JP4640899B2 - Ｉｉｉ族窒化物結晶成長装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク用青紫色光源，紫外光源（ＬＤやＬＥＤ），電子写真用青紫色光源，III族窒化物電子デバイス，ＬＥＤ照明機器などに利用可能なIII族窒化物結晶成長装置に関する。
【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、ＭＯ−ＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（分子線結晶成長法）等を用いた結晶成長により作製されている。サファイアやＳｉＣを基板として用いる場合には、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなる。このために、デバイス特性が悪く、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという問題がある。
【０００３】
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 Applied Physics Vol.36(1997) Part 2, No.12A, L1568-1571」（以下、第１の従来技術という）には、図４に示すようなレーザダイオード（ＬＤ）が示されている。図４のレーザダイオードは、ＭＯ−ＶＰＥ（有機金属気相成長）装置にてサファイア基板１上にＧａＮ低温バッファ層２とＧａＮ層３を順次成長した後に、選択成長用のＳｉＯ2マスク４を形成する。このＳｉＯ2マスク４は、別のＣＶＤ（化学気相堆積）装置にて、ＳｉＯ2膜を堆積した後に、フォトリソグラフィ，エッチング工程を経て形成される。次に、このＳｉＯ2マスク４上に再度、ＭＯ−ＶＰＥ装置にて２０μｍの厚さのＧａＮ膜３’を成長することで、横方向にＧａＮが選択成長し、選択横方向成長を行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、ＳｉＯ2マスク形成工程を挟んで、ＭＯ−ＶＰＥ装置による結晶成長が２回必要となり、工程が複雑化するという問題が新たに生じる。
【０００７】
また、別の方法として、例えば文献「Applied Physics Letters, Vol.73, No.6, p.832-834(1998)」（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５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 Materials 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（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４の従来技術の場合には、６００〜８００℃程度の比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々１００ｋｇ／ｃｍ2程度と第３の従来技術に比較して圧力を低くできる点が特徴である。しかし、この第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６，図７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６を参照すると、（１１１）ＧａＡｓ基板６０上に第１の従来技術と同様にＳｉＯ2膜やＳｉＮ膜をマスク６１として、ＧａＮ膜６３を７０μｍ〜１ｍｍの厚さに選択成長する（図６（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６（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７（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７（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ＳｉＯ2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−ＶＰＥ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，第２，第５あるいは第６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族窒化物結晶成長装置を提供することを目的としている。
【００１７】
また、本発明は、III族原料を反応容器内に継続的に安定して供給し、所望の大きさの高品質のIII族窒化物結晶を成長させることの可能なIII族窒化物結晶成長装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【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、反応容器と、該反応容器内に配置され、III族原料とアルカリ金属とを含む混合融液を保持する混合融液保持容器と、少なくとも窒素を含む物質を前記反応容器に供給する供給手段と、前記反応容器の外部から前記混合融液保持容器にIII族原料を補給する補給手段と、を備える結晶製造装置であって、前記補給手段は、前記III族原料を保持するIII族原料保持容器と、前記III族原料を融点以上に加熱する加熱手段と、前記混合融液保持容器と前記III族原料保持容器との間に設置されたIII族原料を送液するポンプと、前記混合融液保持容器と前記ポンプ、前記ポンプと前記III族原料保持容器をそれぞれ連結する供給管とを備えており、前記ポンプは、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動する前記ロッドによって前記III族原料を送液する構成を成し、前記モーターの回転速度を調整することで送液速度が制御可能であり、前記ポンプ内には、前記混合融液保持容器から前記ポンプへの前記III族原料の逆流を防ぐための逆止弁が備えられており、前記逆止弁は、ボールで流路を塞ぐことにより逆流を防止する構造をなし、前記ボールは前記III族原料の密度よりも大きいステンレスからなることを特徴としている。
【００２７】
【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。図１は本発明に係るIII族窒化物結晶成長装置の構成例を示す図である。
