸発を抑制しつつ、窒素ガスの圧力を独立して調整することができ、制御性の高い結晶成長が可能となる。
また、反応容器１１の外側には、ヒーター１３が設けられている。ヒーター１３の温度は、温度センサー２９でモニターされ、温度センサー２９からモニター信号が温度制御器３４に送られ、温度制御器３４によってヒーター１３の温度が制御されるようになっている。この温度制御器３４は、昇温時間や、一定温度での保持時間を制御することもできる。なお、ヒーター１３の温度と混合融液２５の温度は、あらかじめ較正され対応付けされているので、ヒーター１３の温度を制御することで、混合融液２５の温度を制御することができる。
また、温度の上昇に追随して昇圧するために演算処理装置３５が設けられている。演算処理装置３５は、温度制御器３４から送られる信号を受け、圧力制御装置１６、１９に温度に対応した制御信号を送る。そして、圧力制御装置１６，１９によって、反応容器内の窒素とＡｒの圧力が調整される。
反応容器１１内の圧力は圧力センサー３３でモニターされ、圧力センサー３３からのモニター信号が圧力制御装置１６、１９に送られ、反応容器１１内を所定の圧力に調整するようになっている。
なお、反応容器１１は、バルブ２１の部分で結晶製造装置から取り外すことが可能であり、反応容器１１部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
図２の結晶製造装置を使用したＧａＮの結晶製造方法を説明する。
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶製造装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
次いで、ＢＮ製の混合融液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。混合融液中のＮａの比率は、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．５１とした。
次いで、混合融液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶製造装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン１４に接続する。
次いで、バルブ２１，１５，１８を開ける。
次いで、ヒーター１３に通電し、混合融液２５を結晶成長温度まで昇温する。結晶成長温度は７７５℃とし、室温（２７℃）から７７５℃までの昇温時間は１時間とした。すなわち、昇温速度は７４８℃／時である。
また、反応容器１１内の窒素とＡｒの圧力を混合融液の昇温に追随させて昇圧させた。すなわち、室温における窒素分圧，Ａｒ分圧をそれぞれ０ＭＰａ（反応容器１１内に窒素，Ａｒを入れていない状態）から昇圧を開始し、１時間後、すなわち結晶成長温度７７５℃に達したときに、窒素とＡｒの分圧がそれぞれ４ＭＰａになるようにした。すなわち窒素の昇圧速度は４ＭＰａ／時である。
結晶成長温度７７５℃に達した後、３２０時間保持して結晶成長を行った。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、融液保持容器１２内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、混合融液表面近傍の混合融液保持容器１２の内壁にｃ軸の長さが約６ｍｍの無色透明な柱状のＧａＮの単結晶２７が結晶成長していた。
成長した柱状ＧａＮ結晶のＣ面を走査電子顕微鏡で観察し、対角線の長さを測定した結果、１ｍｍ以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、１０６ｃｍ−２以下であった。
実施例３では、板状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた（すなわち、混合融液の昇温に合わせて、反応容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質とを反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することによって、板状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた）。
この実施例３では、III族金属としてガリウム（Ｇａ）を用い、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ２）を用い、Ｎａの蒸発抑制ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を使用して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる。なお、窒素ガスとＡｒガスは１：１の混合ガスにして使用した。
図３は実施例３で用いた結晶製造装置の構成例を示す図（断面図）である。図３の結晶製造装置は、図１の装置において、ガス供給管１４が窒素とＡｒとの混合ガスの供給管として機能するものとなっている。このことを明確にするため、図３には、窒素とＡｒとの混合ガスのボンベ３７と、バルブ３６とが示されている。
図３の結晶製造装置を使用したＧａＮの結晶製造方法を説明する。
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶製造装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。混合融液中のＮａの比率は、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．６７とした。
次いで、融液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶製造装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分でガス供給ライン１４に接続する。
次いで、バルブ１５，２１を開ける。
次いで、ヒーター１３に通電し、混合融液２５を結晶成長温度まで昇温する。結晶成長温度は７７５℃とし、室温（２７℃）から７７５℃までの昇温時間は１時間とした。すなわち昇温速度は７４８℃／時である。
また、反応容器１１内の窒素とＡｒの圧力を混合融液の昇温に追随させて昇圧させた。すなわち、室温において窒素とＡｒのそれぞれの分圧０ＭＰａ（反応容器１１内に窒素，Ａｒを入れていない状態）から昇圧を開始し、１時間後、すなわち結晶成長温度７７５℃に達したときに、全圧が８ＭＰａ、すなわち窒素とＡｒの分圧がそれぞれ４ＭＰａになるようにした。すなわち、窒素の昇圧速度は４ＭＰａ／時である。
結晶成長温度７７５℃、全圧力が８ＭＰａ（窒素の分圧が４ＭＰａ）に達した後、３００時間保持して結晶成長を行った。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、混合融液保持容器１２内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、融液表面に対角線の長さが約５ｍｍの六角形のＣ面を主面とする板状の無色透明なＧａＮの単結晶２４が結晶成長していた。
成長した板状ＧａＮ結晶２４のｃ軸に平行な断面を走査電子顕微鏡で観察し、厚さを測定した結果、８０μｍ以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、１０６ｃｍ−２以下であった。
実施例４では、板状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた（すなわち、反応容器内に窒素を含む物質を導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温することによって、板状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた）。
この実施例４では、III族金属としてガリウム（Ｇａ）を用い、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ２）を使用して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる。
図４は実施例４で用いた結晶製造装置の構成例を示す図（断面図）である。図４の結晶製造装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器１１内に、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液２５を保持し結晶成長を行なうための融液保持容器１２が設けられている。この融液保持容器１２は反応容器１１から取り外すことができる。また、この融液保持容器１２の材質はＢＮである。
また、反応容器１１の内部空間２３に窒素原料となる窒素（Ｎ２）ガスを充満させ、かつ反応容器１１内の窒素（Ｎ２）圧力を調整することを可能にするガス供給管１４が反応容器１１を貫通して装着されている。窒素ガスの圧力は圧力制御装置１６で調整可能となっている。また、反応容器１１内の全圧力は圧力計２２でモニターされるようになっている。
また、図４の装置では、反応容器１１内の圧力が所定の圧力を超えた場合にガスを外部に放出するためのガス放出バルブ３８が設けられている。
また、反応容器１１の外側には、ヒーター１３が設けられている。ヒーター１３の温度は、温度センサー２９でモニターされ、温度センサー２９からモニター信号が温度制御器３４に送られ、温度制御器３４によってヒーター１３の温度が制御されるようになっている。この温度制御器３４は、昇温時間や、一定温度での保持時間も制御することができる。なお、ヒーター１３の温度と混合融液２５の温度は、あらかじめ較正され対応付けされているので、ヒーター１３の温度を制御することで、混合融液２５の温度を制御することができる。
また、反応容器１１は、バルブ２１の部分で結晶製造装置から取り外すことが可能であり、反応容器１１部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
図４の結晶製造装置を使用したＧａＮの結晶製造方法を説明する。
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶製造装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。ＮａとＧａの比率は２：１、すなわち、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．６７とした。
次いで、融液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶製造装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素ガス供給ライン１４に接続する。
次いで、バルブ１５，２１を開け、反応容器１１内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置１６で窒素圧力を３．５ＭＰａにした。
次いで、バルブ２１を閉じる。これにより、反応容器１１は密閉される。
次いで、ヒーター１３に通電し、混合融液２５を１時間の昇温時間で室温（２７℃）から結晶成長温度７７５℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は７４８℃／時である。
密閉された反応容器１１内の窒素の圧力は昇温に追随して上昇し、結晶成長温度７７５℃に達した時の反応容器１１内の窒素の圧力は４．５ＭＰａになった。すなわち、窒素の昇圧速度は１ＭＰａ／時である。この圧力４．５ＭＰａは所定の結晶成長圧力を超えているため、ガス放出バルブ３８を開け、窒素ガスを放出し、窒素の圧力を４ＭＰａにした。
この状態で３００時間保持した後、室温まで降温する。反応容器１１内のガスの圧力を下げた後、反応容器１１を開けると、融液保持容器内１２には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、融液表面に対角線の長さが約５ｍｍの六角形のＣ面を主面とする板状の無色透明なＧａＮの単結晶２４が結晶成長していた。
成長した板状ＧａＮ結晶２４のｃ軸に平行な断面を走査電子顕微鏡で観察し、厚さを測定した結果、８０μｍ以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、１０６ｃｍ−２以下であった。
実施例５では、板状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた（すなわち、反応容器内の窒素を含む物質の分圧が所定の結晶成長温度で所定の圧力となる量の窒素を含む物質を反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことによって、板状のＧａＮを結晶成長させた）。
この実施例５では、III族金属としてガリウム（Ｇａ）を用い、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ２）を使用して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる。
図５は実施例５で用いた結晶製造装置の構成例を示す図（断面図）である。図５の結晶製造装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器１１内に、アルカリ金属とIII族金属を含む混合融液２５を保持し結晶成長を行なうための融液保持容器１２が設けられている。この融液保持容器１２は反応容器１１から取り外すことができる。また、この融液保持容器１２の材質はＢＮである。
また、反応容器１１の内部空間２３に窒素原料となる窒素（Ｎ２）ガスを充満させ、かつ反応容器１１内の窒素（Ｎ２）圧力を調整することを可能にするガス供給管１４が反応容器１１を貫通して装着されている。窒素ガスの圧力は圧力制御装置１６で調整可能となっている。また、反応容器１１内の全圧力は圧力計２２でモニターされるようになっている。
また、反応容器１１の外側には、ヒーター１３が設けられている。ヒーター１３の温度は、温度センサー２９でモニターされ、温度センサー２９からモニター信号が温度制御器３４に送られ、温度制御器３４によってヒーター１３の温度が制御されるようになっている。この装置の温度制御器３４は、昇温時間や、一定温度での保持時間を制御することができる。なお、ヒーター１３の温度と混合融液２５の温度は、あらかじめ較正され対応付けされているので、ヒーター１３の温度を制御することで、混合融液２５の温度を制御することができる。
また、反応容器１１は、バルブ２１の部分で結晶製造装置から取り外すことが可能であり、反応容器１１部分のみをグローブボックスに入れて作業することができる。
図５の結晶製造装置を使用したＧａＮの結晶製造方法を説明する。
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶製造装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。ＮａとＧａの比率は２：１、すなわち、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．６７とした。