【００２８】
図１を参照すると、反応容器１０１内には、アルカリ金属(例えば、Ｎａ)と少なくともIII族金属(例えば、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。
【００２９】
なお、アルカリ金属(例えば、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）を供給するための窒素供給管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。
【００３２】
また、窒素供給管１０４には、窒素ガスの圧力を調整するために圧力調整機構１０５が設けられている。なお、この圧力調整機構１０５は、圧力センサー及び圧力調整弁等から構成されている。
【００３３】
また、反応容器１０１には、III族窒化物（例えば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第１の加熱装置１０６が設けられている。すなわち、第１の加熱装置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。
【００３４】
また、図１のIII族窒化物結晶成長装置には、少なくともIII族金属を含む物質（以下、III族原料と称す）を反応容器１０１内の外部から反応容器１０１に供給するために、反応容器１０１の外部には、III族原料を収容する容器１１０が設けられている。具体的に、この容器１１０内には、反応容器１０１内で消費されるIII族金属分（例えば、ＧａとＮとからＧａＮを結晶成長させる場合のＧａ消費分）を補うことができる程度の量のIII族原料（例えば、金属Ｇａ）が収容されている。ここで、容器１１０に収容されているIII族原料（例えば、金属Ｇａ）は、後述の第２の加熱装置１１２によって液体状態のものにすることができる。
【００３５】
そして、この容器１１０と反応容器１０１との間は、第１の供給管１０７と第２の供給管１０９とにより接続されており、供給管１０７，１０９を通じて、III族原料を反応容器１０１内の混合融液保持容器１０２に供給することが可能となっている。
【００３６】
また、容器１１０に収容されているIII族材料を供給管１０７，１０９を通して反応容器１０１内に継続的に安定して供給するため、図１のIII族窒化物結晶成長装置には、第１の供給管１０７と第２の供給管１０９との間に、ポンプ（送液ポンプ）１０８が設けられている。このポンプ１０８には、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによって液体状態のIII族原料（少なくともIII族金属を含む物質），例えば液体状態の金属Ｇａを反応容器の外部から反応容器内に送り込む型式のものが用いられる。
【００３７】
図２はポンプ１０８の構成例を示す図である。なお、図２において、容器１１０は、第２の供給管１０９の上流側（この図の右側）に位置しており、また、反応容器１０１は、第１の供給管１０７の下流側（この図の左側）に位置している。
【００３８】
図２を参照すると、ポンプ１０８内には、モーター２０１が設けられており、モーター２０１は、電気信号を回転運動に変換して回転軸２０２に伝達するようになっている。回転軸２０２は、カム２０３の中心からずれたところで（偏心して）、カム２０３と結合している。ここで、カム２０３の平面形状は楕円となっている。また、カム２０３の側面には、ロッド２０４が常に接触している。このような構成では、モーター２０１により回転軸２０２が回転し、カム２０３が回転することで、ロッド２０４は、矢印Ａ１またはＡ２の方向に直進運動する。
【００３９】
また、このロッド２０４は、Ｔ字型の第３の供給管２０５の１つの管部分２０５ａ内に挿入されている。そして、この第３の供給管２０５の他の管部分２０５ｂ，２０５ｃは、それぞれ、第１の逆止弁２０６，第２の逆止弁２０７につながっている。そして、第１の逆止弁２０６の下流側（この図の左側）は、第１の供給管１０７に接続され、また、第２の逆止弁２０７の上流側（この図の右側）は、第２の供給管１０９に接続されている。
【００４０】
第１の逆止弁２０６，第２の逆止弁２０７内には、スプリング２０８，２０９とボール２１０，２１１が各々設置されている。第１の逆止弁２０６，第２の逆止弁２０７の内部構造は、図２に示されているように、スプリング２０８，２０９が下流部（この図の左側）、ボール２１０，２１１が上流部（この図の右側）に配置されており、スプリング２０８，２０９はボール２１０，２１１を下流方向から上流方向に付勢している。これにより、ボール２１０，２１１が逆止弁２０６，２０７の上流側で止まるような構造となっている。ボール２１０，２１１が第１の逆止弁２０６の開口２０６ａ，第２の逆止弁２０７の開口２０７ａに接した場合には、下流側と上流側が遮断され、液体状態のIII族原料は下流側から上流側には流れないようになっている（逆流を防止するようになっている）。
【００４１】
このような構成のポンプ１０８では、ロッド２０４が矢印Ａ２の方向（引く方向）に動いた場合には、第３の供給管２０５内は減圧状態となり、第３の供給管２０５内には容器１１０から液体状態のIII族原料が引き込まれる。このとき、第１の逆止弁２０６はボール２１０が上流方向に動くことで逆流を防ぎ、第２の逆止弁２０７のボール２１１は下流方向に動き、容器１１０から液体状態のIII族原料を引き込むことができる。
【００４２】
また、これとは反対に、ロッド２０４が矢印Ａ１の方向（押す方向）に動いた場合には、第３の供給管２０５内は加圧状態となり、容器１１０から引き込んだ液体状態のIII族原料を下流（反応容器１０１側）に押し出すこととなる。このとき、第１の逆止弁２０６はボール２１０が下流方向に動き、液体状態のIII族原料を反応容器１０１に向けて供給することができ、また、第２の逆止弁２０７のボール２１１は上流方向に動くことで、液体状態のIII族原料の逆流を防ぐことができる。
【００４３】
このようなポンプ１０８を設ける場合には、ロッド２０４の動く速度、即ちモーター２０１の回転速度を調整することで、反応容器１０１の外部から反応容器１０１内への液体状態のIII族原料の送液速度を制御することが可能となる。
【００４４】
このようにしてポンプ１０８を設け、反応容器１０１内への液体状態のIII族原料の送液速度を制御して、III族原料を反応容器１０１内に安定して供給することができる。
【００４５】