次いで、融液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶製造装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素ガス供給ライン１４に接続する。
次いで、バルブ１５，２１を開け、反応容器１１内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置１６で窒素圧力を３．３ＭＰａにした。この圧力３．３ＭＰａは、図５の装置において、室温から昇温して結晶成長温度７７５℃に達したときに、反応容器１１内の全圧が４ＭＰａになる圧力である。
次いで、バルブ２１を閉じる。これにより、反応容器１１は密閉される。
次いで、ヒーター１３に通電し、混合融液２５を１時間の昇温時間で室温（２７℃）から結晶成長温度７７５℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は７４８℃／時である。
密閉された反応容器１１内の窒素の圧力は昇温に追随して上昇し、結晶成長温度７７５℃に達した時の反応容器１１内の窒素の圧力は４ＭＰａになった。すなわち、窒素の圧力は３．３ＭＰａ（室温２７℃）から４ＭＰａ（７７５℃）になった。昇圧速度は０．７ＭＰａ／時である。
この状態で３００時間保持した後、室温まで降温する。反応容器１１内のガスの圧力を下げた後、反応容器１１を開けると、融液保持容器１２内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、融液表面に対角線の長さが約５ｍｍの六角形のＣ面を主面とする板状の無色透明なＧａＮの単結晶２４が結晶成長していた。
成長した板状ＧａＮ結晶２４のｃ軸に平行な断面を走査電子顕微鏡で観察し、厚さを測定した結果、８０μｍ以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、１０６ｃｍ−２以下であった。
実施例６では、板状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた（すなわち、反応容器内に窒素を含む物質と不活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶製造温度に昇温してIII族窒化物を結晶成長することによって、板状のＧａＮを結晶成長させた）。
この実施例６では、III族金属としてガリウム（Ｇａ）を用い、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ２）を用い、Ｎａの蒸発抑制ガス（不活性ガス）としてＡｒを使用して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる。
図６は実施例６で用いた結晶製造装置の構成例を示す図（断面図）である。図６の結晶製造装置は、図４の装置にＡｒガス供給ライン２０が付加されたものとなっている。
図６の結晶製造装置を使用したＧａＮの結晶製造方法を説明する。
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶製造装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。ＮａとＧａの比率は２：１、すなわち、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．６７とした。
次いで、融液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ１５，１８，２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶製造装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン１４に接続する。
次いで、バルブ１５，２１を開け、反応容器内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置１６で窒素圧力を３．５ＭＰａにした。
次いで、バルブ１５を閉じる。
次いで、バルブ１８を開け、反応容器１１内にＡｒガスを入れる。このとき、圧力制御装置１９で圧力を７ＭＰａにした。すなわち、反応容器１１内のＡｒの分圧は３．５ＭＰａとなる。
次いで、バルブ１８とバルブ２１を閉じる。すなわち、反応容器１１は密閉される。
次いで、ヒーター１３に通電し、混合融液２５を１時間の昇温時間で室温（２７℃）から結晶成長温度７７５℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は７４８℃／時である。
昇温に追随して、密閉された反応容器１１内の圧力は上昇し、結晶成長温度７７５℃に達した時の反応容器１１内の全圧は９ＭＰａになった。すなわち、窒素とＡｒの分圧はそれぞれ４．５ＭＰａとなった。すなわち、窒素の昇圧速度は１ＭＰａ／時である。
この圧力は所定の結晶成長圧力を超えているため、ガス放出バルブ３８を開け、ガスを放出し、全圧を８ＭＰａにした。すなわち、窒素とＡｒの分圧をそれぞれ４ＭＰａとした。
この状態で３００時間保持した後、室温まで降温する。反応容器１１内のガスの圧力を下げた後、反応容器１１を開けると、融液保持容器１２内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、融液表面に対角線の長さが約５ｍｍの六角形のＣ面を主面とする板状の無色透明なＧａＮの単結晶２４が結晶成長していた。
成長した板状ＧａＮ結晶２４のｃ軸に平行な断面を走査電子顕微鏡で観察し、厚さを測定した結果、８０μｍ以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、１０６ｃｍ−２以下であった。
実施例７では、柱状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた（すなわち、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度で、それぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことによって、柱状のＧａＮを結晶成長させた）。
この実施例７では、III族金属としてガリウム（Ｇａ）を用い、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ２）を用い、Ｎａの蒸発抑制ガスとしてＡｒを使用して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる。
図７は実施例７で用いた結晶製造装置の構成例を示す図（断面図）である。図７の結晶製造装置は、図５の装置にＡｒガス供給ライン２０が付加されたものとなっている。
図７の結晶製造装置を使用したＧａＮの結晶製造方法を説明する。
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶製造装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。混合融液２５中のＮａの比率はＮａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．５１とした。
次いで、融液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶製造装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン１４に接続する。
次いで、バルブ１５，２１を開け、反応容器１１内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置１６で窒素圧力を３．３ＭＰａにした。この圧力３．３ＭＰａは、図７の装置において、結晶成長温度（７７５℃）に昇温したときに、反応容器１１内の全圧が４ＭＰａになる圧力である。
次いで、バルブ１５を閉じる。
次いで、バルブ１８を開け、反応容器１１内にＡｒガスを入れる。このとき、圧力制御装置１９で圧力を６．６ＭＰａにした。すなわち、反応容器１１内のＡｒの分圧は３．３ＭＰａとなる。この圧力（６．６ＭＰａ）は、図７の装置において、結晶成長温度（７７５℃）に昇温したときに、反応容器１１内の全圧が８ＭＰａになる圧力である。すなわち、窒素とＡｒの分圧がそれぞれ４ＭＰａとなる圧力である。
次いで、バルブ１８とバルブ２１を閉じる。これにより、反応容器１１は密閉される。
次いで、ヒーター１３に通電し、混合融液２５を１時間の昇温時間で室温（２７℃）から結晶成長温度７７５℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は７４８℃／時である。
密閉された反応容器１１内の圧力は昇温に追随して上昇し、結晶成長温度７７５℃に達した時の反応容器１１内の全圧は８ＭＰａになった。すなわち、窒素とＡｒの分圧はそれぞれ４ＭＰａとなった。窒素の昇圧速度は０．７ＭＰａ／時である。
この状態で３００時間保持した後、室温まで降温する。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、融液保持容器１２内には、融液表面を覆うような結晶集合体は形成されておらず、混合融液保持容器の底にｃ軸の長さが約５ｍｍの無色透明な柱状のＧａＮの単結晶３０が結晶成長していた。
成長した柱状ＧａＮ結晶のＣ面を走査電子顕微鏡で観察し、対角線の長さを測定した結果、１ｍｍ以上のものが成長していた。また、透過電子顕微鏡の観察で求めた転位密度は、１０６ｃｍ−２以下であった。
実施例８では、柱状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた（すなわち、反応容器内の窒素を含む物質と不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度で、それぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温して種結晶にIII族窒化物を結晶成長することによって、柱状のＧａＮ単結晶を結晶成長させた）。
この実施例８では、III族金属としてガリウム（Ｇａ）を用い、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を用い、窒素を含む物質として窒素ガス（Ｎ２）を用い、Ｎａの蒸発抑制ガスとしてＡｒを使用して、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる。
図８は実施例８で用いた結晶製造装置の構成例を示す図（断面図）である。図８の結晶製造装置は、図５の装置にＡｒガス供給ライン２０と、混合融液保持容器１２の上部に種結晶を保持する機構とが付加されたものとなっている。
図８の結晶製造装置を使用したＧａＮの結晶製造方法を説明する。
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶製造装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
次いで、ＢＮ製の混合融液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。混合融液２５中のＮａの比率は、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．５１とした。
次いで、種結晶３１を混合融液保持容器１２の上部から吊り下げ、一部を混合融液２５に浸す。
次いで、混合融液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１の内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶製造装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン１４に接続する。
次いで、バルブ１５，２１を開け、反応容器１１内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置１６で窒素圧力を３．３ＭＰａにした。この圧力３．３ＭＰａは、図８の装置において、室温（２７℃）から昇温して結晶成長温度７７５℃に達したときに、反応容器１１内の全圧が４ＭＰａになる圧力である。
次いで、バルブ１５を閉じる。
次いで、バルブ１８を開け、反応容器１１内にＡｒガスを入れる。このとき、圧力制御装置１９で圧力を６．６ＭＰａにした。すなわち、反応容器１１内のＡｒの分圧は３．３ＭＰａとなる。この圧力（６．６ＭＰａ）は、図８の装置において、室温（２７℃）から昇温して結晶成長温度７７５℃に達したときに、反応容器１１内の全圧が８ＭＰａになる圧力である。すなわち、窒素とＡｒの分圧がそれぞれ４ＭＰａとなる圧力である。
次いで、バルブ１８とバルブ２１を閉じる。これにより、反応容器１１は密閉される。
次いで、ヒーター１３に通電し、混合融液２５を１時間の昇温時間で室温（２７℃）から結晶成長温度７７５℃まで昇温する。すなわち、昇温速度は７４８℃／時である。
密閉された反応容器１１内の圧力は昇温に追随して上昇し、結晶成長温度７７５℃に達した時の反応容器１１内の全圧は８ＭＰａになった。すなわち、窒素とＡｒの分圧はそれぞれ４ＭＰａとなった。窒素の昇圧速度は０．７ＭＰａ／時である。
この状態で３２０時間保持した後、室温まで降温する。反応容器１１内のガスの圧力を下げた後、反応容器１１を開けると、融液保持容器１２内には、融液表面を覆うような結晶集合体が形成されておらず、種結晶３１は成長し、ｃ軸の長さが約８ｍｍの無色透明な柱状のＧａＮの単結晶３２が結晶成長していた。
図９，図１０はこの発明を用いた半導体レーザーを示す図である。なお、図９は半導体レーザーの斜視図であり、また、図１０はその光出射方向に垂直な面での断面図である。
実施例９の半導体レーザーは第１２の形態のＧａＮ結晶で作製したｎ型ＧａＮ基板５０上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
すなわち、図９，図１０において、半導体レーザー積層構造４００は、２５０μｍの厚さのｎ型ＧａＮ基板５０上に、ｎ型ＧａＮ層４０、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４１、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４２、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸活性層４３、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４４、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４５、ｐ型ＧａＮキャップ層４６が順次積層された構造であり、ＭＯＣＶＤ法で結晶成長されて作製されている。