なお、ここで、本願の発明者らは、逆止弁２０６，２０７のボール２１０，２１１の材質が重要であることを実験的に確認した。すなわち、逆止弁２０６，２０７のボール２１０，２１１の材質の密度が、送液するIII族原料の密度よりも大きいことが必要であることを確認した。実際、ボール２１０，２１１の材質として、ステンレス（密度が８ｇ／ｃｍ3），サファイアやガラス（密度が４ｇ／ｃｍ3）を用いて実験した。なお、III族原料の密度（例えば、金属Ｇａの密度）は６ｇ／ｃｍ3程度である。この実験の結果、ボール２１０，２１１の材質として、III族原料の密度よりも大きな密度のステンレスを用いることで、逆止弁２０６，２０７は、前述したように問題なく、動作することが確認できた。これに対し、ボール２１０，２１１の材質として、III族原料の密度よりも小さな密度のサファイアやガラス等を用いた場合、逆止弁２０６，２０７は動作せず、液体状態のIII族原料が逆流してしまうことがわかった。
【００４６】
なお、本発明において、ボールとは、球状の形状のみならず、楕円形あるいは多角形などの立体形状を有するものをも含むものとする。
【００４７】
また、図１のIII族窒化物結晶成長装置には、第１の供給管１０７，第２の供給管１０９，ポンプ１０８，容器１１０を加熱制御するための第２の加熱装置１１２が設けられている。この第２の加熱装置１１２によって、第１の供給管１０７，第２の供給管１０９，ポンプ１０８，容器１１０の温度を４０℃程度に設定することができ、この場合、容器１１０に収容されているIII族原料（少なくともIII族金属を含む物質）、および、容器１１０から第２の供給管１０９，ポンプ１０８，第１の供給管１０７を通って反応容器１０１に送られるまでのIII族原料（少なくともIII族金属を含む物質）は、全て液体状態となる。
【００４８】
図１のIII族窒化物結晶成長装置では、反応容器１０１内の温度および実効窒素分圧を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を開始させることができる。
【００４９】
具体的に、反応容器１０１内の窒素圧力を５０気圧にし、反応容器１０１内の温度を結晶成長が開始する温度７５０℃まで昇温する。この成長条件を一定時間保持することで、III族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ結晶）１１１が混合融液保持容器１０２内に成長する。
【００５０】
このとき、図１のIII族窒化物結晶成長装置では、III族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ）１１１が結晶成長することにより消費した分のIII族金属（例えばＧａ）を補うためのIII族原料（例えば、Ｇａ）をポンプ１０８を用いて、容器１１０内から第２の供給管１０９，第１の供給管１０７を通して反応容器１０１内に液体状態で供給することができる。また、消費した分の窒素を補うための窒素を、窒素ガスの状態で窒素ガス供給管１０４を介して供給することができる。
【００５１】
このように、III族窒化物結晶の成長が開始して以降、III族原料（少なくともIII族金属を含む物質）を反応容器１０１内に送り込むことで、継続的にIII族窒化物結晶を成長させることができる。
【００５２】
このようにしてポンプ１０８を設け、反応容器１０１内へのIII族原料の送液速度を制御して、III族原料を反応容器１０１内に安定して供給することで、III族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ結晶）１１１を継続的に安定して成長させることができ、大きな寸法のIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）を成長させることができる。
【００５３】
以上のように、本発明のIII族窒化物結晶成長装置，III族窒化物結晶成長方法では、反応容器１０１内において、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質との混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素から構成されるIII族窒化物を結晶成長させるようにしているので、第１あるいは第２の従来技術のように複雑な工程を必要とせず、低コストで高品質なIII族窒化物結晶を得ることができる。
【００５４】
さらに、成長温度が１０００℃以下と低く、圧力も１００気圧程度以下と低い条件下で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族窒化物結晶を作製することが可能となる。
【００５５】
さらに、本発明では、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによって少なくともIII族金属を含む物質を反応容器の外部から反応容器内に送り込むポンプ１０８を設け、反応容器１０１内へのIII族原料の送液速度を制御して、III族原料を反応容器１０１内に安定して供給することで、III族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ結晶）１１１を継続的に安定して成長させることができ、大きな寸法のIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）を成長させることができる。
【００５６】
本発明のIII族窒化物結晶成長装置， III族窒化物結晶成長方法を用いて結晶成長させたIII族窒化物結晶は、高品質のものであり、このIII族窒化物結晶を用いて作製したIII族窒化物半導体デバイスは、良好な特性を有するものとなる。
【００５７】
具体的に、従来技術では、ＧａＮ膜の発光スペクトルが深い順位からの発光が支配的となり、４００ｎｍより短い波長ではデバイス特性が悪いという問題があったが、本発明では、紫外領域でも良好な特性を有する発光デバイスを提供することができる。
【００５８】