そして積層構造４００は、ｐ型ＧａＮキャップ層４６からｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４５の途中までをストライプ状に残してエッチングされ、電流狭窄リッジ導波路構造５１が作製されている。この電流狭窄リッジ導波路構造はＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って形成されている。
また、積層構造の表面には、ＳｉＯ２からなる絶縁膜４７が形成されている。リッジ５１上の絶縁膜４７には、開口部が形成されている。この開口部で露出したｐ型ＧａＮキャップ層４６表面に、ｐ側のオーミック電極４８が形成されている。
また、ｎ型ＧａＮ基板５０の裏面には、ｎ側のオーミック電極４９が形成されている。ｎ側オーミック電極４９としては、Ｔｉ／Ａｌを、ｐ側オーミック電極４８としては、Ｎｉ／Ａｕを蒸着して形成した。
また、リッジ５１と活性層４３に垂直に光共振器面４０１，４０２が形成されている。光共振器面４０１，４０２はＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿った電流狭窄リッジ導波路構造５１に垂直な（１−１００）面をへき開することにより形成されている。
ｎ側オーミック電極４９と光共振器面４０１，４０２は、ｎ型ＧａＮ基板５０の裏面を８０μｍまで研磨した後に形成した。
上記の半導体レーザーでは、ｐ側のオーミック電極４８とｎ側のオーミック電極４９に電流を注入することによって、活性層にキャリアが注入され、発光、光の増幅が起り、光共振器面４０１，４０２から、レーザー光４１１，４１２が出射される。
上記の半導体レーザーは、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にレーザー構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層されたレーザー構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、高出力動作下においても長寿命であった。
また、上記の半導体レーザーは、作製プロセスを行なうのに十分厚いＧａＮ基板を使用して作製されるので、第１の従来技術のように作製プロセス中に基板が割れてしまうということがなく、歩留まりよく作製できた。
受光素子として、この発明により製造した柱状結晶をスライスして作製したｎ型ＧａＮ基板６０上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製する。
ここで、ＧａＮ基板６０の厚さは、３００μｍである。
この受光素子の構造は、ｎ型ＧａＮ基板６０上に、ｎ型ＧａＮ層６１，絶縁性ＧａＮ層６２が積層され、その上に、Ｎｉ／Ａｕから成る透明ショットキー電極６３が形成されたＭＩＳ型受光素子である。
ｎ型ＧａＮ基板６０の裏面には、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック電極６４が形成され、透明ショットキー電極６３の上部の一部には、Ａｕからなる電極６５が形成されている。
この受光素子では、透明ショットキー電極６３側から光（紫外線）６０１を入射すると、キャリアが発生し、電極から光電流が取り出される。
この受光素子は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上に受光素子構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層された受光素子構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比が高かった。
また、この受光素子は、作製プロセスを行なうのに十分厚いＧａＮ基板を使用して作製されるので、第１の従来技術のように作製プロセス中に基板が割れてしまうということがなく、歩留まりよく作製できた。
図１２はこの発明を用いた半導体デバイス（電子デバイス）の断面図である。この電子デバイスは高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）である。
この高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）は、本発明で製造される板状のＧａＮ結晶で作製したＧａＮ基板７０上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
ここで、ＧａＮ基板７０の厚さは、３００μｍである。
高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）の構造は、ＧａＮ基板７０上に積層された絶縁性ＧａＮ層７１、ｎ型ＡｌＧａＮ層７２、ｎ型ＧａＮ層７３からなるリセスゲートＨＥＭＴである。
ｎ型ＧａＮ層７３はゲート部分がｎ型ＡｌＧａＮ層７２までエッチングされ、ｎ型ＡｌＧａＮ層７２にＮｉ／Ａｕからなるゲート電極７６が形成されている。ゲートをはさんで両脇のｎ型ＧａＮ層７３には、Ｔｉ／Ａｌからなるドレイン電極７５、ソース電極７４がそれぞれ形成されている。
この高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上に高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層された高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、欠陥による電極の異常拡散や短絡が抑制され、耐圧が高く、また、良好な周波数特性を示した。
また、この高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）は、作製プロセスを行なうのに十分厚いＧａＮ基板を使用して作製されるので、第１の従来技術のように作製プロセス中に基板が割れてしまうということがなく、歩留まりよく作製できた。
半導体デバイス（発光素子）を具備した照明装置に本発明は適用できる。
図１３は照明装置の模式図である。また、図１４は照明装置の回路図である。また、図１５は照明装置の光源である白色ＬＥＤモジュールの断面図である。また、図１６は白色ＬＥＤのモジュールの光源である紫外発光ＬＥＤの断面図である。
この照明装置は、２個の白色ＬＥＤモジュール９０２と電流制限抵抗９６，直流電源９７，スイッチ９８とが直列に接続されており、スイッチ９８のオン，オフによって、白色ＬＥＤモジュール９０２を発光させるようになっている。
ここで、白色ＬＥＤモジュール９０２は、紫外発光ＬＥＤ９０にＹＡＧ系蛍光体９１が塗布された構造をなす。そして、電極端子９４，９５間に所定の電圧を印加すると、紫外発光ＬＥＤ９０が発光し、その紫外光によってＹＡＧ系蛍光体９１が励起され、白色光９０１が取り出される。
ここで、紫外発光ＬＥＤ９０は、柱状結晶をスライスして作製したｎ型ＧａＮ基板８０上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
ＧａＮ基板８０の厚さは、３００μｍである。
紫外発光ＬＥＤ９０の構造は、ｎ型ＧａＮ基板８０上に、ｎ型ＧａＮ層８１、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層８２、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する活性層８３、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層８４、ｐ型ＧａＮ層８５が積層され、その上に、Ｎｉ／Ａｕから成る透明オーミック電極８６が形成されている。透明オーミック電極８６上には、Ｎｉ／Ａｕから成るワイヤーボンディングン用の電極８７が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板８０の裏面には、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック電極８８が形成されている。