図３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３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３の半導体レーザは、本発明のIII族窒化物結晶成長装置， 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３０１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０２、ｎ型ＧａＮガイド層３０３、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層３０４、ｐ型ＧａＮガイド層３０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０７が順次に結晶成長されて積層されている。
【００５９】
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。
【００６０】
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、ＳｉＯ2絶縁膜３０８がコンタクト層３０７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）３０９及びｎ側オーミック電極（Ａｌ／Ｔｉ）３１０が形成されている。
【００６１】
この半導体レーザでは、ｐ側オーミック電極３０９及びｎ側オーミック電極３１０から電流を注入することで、レーザ発振し、図３の矢印方向にレーザ光が出射される。
【００６２】
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４）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。
【００６３】
なお、上述の例では、ＩｎＧａＮ ＭＱＷを活性層３０４としたが、ＡｌＧａＮ ＭＱＷを活性層３０４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。
【００６４】
また、上述の例では、本発明を光デバイスへ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ＧａＮ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。
【００６５】
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。
【００６６】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１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ようになっているので、第１，第２，第５あるいは第６の従来技術のような複雑な工程を必要とせず、低コストで高品質なIII族窒化物結晶及びそれを用いた半導体デバイスを実現することが可能となる。
【００６７】
さらに、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く、その結果、低コストでのIII族窒化物結晶及びそれを用いた半導体デバイスを実現することが可能となる。
【００６８】
さらに、請求項１記載の発明によれば、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによって少なくともIII族金属を含む物質を反応容器の外部から反応容器内に送り込むポンプを備えていることにより、少なくともIII族金属を含む物質をポンプを用いて継続的に反応容器内に送ることができる。従って、III族窒化物結晶を継続的に安定して成長させることが可能となり、所望の大きさの高品質のIII族窒化物結晶を得ることができる。
【００６９】
特に、請求項１記載の発明では、少なくともIII族金属を含む物質を反応容器内に送り込む前記ポンプ内には、逆止弁が設けられており、該逆止弁は、反応容器からポンプへの少なくともIII族金属を含む物質の逆流を防ぐためのIII族原料の密度よりも大きいステンレスからなるボールを有しているので、少なくともIII族金属を含む物質の逆流を防止することが可能となり、少なくともIII族金属を含む物質を反応容器内へ継続的に送り込むことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るIII族窒化物結晶成長装置の構成例を示す図である。
【図２】ポンプの構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体デバイスの構成例を示す図である。
【図４】従来のレーザダイオードを示す図である。
【図５】従来の半導体レーザを示す図である。
【図６】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７】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。
【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 窒素供給管
１０５ 圧力調整機構
１０６ 第１の加熱装置
１０７ 第１の供給管
１０８ ポンプ
１０９ 第２の供給管
１１０ 容器
１１１ III族窒化物結晶
１１２ 第２の加熱装置
２０１ モーター
２０２ 回転軸
２０３ カム
２０４ ロッド
２０５ 第３の供給管
２０６ 第１の逆止弁
２０７ 第２の逆止弁
２０８、２０９ スプリング
２１０、２１１ ボール
３０１ ｎ型ＧａＮ基板
３０２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０３ ｎ型ＧａＮガイド層
３０４ ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層
３０５ ｐ型ＧａＮガイド層
３０６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０８ ＳｉＯ2絶縁膜
３０９ ｐ側オーミック電極
３１０ ｎ側オーミック電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク用青紫色光源，紫外光源（ＬＤやＬＥＤ），電子写真用青紫色光源，III族窒化物電子デバイス，ＬＥＤ照明機器などに利用可能なIII族窒化物結晶成長装置に関する。
【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、ＭＯ−ＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（分子線結晶成長法）等を用いた結晶成長により作製されている。サファイアやＳｉＣを基板として用いる場合には、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなる。このために、デバイス特性が悪く、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという問題がある。
【０００３】
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 Applied Physics Vol.36(1997) Part 2, No.12A, L1568-1571」（以下、第１の従来技術という）には、図４に示すようなレーザダイオード（ＬＤ）が示されている。図４のレーザダイオードは、ＭＯ−ＶＰＥ（有機金属気相成長）装置にてサファイア基板１上にＧａＮ低温バッファ層２とＧａＮ層３を順次成長した後に、選択成長用のＳｉＯ2マスク４を形成する。このＳｉＯ2マスク４は、別のＣＶＤ（化学気相堆積）装置にて、ＳｉＯ2膜を堆積した後に、フォトリソグラフィ，エッチング工程を経て形成される。次に、このＳｉＯ2マスク４上に再度、ＭＯ−ＶＰＥ装置にて２０μｍの厚さのＧａＮ膜３’を成長することで、横方向にＧａＮが選択成長し、選択横方向成長を行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、ＳｉＯ2マスク形成工程を挟んで、ＭＯ−ＶＰＥ装置による結晶成長が２回必要となり、工程が複雑化するという問題が新たに生じる。
【０００７】
また、別の方法として、例えば文献「Applied Physics Letters, Vol.73, No.6, p.832-834(1998)」（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５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 Materials 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（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４の従来技術の場合には、６００〜８００℃程度の比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々１００ｋｇ／ｃｍ2程度と第３の従来技術に比較して圧力を低くできる点が特徴である。しかし、この第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６，図７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６を参照すると、（１１１）ＧａＡｓ基板６０上に第１の従来技術と同様にＳｉＯ2膜やＳｉＮ膜をマスク６１として、ＧａＮ膜６３を７０μｍ〜１ｍｍの厚さに選択成長する（図６（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６（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７（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７（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ＳｉＯ2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−ＶＰＥ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，第２，第５あるいは第６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族窒化物結晶成長装置を提供することを目的としている。
【００１７】
また、本発明は、III族原料を反応容器内に継続的に安定して供給し、所望の大きさの高品質のIII族窒化物結晶を成長させることの可能なIII族窒化物結晶成長装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【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、反応容器と、該反応容器内に配置され、III族原料とアルカリ金属とを含む混合融液を保持する混合融液保持容器と、少なくとも窒素を含む物質を前記反応容器に供給する供給手段と、前記反応容器の外部から前記混合融液保持容器にIII族原料を補給する補給手段と、を備える結晶製造装置であって、前記補給手段は、前記III族原料を保持するIII族原料保持容器と、前記III族原料を融点以上に加熱する加熱手段と、前記混合融液保持容器と前記III族原料保持容器との間に設置されたIII族原料を送液するポンプと、前記混合融液保持容器と前記ポンプ、前記ポンプと前記III族原料保持容器をそれぞれ連結する供給管とを備えており、前記ポンプは、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動する前記ロッドによって前記III族原料を送液する構成を成し、前記モーターの回転速度を調整することで送液速度が制御可能であり、前記ポンプ内には、前記混合融液保持容器から前記ポンプへの前記III族原料の逆流を防ぐための逆止弁が備えられており、前記逆止弁は、ボールで流路を塞ぐことにより逆流を防止する構造をなし、前記ボールは前記III族原料の密度よりも大きいステンレスからなることを特徴としている。
【００２７】
【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。図１は本発明に係るIII族窒化物結晶成長装置の構成例を示す図である。
【００２８】
図１を参照すると、反応容器１０１内には、アルカリ金属(例えば、Ｎａ)と少なくともIII族金属(例えば、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。
【００２９】
なお、アルカリ金属(例えば、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）を供給するための窒素供給管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。
【００３２】