この紫外発光ＬＥＤ９０では、ｐ側の電極８７とｎ側のオーミック電極８８に電流を注入することによって、活性層にキャリアが注入され、発光し、ＬＥＤ外部に紫外光８０１が取り出される。
このＬＥＤは、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にＬＥＤ構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層されたＬＥＤ構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、発光効率が高く、高出力動作する。
また、このＬＥＤは、作製プロセスを行なうのに十分厚いＧａＮ基板を使用して作製されるので、第１の従来技術のように作製プロセス中に基板が割れてしまうということがなく、歩留まりよく作製できた。
従って、上記の照明器具は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にＬＥＤ構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製された紫外ＬＥＤを使用した白色ＬＥＤ照明器具よりも、明るく、低消費電力である。
１１，１０１ 反応容器
１２ 混合融液保持容器
１３，２８ ヒーター
１４ ガス供給管
１５，１８，２１，３４，３５ バルブ
１６，１９ 圧力制御装置
１７ 窒素供給管
２０ アルゴン供給管
２２ 圧力計
２３ 反応容器の内部空間
２４ ＧａＮの板状結晶
２５ 混合融液
２６ 台座
２９ 温度センサー
２７，３０，３２ ＧａＮの柱状結晶
３１ 種結晶
３３ 圧力センサー
３４ 温度制御器
３５ 圧力制御装置
３６ バルブ
３７ ガスボンベ
３８ 圧力開放バルブ
４０ ｎ型ＧａＮ層
４１ ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層
４２ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
４３ Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸活性層
４４ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
４５ ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層
４６ ｐ型ＧａＮキャップ層
４７ 絶縁膜
４８ ｐ側のオーミック電極
４９ ｎ側のオーミック電極
５０ ｎ型ＧａＮ基板
５１ 電流狭窄リッジ導波路構造
６０ ｎ型ＧａＮ基板
６１ ｎ型ＧａＮ層
６２ 絶縁性ＧａＮ層
６３ 透明ショットキー電極
６４ オーミック電極
６５ 電極
７０ ＧａＮ基板
７１ 絶縁性ＧａＮ層
７２ ｎ型ＡｌＧａＮ層
７３ ｎ型ＧａＮ層
７４ ソース電極
７５ ドレイン電極
７６ ゲート電極
８０ ｎ型ＧａＮ基板
８１ ｎ型ＧａＮ層
８２ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
８３ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する活性層
８４ ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
８５ ｐ型ＧａＮ層
８６ 透明オーミック電極
８７ 電極
８８ ｎ側のオーミック電極
９０ 紫外発光ＬＥＤ
９１ ＹＡＧ系蛍光体
９２ 金ワイヤー
９３ レンズ
９４、９５ 電極端子
９６ 電流制限抵抗
９７ 直流電源
９８ スイッチ
１０２ 混合融液
１０３ 種結晶（例えば、ＧａＮ結晶）
１０５ 加熱装置
１０６ 窒素供給管
１１３ 気液界面
１０７ 圧力センサー
１０８ 圧力調整弁
１０９ ケーブル
１１０ 第１のシリンダー
１１１ 第１のバルブ
１２０ 第１のガス供給装置
４００ 積層構造
４０１、４０２ 光共振器面
４１１、４１２ レーザー光
６０１ 光（紫外線）
８０１ 紫外光
９０１ 白色光
９０２ 白色ＬＥＤモジュール
１２ 混合融液保持容器
１３，２８ ヒーター
１４ ガス供給管
１５，１８，２１，３４，３５ バルブ
１６，１９ 圧力制御装置
１７ 窒素供給管
２０ アルゴン供給管
２２ 圧力計
２３ 反応容器の内部空間
２４ ＧａＮの板状結晶
２５ 混合融液
２６ 台座
２９ 温度センサー
２７，３０，３２ ＧａＮの柱状結晶
３１ 種結晶
３３ 圧力センサー
３４ 温度制御器
３５ 圧力制御装置
３６ バルブ
３７ ガスボンベ
３８ 圧力開放バルブ
４０ ｎ型ＧａＮ層
４１ ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層
４２ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
４３ Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸活性層
４４ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
４５ ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層
４６ ｐ型ＧａＮキャップ層
４７ 絶縁膜
４８ ｐ側のオーミック電極
４９ ｎ側のオーミック電極
５０ ｎ型ＧａＮ基板
５１ 電流狭窄リッジ導波路構造
６０ ｎ型ＧａＮ基板
６１ ｎ型ＧａＮ層
６２ 絶縁性ＧａＮ層
６３ 透明ショットキー電極
６４ オーミック電極
６５ 電極
７０ ＧａＮ基板
７１ 絶縁性ＧａＮ層
７２ ｎ型ＡｌＧａＮ層
７３ ｎ型ＧａＮ層
７４ ソース電極
７５ ドレイン電極
７６ ゲート電極
８０ ｎ型ＧａＮ基板
８１ ｎ型ＧａＮ層
８２ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
８３ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する活性層
８４ ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
８５ ｐ型ＧａＮ層
８６ 透明オーミック電極
８７ 電極
８８ ｎ側のオーミック電極
９０ 紫外発光ＬＥＤ
９１ ＹＡＧ系蛍光体
９２ 金ワイヤー
９３ レンズ
９４、９５ 電極端子
９６ 電流制限抵抗
９７ 直流電源
９８ スイッチ
１０２ 混合融液
１０３ 種結晶（例えば、ＧａＮ結晶）
１０５ 加熱装置
１０６ 窒素供給管
１１３ 気液界面
１０７ 圧力センサー
１０８ 圧力調整弁
１０９ ケーブル
１１０ 第１のシリンダー
１１１ 第１のバルブ
１２０ 第１のガス供給装置
４００ 積層構造
４０１、４０２ 光共振器面
４１１、４１２ レーザー光
６０１ 光（紫外線）
８０１ 紫外光
９０１ 白色光
９０２ 白色ＬＥＤモジュール
Claims (5)
- 反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応