また、窒素供給管１０４には、窒素ガスの圧力を調整するために圧力調整機構１０５が設けられている。なお、この圧力調整機構１０５は、圧力センサー及び圧力調整弁等から構成されている。
【００３３】
また、反応容器１０１には、III族窒化物（例えば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第１の加熱装置１０６が設けられている。すなわち、第１の加熱装置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。
【００３４】
また、図１のIII族窒化物結晶成長装置には、少なくともIII族金属を含む物質（以下、III族原料と称す）を反応容器１０１内の外部から反応容器１０１に供給するために、反応容器１０１の外部には、III族原料を収容する容器１１０が設けられている。具体的に、この容器１１０内には、反応容器１０１内で消費されるIII族金属分（例えば、ＧａとＮとからＧａＮを結晶成長させる場合のＧａ消費分）を補うことができる程度の量のIII族原料（例えば、金属Ｇａ）が収容されている。ここで、容器１１０に収容されているIII族原料（例えば、金属Ｇａ）は、後述の第２の加熱装置１１２によって液体状態のものにすることができる。
【００３５】
そして、この容器１１０と反応容器１０１との間は、第１の供給管１０７と第２の供給管１０９とにより接続されており、供給管１０７，１０９を通じて、III族原料を反応容器１０１内の混合融液保持容器１０２に供給することが可能となっている。
【００３６】
また、容器１１０に収容されているIII族材料を供給管１０７，１０９を通して反応容器１０１内に継続的に安定して供給するため、図１のIII族窒化物結晶成長装置には、第１の供給管１０７と第２の供給管１０９との間に、ポンプ（送液ポンプ）１０８が設けられている。このポンプ１０８には、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによって液体状態のIII族原料（少なくともIII族金属を含む物質），例えば液体状態の金属Ｇａを反応容器の外部から反応容器内に送り込む型式のものが用いられる。
【００３７】
図２はポンプ１０８の構成例を示す図である。なお、図２において、容器１１０は、第２の供給管１０９の上流側（この図の右側）に位置しており、また、反応容器１０１は、第１の供給管１０７の下流側（この図の左側）に位置している。
【００３８】
図２を参照すると、ポンプ１０８内には、モーター２０１が設けられており、モーター２０１は、電気信号を回転運動に変換して回転軸２０２に伝達するようになっている。回転軸２０２は、カム２０３の中心からずれたところで（偏心して）、カム２０３と結合している。ここで、カム２０３の平面形状は楕円となっている。また、カム２０３の側面には、ロッド２０４が常に接触している。このような構成では、モーター２０１により回転軸２０２が回転し、カム２０３が回転することで、ロッド２０４は、矢印Ａ１またはＡ２の方向に直進運動する。
【００３９】
また、このロッド２０４は、Ｔ字型の第３の供給管２０５の１つの管部分２０５ａ内に挿入されている。そして、この第３の供給管２０５の他の管部分２０５ｂ，２０５ｃは、それぞれ、第１の逆止弁２０６，第２の逆止弁２０７につながっている。そして、第１の逆止弁２０６の下流側（この図の左側）は、第１の供給管１０７に接続され、また、第２の逆止弁２０７の上流側（この図の右側）は、第２の供給管１０９に接続されている。
【００４０】
第１の逆止弁２０６，第２の逆止弁２０７内には、スプリング２０８，２０９とボール２１０，２１１が各々設置されている。第１の逆止弁２０６，第２の逆止弁２０７の内部構造は、図２に示されているように、スプリング２０８，２０９が下流部（この図の左側）、ボール２１０，２１１が上流部（この図の右側）に配置されており、スプリング２０８，２０９はボール２１０，２１１を下流方向から上流方向に付勢している。これにより、ボール２１０，２１１が逆止弁２０６，２０７の上流側で止まるような構造となっている。ボール２１０，２１１が第１の逆止弁２０６の開口２０６ａ，第２の逆止弁２０７の開口２０７ａに接した場合には、下流側と上流側が遮断され、液体状態のIII族原料は下流側から上流側には流れないようになっている（逆流を防止するようになっている）。
【００４１】
このような構成のポンプ１０８では、ロッド２０４が矢印Ａ２の方向（引く方向）に動いた場合には、第３の供給管２０５内は減圧状態となり、第３の供給管２０５内には容器１１０から液体状態のIII族原料が引き込まれる。このとき、第１の逆止弁２０６はボール２１０が上流方向に動くことで逆流を防ぎ、第２の逆止弁２０７のボール２１１は下流方向に動き、容器１１０から液体状態のIII族原料を引き込むことができる。
【００４２】
また、これとは反対に、ロッド２０４が矢印Ａ１の方向（押す方向）に動いた場合には、第３の供給管２０５内は加圧状態となり、容器１１０から引き込んだ液体状態のIII族原料を下流（反応容器１０１側）に押し出すこととなる。このとき、第１の逆止弁２０６はボール２１０が下流方向に動き、液体状態のIII族原料を反応容器１０１に向けて供給することができ、また、第２の逆止弁２０７のボール２１１は上流方向に動くことで、液体状態のIII族原料の逆流を防ぐことができる。
【００４３】
このようなポンプ１０８を設ける場合には、ロッド２０４の動く速度、即ちモーター２０１の回転速度を調整することで、反応容器１０１の外部から反応容器１０１内への液体状態のIII族原料の送液速度を制御することが可能となる。
【００４４】
このようにしてポンプ１０８を設け、反応容器１０１内への液体状態のIII族原料の送液速度を制御して、III族原料を反応容器１０１内に安定して供給することができる。
【００４５】
なお、ここで、本願の発明者らは、逆止弁２０６，２０７のボール２１０，２１１の材質が重要であることを実験的に確認した。すなわち、逆止弁２０６，２０７のボール２１０，２１１の材質の密度が、送液するIII族原料の密度よりも大きいことが必要であることを確認した。実際、ボール２１０，２１１の材質として、ステンレス（密度が８ｇ／ｃｍ3），サファイアやガラス（密度が４ｇ／ｃｍ3）を用いて実験した。なお、III族原料の密度（例えば、金属Ｇａの密度）は６ｇ／ｃｍ3程度である。この実験の結果、ボール２１０，２１１の材質として、III族原料の密度よりも大きな密度のステンレスを用いることで、逆止弁２０６，２０７は、前述したように問題なく、動作することが確認できた。これに対し、ボール２１０，２１１の材質として、III族原料の密度よりも小さな密度のサファイアやガラス等を用いた場合、逆止弁２０６，２０７は動作せず、液体状態のIII族原料が逆流してしまうことがわかった。
【００４６】
なお、本発明において、ボールとは、球状の形状のみならず、楕円形あるいは多角形などの立体形状を有するものをも含むものとする。
【００４７】
また、図１のIII族窒化物結晶成長装置には、第１の供給管１０７，第２の供給管１０９，ポンプ１０８，容器１１０を加熱制御するための第２の加熱装置１１２が設けられている。この第２の加熱装置１１２によって、第１の供給管１０７，第２の供給管１０９，ポンプ１０８，容器１１０の温度を４０℃程度に設定することができ、この場合、容器１１０に収容されているIII族原料（少なくともIII族金属を含む物質）、および、容器１１０から第２の供給管１０９，ポンプ１０８，第１の供給管１０７を通って反応容器１０１に送られるまでのIII族原料（少なくともIII族金属を含む物質）は、全て液体状態となる。
【００４８】
図１のIII族窒化物結晶成長装置では、反応容器１０１内の温度および実効窒素分圧を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を開始させることができる。
【００４９】
具体的に、反応容器１０１内の窒素圧力を５０気圧にし、反応容器１０１内の温度を結晶成長が開始する温度７５０℃まで昇温する。この成長条件を一定時間保持することで、III族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ結晶）１１１が混合融液保持容器１０２内に成長する。
【００５０】
このとき、図１のIII族窒化物結晶成長装置では、III族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ）１１１が結晶成長することにより消費した分のIII族金属（例えばＧａ）を補うためのIII族原料（例えば、Ｇａ）をポンプ１０８を用いて、容器１１０内から第２の供給管１０９，第１の供給管１０７を通して反応容器１０１内に液体状態で供給することができる。また、消費した分の窒素を補うための窒素を、窒素ガスの状態で窒素ガス供給管１０４を介して供給することができる。
【００５１】
このように、III族窒化物結晶の成長が開始して以降、III族原料（少なくともIII族金属を含む物質）を反応容器１０１内に送り込むことで、継続的にIII族窒化物結晶を成長させることができる。
【００５２】
このようにしてポンプ１０８を設け、反応容器１０１内へのIII族原料の送液速度を制御して、III族原料を反応容器１０１内に安定して供給することで、III族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ結晶）１１１を継続的に安定して成長させることができ、大きな寸法のIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）を成長させることができる。
【００５３】
以上のように、本発明のIII族窒化物結晶成長装置，III族窒化物結晶成長方法では、反応容器１０１内において、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質との混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素から構成されるIII族窒化物を結晶成長させるようにしているので、第１あるいは第２の従来技術のように複雑な工程を必要とせず、低コストで高品質なIII族窒化物結晶を得ることができる。
【００５４】
さらに、成長温度が１０００℃以下と低く、圧力も１００気圧程度以下と低い条件下で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族窒化物結晶を作製することが可能となる。
【００５５】
さらに、本発明では、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによって少なくともIII族金属を含む物質を反応容器の外部から反応容器内に送り込むポンプ１０８を設け、反応容器１０１内へのIII族原料の送液速度を制御して、III族原料を反応容器１０１内に安定して供給することで、III族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ結晶）１１１を継続的に安定して成長させることができ、大きな寸法のIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）を成長させることができる。
【００５６】
本発明のIII族窒化物結晶成長装置， III族窒化物結晶成長方法を用いて結晶成長させたIII族窒化物結晶は、高品質のものであり、このIII族窒化物結晶を用いて作製したIII族窒化物半導体デバイスは、良好な特性を有するものとなる。
【００５７】
具体的に、従来技術では、ＧａＮ膜の発光スペクトルが深い順位からの発光が支配的となり、４００ｎｍより短い波長ではデバイス特性が悪いという問題があったが、本発明では、紫外領域でも良好な特性を有する発光デバイスを提供することができる。
【００５８】
図３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３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３の半導体レーザは、本発明のIII族窒化物結晶成長装置， 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３０１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０２、ｎ型ＧａＮガイド層３０３、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層３０４、ｐ型ＧａＮガイド層３０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０７が順次に結晶成長されて積層されている。
【００５９】
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。
【００６０】