容器の外部から窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴とするIII族窒化物の結晶製造方法。 - 反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、混合融液の昇温に合わせて、反応
容器の外部から不活性ガスと窒素を含む物質を反応容器内に導入して窒素を含む物質の圧力を昇圧することを特徴とするIII族窒化物の結晶製造方法。 - 反応容器内で、アルカリ金属と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族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内に窒素を含む物質と不
活性ガスとを導入した後に、反応容器を密閉し、混合融液を結晶成長温度に昇温してIII
族窒化物を結晶成長することを特徴とするIII族窒化物の結晶製造方法。 - 請求項３記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、反応容器内の窒素を含む物質と
不活性ガスの分圧が、所定の結晶成長温度で、それぞれ所定の圧力となる量の窒素を含む物質と不活性ガスを反応容器内に導入した後に、反応容器を密閉し、所定の結晶成長温度に昇温してIII族窒化物の結晶成長を行うことを特徴とするIII族窒化物の結晶製造方法。 - 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶製造方法において、
種結晶にIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物の結晶製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003392203A JP4508613B2 (ja) | 2002-11-26 | 2003-11-21 | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002342748 | 2002-11-26 | ||
| JP2003392203A JP4508613B2 (ja) | 2002-11-26 | 2003-11-21 | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010058397A Division JP5310611B2 (ja) | 2002-11-26 | 2010-03-15 | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004189590A JP2004189590A (ja) | 2004-07-08 |
| JP4508613B2 true JP4508613B2 (ja) | 2010-07-21 |
Family
ID=32774790
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003392203A Expired - Fee Related JP4508613B2 (ja) | 2002-11-26 | 2003-11-21 | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4508613B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4603498B2 (ja) | 2005-03-14 | 2010-12-22 | 株式会社リコー | Ｉｉｉ族窒化物結晶の製造方法及び製造装置 |
| TW200706710A (en) | 2005-05-12 | 2007-02-16 | Ricoh Co Ltd | Process for producing group iii element nitride crystal, apparatus for producing group iii element nitride crystal, and group iii element nitride crystal |
| JP4856934B2 (ja) | 2005-11-21 | 2012-01-18 | 株式会社リコー | ＧａＮ結晶 |
| US20070215034A1 (en) | 2006-03-14 | 2007-09-20 | Hirokazu Iwata | Crystal preparing device, crystal preparing method, and crystal |
| JP5044311B2 (ja) * | 2006-09-13 | 2012-10-10 | 日本碍子株式会社 | 窒化物単結晶の育成方法 |
| JP5129527B2 (ja) * | 2006-10-02 | 2013-01-30 | 株式会社リコー | 結晶製造方法及び基板製造方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000327495A (ja) * | 1999-05-17 | 2000-11-28 | Japan Science & Technology Corp | 窒化ガリウム単結晶の育成方法 |
| JP2001064098A (ja) * | 1999-08-24 | 2001-03-13 | Ricoh Co Ltd | 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 |
| JP2001072499A (ja) * | 1999-06-29 | 2001-03-21 | Japan Science & Technology Corp | 六方晶窒化ホウ素単結晶の育成方法 |
| JP2001119103A (ja) * | 1999-10-18 | 2001-04-27 | Ricoh Co Ltd | 結晶成長方法および結晶成長装置および立方晶系ｉｉｉ族窒化物結晶および半導体デバイス |
| JP2002326898A (ja) * | 2001-05-01 | 2002-11-12 | Ricoh Co Ltd | 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 |
-
2003
- 2003-11-21 JP JP2003392203A patent/JP4508613B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000327495A (ja) * | 1999-05-17 | 2000-11-28 | Japan Science & Technology Corp | 窒化ガリウム単結晶の育成方法 |
| JP2001072499A (ja) * | 1999-06-29 | 2001-03-21 | Japan Science & Technology Corp | 六方晶窒化ホウ素単結晶の育成方法 |
| JP2001064098A (ja) * | 1999-08-24 | 2001-03-13 | Ricoh Co Ltd | 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 |
| JP2001119103A (ja) * | 1999-10-18 | 2001-04-27 | Ricoh Co Ltd | 結晶成長方法および結晶成長装置および立方晶系ｉｉｉ族窒化物結晶および半導体デバイス |