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、ＳｉＯ2絶縁膜３０８がコンタクト層３０７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）３０９及びｎ側オーミック電極（Ａｌ／Ｔｉ）３１０が形成されている。
【００６１】
この半導体レーザでは、ｐ側オーミック電極３０９及びｎ側オーミック電極３１０から電流を注入することで、レーザ発振し、図３の矢印方向にレーザ光が出射される。
【００６２】
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４）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。
【００６３】
なお、上述の例では、ＩｎＧａＮ ＭＱＷを活性層３０４としたが、ＡｌＧａＮ ＭＱＷを活性層３０４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。
【００６４】
また、上述の例では、本発明を光デバイスへ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ＧａＮ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。
【００６５】
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。
【００６６】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１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ようになっているので、第１，第２，第５あるいは第６の従来技術のような複雑な工程を必要とせず、低コストで高品質なIII族窒化物結晶及びそれを用いた半導体デバイスを実現することが可能となる。
【００６７】
さらに、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く、その結果、低コストでのIII族窒化物結晶及びそれを用いた半導体デバイスを実現することが可能となる。
【００６８】
さらに、請求項１記載の発明によれば、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動するロッドによって少なくともIII族金属を含む物質を反応容器の外部から反応容器内に送り込むポンプを備えていることにより、少なくともIII族金属を含む物質をポンプを用いて継続的に反応容器内に送ることができる。従って、III族窒化物結晶を継続的に安定して成長させることが可能となり、所望の大きさの高品質のIII族窒化物結晶を得ることができる。
【００６９】
特に、請求項１記載の発明では、少なくともIII族金属を含む物質を反応容器内に送り込む前記ポンプ内には、逆止弁が設けられており、該逆止弁は、反応容器からポンプへの少なくともIII族金属を含む物質の逆流を防ぐためのIII族原料の密度よりも大きいステンレスからなるボールを有しているので、少なくともIII族金属を含む物質の逆流を防止することが可能となり、少なくともIII族金属を含む物質を反応容器内へ継続的に送り込むことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るIII族窒化物結晶成長装置の構成例を示す図である。
【図２】ポンプの構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体デバイスの構成例を示す図である。
【図４】従来のレーザダイオードを示す図である。
【図５】従来の半導体レーザを示す図である。
【図６】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７】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。
【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 窒素供給管
１０５ 圧力調整機構
１０６ 第１の加熱装置
１０７ 第１の供給管
１０８ ポンプ
１０９ 第２の供給管
１１０ 容器
１１１ III族窒化物結晶
１１２ 第２の加熱装置
２０１ モーター
２０２ 回転軸
２０３ カム
２０４ ロッド
２０５ 第３の供給管
２０６ 第１の逆止弁
２０７ 第２の逆止弁
２０８、２０９ スプリング
２１０、２１１ ボール
３０１ ｎ型ＧａＮ基板
３０２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０３ ｎ型ＧａＮガイド層
３０４ ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層
３０５ ｐ型ＧａＮガイド層
３０６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０８ ＳｉＯ2絶縁膜
３０９ ｐ側オーミック電極
３１０ ｎ側オーミック電極
Claims (1)
- 反応容器と、該反応容器内に配置され、III族原料とアルカリ金属とを含む混合融液を保持する混合融液保持容器と、
少なくとも窒素を含む物質を前記反応容器に供給する供給手段と、
前記反応容器の外部から前記混合融液保持容器にIII族原料を補給する補給手段と、
を備える結晶製造装置であって、
前記補給手段は、前記III族原料を保持するIII族原料保持容器と、前記III族原料を融点以上に加熱する加熱手段と、前記混合融液保持容器と前記III族原料保持容器との間に設置されたIII族原料を送液するポンプと、前記混合融液保持容器と前記ポンプ、前記ポンプと前記III族原料保持容器をそれぞれ連結する供給管とを備えており、
前記ポンプは、モーターの回転運動をロッドの直進運動に変換し、直進運動する前記ロッドによって前記III族原料を送液する構成を成し、前記モーターの回転速度を調整することで送液速度が制御可能であり、
前記ポンプ内には、前記混合融液保持容器から前記ポンプへの前記III族原料の逆流を防ぐための逆止弁が備えられており、
前記逆止弁は、ボールで流路を塞ぐことにより逆流を防止する構造をなし、
前記ボールは前記III族原料の密度よりも大きいステンレスからなることを特徴とするIII族窒化物結晶製造装置。
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