| JP2002326898A (ja) * | 2001-05-01 | 2002-11-12 | Ricoh Co Ltd | 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004189590A (ja) | 2004-07-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7828896B2 (en) | Methods of growing a group III nitride crystal | |
| JP4422473B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物基板の製造方法 | |
| US7227172B2 (en) | Group-III-element nitride crystal semiconductor device | |
| US20100230713A1 (en) | Semiconductor light emitting element, group iii nitride semiconductor substrate and method for manufacturing such group iii nitride semiconductor substrate | |
| JP2003292400A (ja) | 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 | |
| JP4597534B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物基板の製造方法 | |
| US7255742B2 (en) | Method of manufacturing Group III nitride crystals, method of manufacturing semiconductor substrate, Group III nitride crystals, semiconductor substrate, and electronic device | |
| JP2004300024A (ja) | Ｉｉｉ族元素窒化物結晶の製造方法、それにより得られたｉｉｉ族元素窒化物結晶およびそれを用いた半導体装置 | |
| JP2002326898A (ja) | 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 | |
| CN116941016A (zh) | 半导体基板和其制造方法以及制造装置、模板基板 | |
| JP4414241B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP4508613B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP4560287B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP4784922B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物結晶製造方法 | |
| JP4300004B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP4551203B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP5310611B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP4056664B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物結晶の製造方法 | |
| JP4248276B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP5229103B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP4527496B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP2005206409A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の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およびシステム | |
| JP2005263511A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の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 | |
| JP4414247B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物の結晶製造方法 | |
| JP2003218468A (ja) | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20060201 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20060210 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060823 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081121 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081202 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090202 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20090730 |
|
| RD05 | Notification of revocation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7425 Effective date: 20090909 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091215 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100315 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20100324 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100420 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100427 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130514 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4508613 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140514 Year of fee payment: 4 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313114 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |