本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による結晶成長装置の概略断面図である。図1を参照して、この発明の実施の形態1による結晶成長装置100は、坩堝10と、内部反応容器20と、配管30,200と、ベローズ40と、支持装置50と、抑制/導入栓60と、加熱装置70,80と、温度センサー71,81と、ガス供給管90,110,250,310と、バルブ120,160,320,330,360,390と、圧力調整器130と、ガスボンベ140,270と、排気管150,380と、真空ポンプ170と、圧力センサー180,340,350と、金属融液190と、熱電対210と、上下機構220と、振動印加装置230と、振動検出装置240と、流量計260と、温度制御装置280と、外部反応容器300と、制御装置370とを備える。
坩堝10は、略円柱形状を有し、ボロンナイトライド(BN)またはSUS316Lからなる。内部反応容器20は、坩堝10と所定の間隔を隔てて坩堝10の周囲に配置される。そして、内部反応容器20は、本体部21と、蓋部22とからなる。本体部21および蓋部22の各々は、SUS316Lからなり、本体部21と蓋部22との間は、メタルオーリングによってシールされる。
配管30は、重力方向DR1において、坩堝10の下側で内部反応容器20に連結される。ベローズ40は、重力方向DR1において、坩堝10の上側で内部反応容器20に連結される。支持装置50は、中空の筒形状からなり、一部がベローズ40を介して内部反応容器20の空間23内へ挿入される。
抑制/導入栓60は、たとえば、金属およびセラミック等からなり、内部反応容器20と配管30との連結部よりも下側の配管30内に保持される。
加熱装置70は、内部反応容器20の外周面20Aを囲むように配置される。加熱装置80は、内部反応容器20の底面20Bに対向して配置される。温度センサー71,81は、それぞれ、加熱装置70,80に近接して配置される。
ガス供給管90は、一方端がバルブ120を介して内部反応容器20に連結され、他方端が圧力調整器130を介してガスボンベ140に連結される。ガス供給管110は、一方端が配管30に連結され、他方端がガス供給管90に連結される。
バルブ120は、内部反応容器20の近傍でガス供給管90に装着される。圧力調整器130は、ガスボンベ140の近傍でガス供給管90に装着される。ガスボンベ140は、ガス供給管90に連結される。
排気管150は、一方端がバルブ160を介して内部反応容器20に連結され、他方端が真空ポンプ170に連結される。バルブ160は、内部反応容器20の近傍で排気管150に装着される。真空ポンプ170は、排気管150に連結される。
圧力センサー180は、内部反応容器20に取り付けられる。金属融液190は、金属ナトリウム(金属Na)融液からなり、坩堝10と内部反応容器20との間および配管30内に保持される。
配管200および熱電対210は、支持装置50の内部に挿入される。上下機構220は、ベローズ40の上側において支持装置50に取り付けられる。ガス供給管250は、一方端が配管200に連結され、他方端が流量計260を介してガスボンベ270に連結される。流量計260は、ガスボンベ270の近傍でガス供給管250に装着される。ガスボンベ270は、ガス供給管250に連結される。
外部反応容器300は、内部反応容器20、配管30、ベローズ40、支持装置50、および加熱装置70,80の周囲に配置される。ガス供給管310は、一方端がバルブ320を介して外部反応容器300に連結され、他方端がガス供給管90に連結される。
バルブ320は、外部反応容器300の近傍においてガス供給管310に装着される。バルブ330は、配管30の近傍においてガス供給管110に装着される。圧力センサー340は、抑制/導入栓60の近傍で配管30に取り付けられる。圧力センサー350は、外部反応容器300に取り付けられる。バルブ360は、外部反応容器300に取り付けられる。
排気管380は、その一方端がバルブ390を介して外部反応容器300に連結され、他方端が真空ポンプ170に連結される。バルブ390は、外部反応容器300の近傍において排気管380に装着される。
坩堝10は、金属Naと、金属ガリウム(金属Ga)とを含む混合融液290を保持する。内部反応容器20は、坩堝10の周囲を覆う。配管30は、ガス供給管90,110を介してガスボンベ140から供給された窒素ガス(N2ガス)を抑制/導入栓60に導く。
ベローズ40は、支持装置50を保持するとともに、内部反応容器20の内部と外部とを遮断する。また、ベローズ40は、支持装置50の重力方向DR1への移動に伴って重力方向DR1に伸縮する。支持装置50は、内部反応容器20内に挿入された一方端にGaN結晶からなる種結晶5を支持する。
抑制/導入栓60は、配管30の内壁との間に数十μmの孔が形成されるように外周面に凹凸構造を有し、配管30内の窒素ガスを金属融液190の方向へ通過させ、窒素ガスを金属融液190を介して空間23内へ供給する。また、抑制/導入栓60は、金属融液190の表面張力により金属融液190を坩堝10と内部反応容器20との間および配管30内に保持する。
加熱装置70は、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置70は、温度制御装置280からの制御信号CTL1に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、内部反応容器20の外周面20Aから坩堝10および内部反応容器20を結晶成長温度に加熱する。温度センサー71は、加熱装置70のヒーターの温度T1を検出し、その検出した温度T1を温度制御装置280へ出力する。
加熱装置80も、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置80は、温度制御装置280からの制御信号CTL2に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、内部反応容器20の底面20Bから坩堝10および内部反応容器20を結晶成長温度に加熱する。温度センサー81は、加熱装置80のヒーターの温度T2を検出し、その検出した温度T2を温度制御装置280へ出力する。
ガス供給管90は、ガスボンベ140から圧力調整器130を介して供給された窒素ガスをバルブ120を介して内部反応容器20内へ供給する。ガス供給管110は、ガスボンベ140から圧力調整器130を介して供給された窒素ガスを配管30内へ供給する。
バルブ120は、ガス供給管90内の窒素ガスを内部反応容器20内へ供給し、または窒素ガスの内部反応容器20内への供給を停止する。圧力調整器130は、ガスボンベ140からの窒素ガスを所定の圧力にしてガス供給管90,110,310に供給する。また、圧力調整器130は、制御装置370からの制御信号CTL7に応じて、外部反応容器300内の圧力を所定の圧力に加圧する。
ガスボンベ140は、窒素ガスを保持する。排気管150は、内部反応容器20内の気体を真空ポンプ170へ通過させる。バルブ160は、内部反応容器20内と排気管150とを空間的に繋げ、または内部反応容器20内と排気管150とを空間的に遮断する。真空ポンプ170は、排気管150およびバルブ160を介して内部反応容器20内の真空引きを行なう。
圧力センサー180は、加熱装置70によって加熱されていない内部反応容器20内の圧力を検出する。金属融液190は、抑制/導入栓60を介して導入された窒素ガスを空間23へ供給する。
配管200は、ガス供給管250から供給された窒素ガスを一方端から支持装置50内へ放出して種結晶5を冷却する。熱電対210は、種結晶5の温度T3を検出し、その検出した温度T3を温度制御装置280へ出力する。
上下機構220は、振動検出装置240からの振動検出信号BDSに応じて、後述する方法によって、種結晶5が空間23と混合融液290との気液界面3に接するように支持装置50を上下する。
振動印加装置230は、所定の周波数を有する振動を支持装置50に印加する。振動検出装置240は、支持装置50の振動を検出し、振動検出信号BDSを上下機構220へ出力する。
ガス供給管250は、ガスボンベ270から流量計260を介して供給された窒素ガスを配管200へ供給する。流量計260は、温度制御装置280からの制御信号CTL3に応じて、ガスボンベ270から供給された窒素ガスの流量を調整してガス供給管250へ供給する。ガスボンベ270は、窒素ガスを保持する。
温度制御装置280は、温度T1,T2,T3をそれぞれ温度センサー71,81および熱電対210から受け、その受けた温度T1,T2,T3に基づいて制御信号CTL1〜CTL3を生成する。そして、温度制御装置280は、その生成した信号CTL1,CTL2をそれぞれ加熱装置70,80へ出力し、制御信号CTL3を流量計260へ出力する。
外部反応容器300は、内部反応容器20、配管30、ベローズ40、支持装置50、および加熱装置70,80を覆う。ガス供給管310は、ガスボンベ140から圧力調整器130を介して供給された窒素ガスをバルブ320を介して外部反応容器300へ供給する。
バルブ320は、制御装置370からの制御信号CTL4に応じて、ガス供給管310内の窒素ガスを外部反応容器300内へ供給し、または窒素ガスの外部反応容器300内への供給を停止する。バルブ330は、制御装置370からの制御信号CTL5に応じて、ガス供給管110内の窒素ガスを配管30内へ供給し、または窒素ガスの配管30内への供給を停止する。
圧力センサー340は、内部反応容器20が結晶成長温度に加熱されたときの金属融液190の静水圧Psを検出し、その検出した静水圧Psを制御装置370へ出力する。圧力センサー350は、外部反応容器300内の圧力Poutを検出し、その検出した圧力Poutを制御装置370へ出力する。バルブ360は、制御装置370からの制御信号CTL6に応じて、外部反応容器300内の窒素ガスを外部へ放出し、または外部反応容器300内の窒素ガスの外部への放出を停止する。
制御装置370は、圧力センサー340から静水圧Psを受け、圧力センサー350から圧力Poutを受ける。そして、制御装置370は、静水圧Psに基づいて、内部反応容器20内の圧力Pinを検出する。より具体的には、内部反応容器20内の空間23の圧力Pinが相対的に高くなれば、金属融液190の静水圧Psは、圧力Pinに比例して相対的に高くなる。また、内部反応容器20内の空間23の圧力Pinが相対的に低くなれば、金属融液190の静水圧Psは、圧力Pinに比例して相対的に低くなる。
このように、静水圧Psは、空間23内の圧力Pinに比例する。したがって、制御装置370は、静水圧Psと圧力Pinとの比例係数を保持しており、その保持している比例係数を静水圧Psに乗算することにより、静水圧Psを圧力Pinに変換する。
そうすると、制御装置370は、圧力Pinと圧力Poutとの圧力差の絶対値|Pin−Pout|を演算し、その演算した絶対値|Pin−Pout|が所定値Cよりも小さいか否かを判定する。なお、所定値Cは、たとえば、0.05MPaに設定される。そして、この所定値Cは、結晶成長装置100が異常であると判定される値である。
絶対値|Pin−Pout|が所定値Cよりも小さいとき、制御装置370は、制御信号CTL4〜CTL6によってそれぞれバルブ320,330,360を制御せず、圧力センサー340,350からそれぞれ静水圧Psおよび圧力Poutを引き続いて受ける。
一方、|Pin−Pout|が所定値C以上であるとき、制御装置370は、圧力Pinが圧力Poutよりも高いか否かをさらに判定する。そして、制御装置370は、圧力Pinが圧力Poutよりも高いとき、バルブ330を閉じるための制御信号CTL5を生成し、その生成した制御信号CTL5をバルブ330へ出力するとともに、バルブ320を開けるための制御信号CTL4と、圧力Poutが圧力Pinに略一致するように外部反応容器300内を加圧するための制御信号CTL7とを生成し、その生成した制御信号CTL4,CTL7をそれぞれバルブ320および圧力調整器130へ出力する。
また、制御装置370は、圧力Pinが圧力Poutよりも低いとき、バルブ320を閉じるための制御信号CTL4と、バルブ360を開けるための制御信号CTL6とを生成し、その生成した制御信号CTL4,CTL6をそれぞれバルブ320,360へ出力する。
排気管380は、外部反応容器300内の気体を真空ポンプ170へ通過させる。バルブ390は、外部反応容器300内と排気管380とを空間的に繋げ、または外部反応容器300内と排気管380とを空間的に遮断する。
図2は、図1に示す抑制/導入栓60の斜視図である。図2を参照して、抑制/導入栓60は、栓61と、凸部62とを含む。栓61は、略円柱形状からなる。凸部62は、略半円形の断面形状を有し、栓61の外周面に栓61の長さ方向DR2に沿って形成される。
図3は、抑制/導入栓60の配管30への取付状態を示す平面図である。図3を参照して、凸部62は、栓61の円周方向に複数個形成され、複数の凸部62は、数十μmの間隔dで形成される。また、凸部62は、数十μmの高さHを有する。抑制/導入栓60の複数の凸部62は、配管30の内壁30Aに接する。これにより、抑制/導入栓60は、配管30の内壁30Aに嵌合する。
凸部62が数十μmの高さHを有し、数十μmの間隔dで栓61の外周面に配置される結果、抑制/導入栓60が配管30の内壁30Aに嵌合した状態では、抑制/導入栓60と配管30の内壁30Aとの間に、直径が略数十μmである空隙63が複数個形成される。
この空隙63は、栓61の長さ方向DR2に窒素ガスを通過させるとともに、金属融液190を金属融液190の表面張力によって保持し、金属融液190が栓61の長さ方向DR2に通過するのを阻止する。
図4は、図1に示す支持装置50、配管200および熱電対210の拡大図である。図4を参照して、支持装置50は、筒状部材51と、固定部材52,53とを含む。筒状部材51は、略円形の断面形状を有する。固定部材52は、略L字形状の断面形状を有し、筒状部材51の一方端511側において筒状部材51の外周面51Aおよび底面51Bに固定される。また、固定部材53は、略L字形状の断面形状を有し、筒状部材51の一方端511側において固定部材52と対称に配置されるように筒状部材51の外周面51Aおよび底面51Bに固定される。その結果、筒状部材51および固定部材52,53によって囲まれた領域には、空間部54が形成される。
配管200は、略円形の断面形状を有し、筒状部材51の内部に配置される。この場合、配管200の底面200Aは、筒状部材51の底面51Bに対向するように配置される。そして、配管200の底面200Aには、複数の空孔201が形成される。配管200内へ供給された窒素ガスは、複数の空孔201を介して筒状部材51の底面51Bに吹き付けられる。
熱電対210は、一方端210Aが筒状部材51の底面51Bに接するように筒状部材51の内部に配置される(図4の(a)参照)。
そして、種結晶5は、空間部54に嵌合する形状を有し、空間部54に嵌合することにより支持装置50によって支持される。この場合、種結晶5は、筒状部材51の底面51Bに接する(図4の(b)参照)。
したがって、種結晶5と筒状部材51との間の熱伝導率が高くなる。その結果、熱電対210によって種結晶5の温度を検出できるとともに、配管200から筒状部材51の底面51Bに吹き付けられた窒素ガスによって種結晶5を容易に冷却できる。
図5は、図1に示す上下機構220の構成を示す概略図である。図5を参照して、上下機構220は、凹凸部材221と、歯車222と、軸部材223と、モータ224と、制御部225とを含む。
凹凸部材221は、略三角形状の断面形状からなり、筒状部材51の外周面51Aに固定される。歯車222は、軸部材223の一方端に固定され、凹凸部材221と噛み合う。軸部材223は、その一方端が歯車222に連結され、他方端がモータ224のシャフト(図示せず)に連結される。
モータ224は、制御部225からの制御に従って歯車222を矢印226または227の方向へ回転させる。制御部225は、振動検出装置240からの振動検出信号BDSに基づいて、歯車222を矢印226または227の方向へ回転させるようにモータ224を制御する。
歯車222が矢印226の方向へ回転すれば、支持装置50は、重力方向DR1において上方向へ移動し、歯車222が矢印227の方向へ回転すれば、支持装置50は、重力方向DR1において下方向へ移動する。
したがって、歯車222を矢印226または227の方向へ回転させることは、支持装置50を重力方向DR1において上下させることに相当する。
図6は、振動検出信号BDSのタイミングチャートである。図6を参照して、振動検出装置240によって検出される振動検出信号BDSは、種結晶5が混合融液290に接していないとき、信号成分SS1からなり、種結晶5が混合融液290に接しているとき、信号成分SS2からなる。
種結晶5が混合融液290に接していないとき、種結晶5は、振動印加装置230により印加された振動によって大きく振動するので、振動検出信号BDSは、振幅が相対的に大きい信号成分SS1からなる。一方、種結晶5が混合融液290に接しているとき、種結晶5は、振動印加装置230から振動が印加されても、混合融液290の粘性によって大きく振動できないので、振動検出信号BDSは、振幅が相対的に小さい信号成分SS2からなる。
再び、図5を参照して、制御部225は、振動検出装置240から振動検出信号BDSを受けると、振動検出信号BDSの信号成分を検出する。そして、制御部225は、その検出した信号成分が信号成分SS1からなるとき、振動検出信号BDSの信号成分が信号成分SS2になるまで、支持装置50を重力方向DR1において降下させるようにモータ224を制御する。
より具体的には、制御部225は、歯車222を矢印227の方向へ回転させるようにモータ224を制御し、モータ224は、制御部225からの制御に従って歯車222を軸部材223を介して矢印227の方向へ回転させる。これによって、支持装置50は、重力方向DR1において下方向へ移動する。
そして、制御部225は、振動検出装置240から受ける振動検出信号BDSの信号成分が信号成分SS1から信号成分SS2へ切換わると、歯車222の回転を停止するようにモータ224を制御し、モータ224は、制御部225からの制御に従って歯車222の回転を停止させる。これによって、支持装置50は、移動を停止し、種結晶5を気液界面3に保持する。
一方、制御部225は、信号成分SS2からなる振動検出信号BDSを振動検出装置240から受けたとき、支持装置50の移動を停止するようにモータ224を制御する。
このように、上下機構220は、振動検出装置240が検出する振動検出信号BDSに基づいて、種結晶5が混合融液290に接するように支持装置50を重力方向DR1に移動させる。
図7は、坩堝10および内部反応容器20の温度のタイミングチャートである。また、図8は、図7に示す2つのタイミングt1,t2間における坩堝10および内部反応容器20内の状態を示す模式図である。さらに、図9は、種結晶5の温度と窒素ガスの流量との関係を示す図である。
なお、図7において、直線k1は、坩堝10および内部反応容器20の温度を示し、曲線k2および直線k3は、種結晶5の温度を示す。
図7を参照して、加熱装置70,80は、直線k1に従って温度が上昇し、かつ、800℃に保持されるように坩堝10および内部反応容器20を加熱する。加熱装置70,80が坩堝10および内部反応容器20を加熱し始めると、坩堝10および内部反応容器20の温度は、上昇し始め、タイミングt1において98℃に達し、タイミングt2で800℃に達する。
そうすると、坩堝10と内部反応容器20との間に保持された金属Naは溶け、金属融液190(=金属Na融液)になる。そして、空間23内の窒素ガス4は、金属融液190(=金属Na融液)および抑制/導入栓60を介して配管30内の空間31へ拡散することができず、空間23内に閉じ込められる(図8参照)。
また、坩堝10および内部反応容器20の温度が98℃に達するタイミングt1から800℃に達するタイミングt2までの間に、上下機構220は、振動検出装置240からの振動検出信号BDSに基づいて、上述した方法によって支持装置50を上下し、種結晶5を混合融液290に接触させる。
そして、坩堝10および内部反応容器20の温度が800℃に達すると、空間23内の窒素ガス4は、金属Naを媒介として混合融液290中に取り込まれる。この場合、混合融液290中の窒素濃度またはGaxNy(x,yは、実数)濃度は、空間23と混合融液290との気液界面3付近において最も高いため、GaN結晶が気液界面3に接した種結晶5から成長し始める。なお、以下においては、GaxNyを「III族窒化物」と言い、GaxNy濃度を「III族窒化物濃度」と言う。
窒素ガスを配管200内へ供給しない場合、種結晶5の温度T3は、混合融液290の温度と同じ800℃であるが、実施の形態1においては、種結晶5付近の混合融液290中の窒素またはIII族窒化物の過飽和度を上げるために、配管200内へ窒素ガスを供給して種結晶5を冷却し、種結晶5の温度T3を混合融液290の温度よりも低くする。
より具体的には、種結晶5の温度T3は、タイミングt2以降、曲線k2に従って800℃よりも低い温度Ts1に設定される。この温度Ts1は、例えば、790℃である。種結晶5の温度T3を温度Ts1に設定する方法について説明する。
温度制御装置280は、温度センサー71,81および熱電対210からそれぞれ受けた温度T1,T2,T3が種結晶5および混合融液290の温度を800℃に設定する温度に達すると、種結晶5の温度T3を温度Ts1に設定する流量からなる窒素ガスを流すための制御信号CTL3を生成して流量計260へ出力する。
そうすると、流量計260は、制御信号CTL3に応じて、温度T3を温度Ts1に設定する流量からなる窒素ガスをガスボンベ270からガス供給管250を介して配管200内へ流す。種結晶5の温度は、窒素ガスの流量に略比例して800℃から低下し、窒素ガスの流量が流量fr1(sccm)になると、種結晶5の温度T3は、温度Ts1に設定される(図9参照)。
したがって、流量計260は、流量fr1からなる窒素ガスを配管200内へ流す。そして、配管200内へ供給された窒素ガスは、配管200の複数の空孔201から筒状部材51の底面51Bに吹き付けられる。
これによって、種結晶5は、筒状部材51の底面51Bを介して冷却され、種結晶5の温度T3は、タイミングt3で温度Ts1に低下し、その後、タイミングt4まで温度Ts1に保持される。
加熱装置70,80のヒーターの温度T1,T2は、混合融液290の温度と所定の温度差を有するため、温度制御装置280は、種結晶5の温度T3が800℃から低下し始めると、温度センサー71,81からそれぞれ受けた温度T1,T2が混合融液290の温度を800℃に設定する温度になるように制御信号CTL1,2によってそれぞれ加熱装置70,80を制御する。
なお、実施の形態1においては、好ましくは、種結晶5の温度T3は、タイミングt2以降、直線k3に従って低下するように制御される。すなわち、種結晶5の温度T3は、タイミングt2からタイミングt4までの間で800℃から温度Ts2(<Ts1)まで低下される。この場合、流量計260は、温度制御装置280からの制御信号CTL3に基づいて、直線k4に従って配管200内へ流す窒素ガスの流量を0から流量fr2まで増加する。窒素ガスの流量が流量fr2になると、種結晶5の温度T3は、温度Ts1よりも低い温度Ts2に設定される。そして、温度Ts2は、たとえば、750℃である。
このように、混合融液290の温度(=800℃)と種結晶5の温度T3との差を徐々に大きくすることによって、種結晶5付近の混合融液290中の窒素またはIII族窒化物の過飽和度が徐々に大きくなり、GaN結晶の成長速度がGaN結晶の結晶成長に伴って速くなる。
結晶成長装置100においてGaN結晶を結晶成長させる場合、種結晶5は、結晶成長装置100において種結晶5を用いずに結晶成長させたGaN結晶からなる。図10は、GaN結晶を成長させる場合の窒素ガス圧と結晶成長温度との関係を示す図である。図10において、横軸は、結晶成長温度を表し、縦軸は、窒素ガス圧を表す。図10において、領域REGは、坩堝10中の混合融液290に接する底面および側面において多くの核が発生し、c軸(<0001>)方向に成長した柱状形状のGaN結晶が製造される領域である。
したがって、種結晶5を作製する場合、領域REG内における窒素ガス圧および結晶成長温度を用いてGaN結晶を成長させる。この場合、坩堝10内の底面および側壁に多くの核が発生し、c軸方向に成長した柱状形状のGaN結晶が製造される。
そして、結晶成長させた多くのGaN結晶の中から図4に示す形状のGaN結晶を切り出して種結晶5を作製する。したがって、種結晶5の突出部5A(図4の(b)参照)は、c軸(<0001>)方向に成長したGaN結晶からなる。
作製した種結晶5は、上述した方法によって支持装置50の空間部54に嵌合され、支持装置50に固定される。
図11は、GaN結晶の製造方法を説明するための実施の形態1におけるフローチャートである。図11を参照して、一連の動作が開始されると、Arガスが充填されたグローブボックス内へ坩堝10および内部反応容器20を入れる。そして、Arガス雰囲気中で金属Naおよび金属Gaを坩堝10に入れる(ステップS1)。この場合、金属Naおよび金属Gaを5:5のモル比率で坩堝10に入れる。なお、Arガスは、水分量が10ppm以下であり、かつ、酸素量が10ppm以下であるArガスである(以下、同じ)。
その後、Arガス雰囲気中で金属Naを坩堝10と内部反応容器20との間に入れる(ステップS2)。そして、Arガス雰囲気中で種結晶5を坩堝10内の金属Naおよび金属Gaの上側に設置する(ステップS3)。より具体的には、種結晶5を支持装置50の一方端511側に形成された空間部54へ嵌合することによって(図4の(b)参照)、種結晶5を坩堝10内の金属Naおよび金属Gaの上側に設置する。
引続いて、坩堝10および内部反応容器20内にArガスを充填した状態で坩堝10および内部反応容器20を結晶成長装置100に設定する。
そして、バルブ160,390を開け、真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内に充填されたArガスを排気する。真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内を所定の圧力(0.133Pa以下)まで真空引きした後、バルブ160,390を閉じ、バルブ120,320,330を開けて窒素ガスをガスボンベ140からガス供給管90,110,310を介して坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内へ充填する。この場合、圧力調整器130によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内の圧力が0.1MPa程度になるように坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内へ窒素ガスを供給する。
そして、圧力センサー180によって検出した内部反応容器20内の圧力および圧力センサー350によって検出した外部反応容器300内の圧力が0.1MPa程度になると、バルブ120,320,330を閉じ、バルブ160,390を開けて真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内に充填された窒素ガスを排気する。この場合も、真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内を所定の圧力(0.133Pa以下)まで真空引きする。
そして、この坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内の真空引きと坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。
その後、真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ160,390を閉じ、バルブ120,320,330を開けて圧力調整器130によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内の圧力が1.01〜5.05MPaの範囲になるように坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内へ窒素ガスを充填する(ステップS4)。
この場合、坩堝10と内部反応容器20との間の金属Naは、固体であるので、窒素ガスは、抑制/導入栓60を介して配管30の空間31からも内部反応容器20内の空間23へ供給される。そして、圧力センサー180によって検出した空間23内の圧力が1.01〜5.05MPaになった時点でバルブ120が閉じられる。
その後、加熱装置70,80によって坩堝10および内部反応容器20を800℃に加熱する(ステップS5)。この場合、坩堝10と内部反応容器20との間に保持された金属Naは、融点が約98℃であるので、坩堝10および内部反応容器20が800℃に加熱される過程で溶融され、金属融液190になる。そして、2つの気液界面1,2が発生する(図1参照)。気液界面1は、金属融液190と内部反応容器20内の空間23との界面に位置し、気液界面2は、金属融液190と抑制/導入栓60との界面に位置する。
また、坩堝10および内部反応容器20の温度が800℃に昇温された時点で、抑制/導入栓60の温度は、150℃である。従って、気液界面2における金属融液190(=金属Na融液)の蒸気圧は、7.6×10−4Paであり、金属融液190(=金属Na融液)は、抑制/導入栓60の空隙63を介して殆ど蒸発しない。その結果、金属融液190(=金属Na融液)は、殆ど減少しない。
抑制/導入栓60の温度が300℃または400℃に昇温されても、金属融液190(=金属Na融液)の蒸気圧は、それぞれ、1.8Paおよび47.5Paであり、この程度の蒸気圧では、金属融液190(=金属Na融液)の減少を殆ど無視できる。
このように、結晶成長装置100においては、抑制/導入栓60の温度は、金属融液190(=金属Na融液)が蒸発によって実質的に減少しない温度に設定される。
さらに、坩堝10および内部反応容器20が800℃に加熱される過程で、坩堝10内の金属Naおよび金属Gaも液体になり、金属Naと金属Gaとの混合融液290が坩堝10内に発生する。そして、上下機構220は、上述した方法によって、種結晶5を混合融液290に接触させる(ステップS6)。
さらに、坩堝10および内部反応容器20の温度が800℃に昇温されると、空間23内の窒素ガスが金属Naを媒介として混合融液290中へ取り込まれ、種結晶5からGaN結晶が成長し始める。
その後、坩堝10および内部反応容器20の温度が、所定の時間(数十時間〜数百時間)、800℃に保持され(ステップS7)、種結晶5の温度T3が上述した方法によって混合融液290の温度(=800℃)よりも低い温度Ts1またはTs2に設定される(ステップS8)。
そして、GaN結晶の成長が進行すると、空間23内の窒素ガスが消費され、空間23内の窒素ガスが減少する。そうすると、空間23内の圧力P1が配管30内の空間31の圧力P2よりも低くなり(P1<P2)、空間23内と空間31内との間に差圧が発生し、空間31の窒素ガスは、抑制/導入栓60および金属融液190(=金属Na融液)を介して空間23内へ順次供給される(ステップS9)。
その後、種結晶5が混合融液290に接触するように、上述した方法によって種結晶5を降下させる(ステップS10)。これによって、大きなサイズのGaN結晶が成長する。
そして、GaN結晶の結晶成長中、内部反応容器20内の圧力Pinと、外部反応容器300内の圧力Poutとの圧力差を所定値Cよりも小さい値に設定する(ステップS11)。その後、所定の時間が経過すると、坩堝10および内部反応容器20の温度が降温されて(ステップS12)、GaN結晶の製造が終了する。
図12は、図11に示すフローチャートのステップS11の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。図12を参照して、圧力センサー340は、金属融液190の静水圧Psを検出し、その検出した静水圧Psを制御装置370へ出力する。
制御装置370は、圧力センサー340からの静水圧Psに比例係数を乗算して静水圧Psを内部反応容器20内の圧力Pinに変換する。これによって、内部反応容器20内の圧力Pinが検出される(ステップS21)。
そして、圧力センサー350は、外部反応容器300内の圧力Poutを検出し(ステップS22)、その検出した圧力Poutを制御装置370へ出力する。
その後、制御装置370は、圧力Pin,Poutに基づいて、圧力Pinと圧力Poutとの圧力差の絶対値|Pin−Pout|を演算し(ステップS23)、その演算した絶対値|Pin−Pout|が所定値Cよりも小さいか否かを判定する(ステップS24)。
絶対値|Pin−Pout|が所定値Cよりも小さい場合、上述したステップS21〜S24が繰り返し実行される。
一方、ステップS24において、絶対値|Pin−Pout|が所定値C以上であると判定されたとき、制御装置370は、圧力Pinが圧力Poutよりも高いか否かをさらに判定する(ステップS25)。
そして、圧力Pinが圧力Poutよりも高いと判定されたとき、制御装置370は、バルブ330を閉じるための制御信号CTL5を生成し、その生成した制御信号CTL5をバルブ330へ出力する。バルブ330は、制御装置370からの制御信号CTL5に応じて閉じる。これによって、内部反応容器20への窒素ガスの供給が停止される(ステップS26)。
その後、制御装置370は、外部反応容器300内を圧力Pinに略一致するように加圧するための制御信号CTL7を生成し、その生成した制御信号CTL7を圧力調整器130へ出力する。圧力調整器130は、制御装置370からの制御信号CTL7に応じて、外部反応容器300内を窒素ガスによって加圧する。これによって、圧力Poutが圧力Pinに略一致するように外部反応容器300内へ窒素ガスが供給される(ステップS27)。
一方、ステップS25において、圧力Pinが圧力Poutよりも低いと判定されたとき、制御装置370は、バルブ320を閉じるための制御信号CTL4と、バルブ360を開けるための制御信号CTL6とを生成し、その生成した制御信号CTL4,CTL6をそれぞれバルブ320,360へ出力する。
そうすると、バルブ320は、制御装置370からの制御信号CTL4に応じて閉じ、バルブ360は、制御装置370からの制御信号CTL6に応じて開く。その後、制御装置370は、圧力Poutが圧力Pinに略一致すると、バルブ360を閉じるための制御信号CTL6を生成してバルブ360へ出力する。そして、バルブ360は、制御装置370からの制御信号CTL6に応じて閉じる。これによって、Pin=Poutになるように外部反応容器300内の窒素ガスが抜かれる(ステップS28)。
そして、ステップS27またはステップS28の後、一連の動作は終了する。なお、ステップS21〜ステップS28の間、内部反応容器20内の圧力Pinは保持される。
上述したように、制御装置370は、絶対値|Pin−Pout|が所定値Cよりも大きい場合、圧力Pinおよび圧力Poutのうち、いずれが高いかに拘わらず、圧力Pinが圧力Poutに略一致するように対処する(ステップS27およびステップS28参照)。
そして、制御装置370は、窒素ガスを内部反応容器20内へ供給したり、内部反応容器20から窒素ガスを抜く等の内部反応容器20内の状態を変える対処を行なうのではなく、内部反応容器20内の圧力Pinを保持したまま、外部反応容器300内を加圧または減圧して圧力Pinが圧力Poutに略一致するように対処する。
すなわち、制御装置370は、内部反応容器20内におけるGaN結晶の結晶成長を継続して行なえるように対処する。
したがって、結晶成長装置100を用いることによって、GaN結晶を安定して結晶成長できる。
また、結晶成長装置100においては、種結晶5を混合融液290に接触させてGaN結晶を結晶成長するので、種結晶5以外の部分における核発生が抑制され、GaN結晶が種結晶5から優先的に成長する。その結果、大きなサイズのGaN結晶を成長させることができる。このGaN結晶は、c軸(<0001>)方向に成長した柱状形状を有し、欠陥フリーの結晶である。
さらに、結晶成長装置100においては、種結晶5の温度T3を結晶成長温度(=800℃)よりも低くしてGaN結晶を結晶成長させるので、種結晶5付近の混合融液290中における窒素またはIII族窒化物の過飽和度を高くでき、GaN結晶を種結晶5からさらに優先的に結晶成長させることができるとともに、GaN結晶の成長速度を向上できる。
さらに、GaN結晶の成長とともに、種結晶5が混合融液290に接触するように上下機構220によって種結晶5を降下させるので、GaN結晶が種結晶5から優先的に成長する状態を保持できる。その結果、大きなサイズのGaN結晶を成長できる。
さらに、上記においては、抑制/導入栓60の凸部62の高さHおよび複数の凸部62の間隔dは、数十μmであると説明したが、凸部62の高さHおよび複数の凸部62の間隔dは、抑制/導入栓60の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、抑制/導入栓60の温度が相対的に高い場合、凸部62の高さHは相対的に低くされ、かつ、複数の凸部62の間隔dは、相対的に小さくされる。また、抑制/導入栓60の温度が相対的に低い場合、凸部62の高さHは相対的に高くされ、かつ、複数の凸部62の間隔dは、相対的に大きくされる。つまり、抑制/導入栓60の温度が相対的に高い場合、抑制/導入栓60と配管30との間の空隙63のサイズが相対的に小さくされ、抑制/導入栓60の温度が相対的に低い場合、抑制/導入栓60と配管30との間の空隙63のサイズが相対的に大きくされる。
凸部62の高さHおよび複数の凸部62の間隔dによって空隙63の大きさが決定され、表面張力により金属融液190を保持可能な空隙63の大きさが抑制/導入栓60の温度によって変化する。したがって、凸部62の高さHおよび複数の凸部62の間隔dを抑制/導入栓60の温度に応じて変化させ、表面張力によって金属融液190を確実に保持できるようにしたものである。
そして、抑制/導入栓60の温度制御は、加熱装置80によって行われる。すなわち、抑制/導入栓60の温度を150℃よりも高い温度に昇温する場合には、加熱装置80によって抑制/導入栓60を加熱する。
さらに、結晶成長温度100においては、圧力センサー340が検出した金属融液190の静水圧Psに基づいて内部反応容器20内の圧力Pinを検出することを特徴とするが、これは、800℃の高温に加熱された内部反応容器20内の圧力Pinを直接検出できるような高温対応の圧力センサーが存在しないので、150℃程度の金属融液190の静水圧Psを検出し、その検出した静水圧Psが空間23内の圧力Pinに比例することを利用して圧力Pinを検出することにしたものである。したがって、800℃程度に加熱された空間23内の圧力Pinを直接検出可能な圧力センサーが開発されれば、空間23内の圧力Pinを直接検出するようにしてもよい。
なお、ガスボンベ140、圧力調整器130、ガス供給管90,110、バルブ330、配管30、抑制/導入栓60および金属融液190は、「ガス供給装置」を構成する。
また、圧力調整器130、ガスボンベ140、バルブ320,360、圧力センサー340,350、および制御装置370は、「圧力保持装置」を構成する。
さらに、抑制/導入栓60は、「融液保持部材」を構成する。
[実施の形態2]
図13は、実施の形態2による結晶成長装置の概略断面図である。図13を参照して、実施の形態2による結晶成長装置100Aは、図1に示す結晶成長装置100の配管30を配管400に代え、金属融液190を金属融液420に代え、加熱装置410を追加したものであり、その他は、結晶成長装置100と同じである。
配管400は、略L字形状からなり、一方端が内部反応容器20に連結され、他方端がガス供給管110に連結される。そして、配管400の空間402は、内部反応容器20の空間23に連通する。加熱装置410は、配管400に対向して配置され、配管400を結晶成長温度に加熱する。金属融液420は、配管400のうち、重力方向DR1に配置された部分の内部に保持される。
結晶成長装置100Aにおいては、抑制/導入栓60は、配管400のうち、重力方向DR1に配置された部分の内部に配置される。また、圧力センサー340は、金属融液420に接して配管400に取り付けられ、金属融液420の静水圧Psを検出して制御装置370へ出力する。さらに、ガス供給管110は、配管400の空間401に連結される。
結晶成長装置100Aを用いてGaN結晶を成長させる場合、グローブボックスを用いてArガス雰囲気中で金属Naおよび金属Gaを坩堝10内に入れ、Arガス雰囲気中で金属Naを配管400内に入れ、さらに、Arガス雰囲気中で種結晶5を坩堝10に入れられた金属Naおよび金属Gaの上側に配置する。
その後、内部反応容器20、配管400および外部反応容器300をArガスで充填した状態で坩堝10、内部反応容器20、配管400および外部反応容器300を結晶成長装置100Aに設定する。
そして、バルブ160,390を開け、真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内に充填されたArガスを排気する。真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内を所定の圧力(0.133Pa以下)まで真空引きした後、バルブ160,390を閉じ、バルブ120,320,330を開けて窒素ガスをガスボンベ140からガス供給管90,110,310を介して坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内へ充填する。この場合、圧力調整器130によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内の圧力が0.1MPa程度になるように坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内へ窒素ガスを供給する。
そして、圧力センサー180によって検出した内部反応容器20内の圧力および圧力センサー350によって検出した外部反応容器300内の圧力が0.1MPa程度になると、バルブ120,320,330を閉じ、バルブ160,390を開けて真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内に充填された窒素ガスを排気する。この場合も、真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内を所定の圧力(0.133Pa以下)まで真空引きする。
そして、この坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内の真空引きと坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。
その後、真空ポンプ170によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ160,390を閉じ、バルブ120,320,330を開けて圧力調整器130によって坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内の圧力が1.01〜5.05MPaの範囲になるように坩堝10、内部反応容器20および外部反応容器300内へ窒素ガスを充填する。
この場合、配管400内の金属Naは、固体であるので、窒素ガスは、抑制/導入栓60を介して配管400の空間401からも内部反応容器20内の空間23へ供給される。そして、圧力センサー180によって検出した空間23内の圧力が1.01〜5.05MPaになった時点でバルブ120が閉じられる。
その後、加熱装置70,80によって坩堝10および内部反応容器20を800℃に加熱し、加熱装置410によって配管400を800℃に加熱する。この場合、配管400内に保持された金属Naは、融点が約98℃であるので、配管400が800℃に加熱される過程で溶融され、金属融液420になる。なお、配管400が800℃に昇温された時点で、抑制/導入栓60の温度は、150℃である。
これにより、内部反応容器20内の窒素ガスは、空間23,402内に閉じ込められる。
その後、実施の形態1において説明した工程に従って種結晶5からGaN結晶が結晶成長する。そして、GaN結晶の結晶成長中、内部反応容器20内の圧力Pinと、外部反応容器300内の圧力Poutとの圧力差が所定値Cよりも小さい値に設定される。その後、所定の時間が経過すると、坩堝10および内部反応容器20の温度が降温されて、GaN結晶の製造が終了する。
このように、金属融液420を坩堝10と内部反応容器20との間ではなく、内部反応容器20外の配管400内に配置し、その配置した金属融液420の静水圧Psを検出することによって、GaN結晶の結晶成長中、内部反応容器20内の圧力Pinと、外部反応容器300内の圧力Poutとの圧力差が所定値Cよりも小さい値に設定される。
したがって、この発明においては、圧力センサー340は、一般的には、混合融液290に接する空間23と、外部空間との間に配置された金属融液の静水圧Psを検出するものであればよい。
なお、結晶成長装置100Aを用いたGaN結晶の製造方法は、図11および図12に示すフローチャートに従って行なわれる。
その他は、実施の形態1と同じである。
図14は、この発明による抑制/導入栓の他の斜視図である。また、図15は、図14に示す抑制/導入栓430の固定方法を説明するための断面図である。図14を参照して、抑制/導入栓430は、栓431と、複数の凸部432とからなる。栓431は、長さ方向DR3へ直径が変化する円柱形状からなる。複数の凸部432の各々は、略半球形状を有し、直径が数十μmである。そして、複数の凸部432は、栓431の外周面431Aにランダムに形成される。ただし、隣接する2つの凸部432の間隔は、数十μmに設定される。
図15を参照して、抑制/導入栓430は、支持部材433,434によって内部反応容器20と配管30との連結部に固定される。より具体的には、抑制/導入栓430は、一方端が内部反応容器20に固定された支持部材433と、一方端が配管30の内壁に固定された支持部材434とによって挟まれることによって固定される。
この場合、抑制/導入栓430の凸部432は、内部反応容器20および配管30に接していてもよく、接していなくてもよい。凸部432が内部反応容器20および配管30に接しないように抑制/導入栓430が固定される場合、凸部432と内部反応容器20および配管30との間隔を金属融液190の表面張力によって金属融液190を保持可能な間隔に設定して抑制/導入栓430を支持部材433,434によって固定する。
坩堝10と内部反応容器20との間に保持された金属Naは、坩堝10および内部反応容器20の加熱が開始される前、固体であるので、ガスボンベ140から供給された窒素ガスは、内部反応容器20内の空間23と配管30内の空間31との間を抑制/導入栓430を介して拡散可能である。
そして、坩堝10および内部反応容器20の加熱が開始され、坩堝10および内部反応容器20の温度が98℃以上に昇温されると、坩堝10と内部反応容器20との間に保持された金属Naは、溶けて金属融液190になり、窒素ガスを空間23に閉じ込める。
また、抑制/導入栓430は、金属融液190が内部反応容器20の内部から配管30の空間31へ流出しないように金属融液190の表面張力によって金属融液190を保持する。
さらに、金属融液190および抑制/導入栓430は、GaN結晶の成長が進行すると、窒素ガスと、金属融液190および混合融液290から蒸発した金属Na蒸気とを空間23に閉じ込める。その結果、混合融液290からの金属Naの蒸発を抑制でき、混合融液290中における金属Naと金属Gaとのモル比率を安定させることができる。そして、GaN結晶の成長が進行するに伴って、空間23内の窒素ガスが減少すると、空間23内の圧力P1は、配管30の空間31の圧力P2よりも低くなり、抑制/導入栓430は、空間31の窒素ガスを内部反応容器20の方向へ通過させ、金属融液190を介して空間23へ供給する。
このように、抑制/導入栓430は、上述した抑制/導入栓60と同じように作用する。したがって、抑制/導入栓430は、抑制/導入栓60に代えて結晶成長装置100,100Aに用いられる。
上記においては、抑制/導入栓430は、凸部432を有すると説明したが、抑制/導入栓430は、凸部432を有していなくてもよい。この場合、栓431と内部反応容器20および配管30との間隔が数十μmになるように、抑制/導入栓430は、支持部材433,434によって固定される。
そして、抑制/導入栓430(凸部432を有する場合と凸部432を有さない場合とを含む。以下、同じ)と内部反応容器20および配管30との間隔は、抑制/導入栓430の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、抑制/導入栓430の温度が相対的に高い場合、抑制/導入栓430と内部反応容器20および配管30との間隔は、相対的に小さく設定される。また、抑制/導入栓430の温度が相対的に低い場合、抑制/導入栓430と内部反応容器20および配管30との間隔は、相対的に大きく設定される。
表面張力により金属融液190を保持可能な抑制/導入栓430と内部反応容器20および配管30との間隔は、抑制/導入栓430の温度によって変化する。したがって、抑制/導入栓430と内部反応容器20および配管30との間隔を抑制/導入栓430の温度に応じて変化させ、表面張力によって金属融液190を確実に保持できるようにしたものである。
そして、抑制/導入栓430の温度制御は、加熱装置80によって行われる。すなわち、抑制/導入栓430の温度を150℃よりも高い温度に昇温する場合には、加熱装置80によって抑制/導入栓430を加熱する。
抑制/導入栓430が用いられる場合、ガスボンベ140、圧力調整器130、ガス供給管90,110、配管30、抑制/導入栓430および金属融液190は、「ガス供給装置」を構成する。
また、抑制/導入栓430は、「融液保持部材」を構成する。
図16は、この発明による抑制/導入栓のさらに他の斜視図である。図16を参照して、抑制/導入栓440は、複数の貫通孔442が形成された栓441からなる。複数の貫通孔442は、栓441の長さ方向DR2に沿って形成される。そして、複数の貫通孔442の各々は、数十μmの直径を有する(図16の(a)参照)。
なお、抑制/導入栓440においては、貫通孔442は、少なくとも1個形成されていればよい。
また、抑制/導入栓450は、複数の貫通孔452が形成された栓451からなる。複数の貫通孔452は、栓451の長さ方向DR2に沿って形成される。そして、複数の貫通孔452の各々は、長さ方向DR2へ複数段に変化された直径r1,r2,r3を有する。直径r1,r2,r3の各々は、金属融液190を表面張力により保持可能な範囲で決定され、たとえば、数μm〜数十μmの範囲で決定される(図16の(b)参照)。
なお、抑制/導入栓450においては、貫通孔452は、少なくとも1個形成されていればよい。また、貫通孔452の直径は、少なくとも2個に変化されればよい。さらに、貫通孔452の直径は、長さ方向DR2へ連続的に変えられてもよい。
抑制/導入栓440または450は、結晶成長装置100,100Aの抑制/導入栓60に代えて用いられる。
特に、抑制/導入栓450が抑制/導入栓60に代えて用いられた場合、結晶成長装置100,100Aにおいて、抑制/導入栓450の温度制御を精密に行なわなくても、複数段に変えられた直径のいずれかによって金属融液190を金属融液190の表面張力により保持できるので、抑制/導入栓450の温度制御を精密に行なわなくても、大きさサイズを有するGaN結晶を製造できる。
抑制/導入栓440または450が用いられる場合、ガスボンベ140、圧力調整器130、ガス供給管90,110、配管30、抑制/導入栓440または450および金属融液190は、「ガス供給装置」を構成する。
また、抑制/導入栓440または450は、「融液保持部材」を構成する。
さらに、この発明においては、抑制/導入栓60に代えてポーラスプラグまたは逆流防止弁を用いてもよい。ポーラスプラグは、ステンレスの粉末を焼結した焼結体からなり、数十μmの空孔が多数形成された構造を有する。したがって、ポーラスプラグは、上述した抑制/導入栓60と同じように金属融液190の表面張力によって金属融液190を保持可能である。
また、この発明における逆流防止弁は、低温部分に用いられるバネ式の逆流防止弁と、高温部分に用いられるピストン式の逆流防止弁との両方を含む。このピストン式の逆流防止弁とは、空間31内の圧力P2が空間23内の圧力P1よりも高いとき、圧力P2と圧力P1との差圧によってピストンが1対のガイドに沿って上方向へ移動して空間31の窒素ガスを金属融液190を介して空間23へ供給し、P1≧P2であるとき、自重によってピストンが内部反応容器20と配管30との連結部を塞ぐ形式の逆流防止弁である。したがって、この逆流防止弁は、高温部分においても使用できる。
上述した実施の形態1または実施の形態2においては、結晶成長温度は、800℃であると説明したが、この発明においては、これに限らず、結晶成長温度は、600℃以上であればよい。また、窒素ガス圧力も0.4MPa以上の加圧状態の本結晶成長方法で成長可能な圧力であればよい。すなわち、上限も本実施の形態の5.05MPaに限定されるものではなく、5.05MPa以上の圧力であってもよい。
また、この発明による結晶成長装置は、結晶成長装置100,100Aから上下機構220、振動印加装置230および振動検出装置240を削除したものであってもよい。この場合、種結晶5は、上下方向へ移動されないが、坩堝10内に入れられた金属Naおよび金属Gaが融けた状態で混合融液290に接触または混合融液290中に浸漬されるように支持装置50によって支持される。したがって、GaN結晶は、種結晶5から成長する。その結果、大きいサイズのGaN結晶を製造できる。
さらに、この発明による結晶成長装置は、結晶成長装置100,100Aから熱電対210、配管200、ガス供給管250、流量計260およびガスボンベ270を削除したものであってもよい。この場合、種結晶5の温度T3は、GaN結晶の結晶成長中、混合融液290の温度よりも低温に制御されないが、種結晶5は、支持装置50によって混合融液290に接触または浸漬されるので、GaN結晶は、種結晶5から成長する。その結果、大きなサイズのGaN結晶を製造できる。
さらに、この発明による結晶成長装置は、結晶成長装置100,100Aから熱電対210、配管200、上下機構220、振動印加装置230、振動検出装置240、ガス供給管250、流量計260およびガスボンベ270を削除したものであってもよい。この場合、種結晶5は、上下方向へ移動されず、種結晶5の温度T3は、混合融液290の温度よりも低い温度に制御されないが、坩堝10内に入れられた金属Naおよび金属Gaが融けた状態で混合融液290に接触または混合融液290中に浸漬されるように支持装置50によって支持される。したがって、GaN結晶は、種結晶5から成長する。その結果、大きいサイズのGaN結晶を製造できる。
さらに、この発明においては、結晶成長装置100,100Aから熱電対210、配管200、上下機構220、振動印加装置230、振動検出装置240、ガス供給管250、流量計260およびガスボンベ270を削除した結晶成長装置を用いて、種結晶5を用いずにGaN結晶を結晶成長させてもよい。この場合、GaN結晶は、坩堝10の底面および側面から成長するが、上述したように、内部反応容器20内の圧力Pinと外部反応容器300内の圧力Poutとの圧力差が所定値Cよりも小さい値に設定されるので、GaN結晶を安定して製造できる。
さらに、上記においては、結晶成長装置100,100Aは、圧力Pinと圧力Poutとの圧力差|Pin−Pout|を結晶成長装置100,100Aが異常であると判定される所定値Cよりも小さい値に設定してGaN結晶を結晶成長させると説明したが、この発明においては、これに限らず、この発明による結晶成長装置は、一般的には、内部反応容器20が結晶成長温度に加熱されたときに内部反応容器20内の空間23(=第1の容器空間)が内部反応容器20と外部反応容器300との間の空間(=第2の容器空間)から実質的に遮断される好適な圧力差に圧力差|Pin−Pout|を設定してGaN結晶を結晶成長させる結晶成長装置であればよい。圧力差|Pin−Pout|を好適な圧力差に設定することによって、不純物等が内部反応容器20内の空間23へ混入せず、または空間23内の窒素ガスおよび金属Na蒸気が内部反応容器20と外部反応容器300との間の空間へ漏れることもないので、内部反応容器20内の窒素ガス、金属Na蒸気および混合融液290の状態を保持したままGaN結晶を結晶成長できる。その結果、GaN結晶を安定して製造できる。
さらに、上記においては、Arガス雰囲気中で金属Naおよび金属Gaを坩堝10に入れ、Arガス雰囲気中で金属Naを坩堝10および内部反応容器20間または配管400内に入れると説明したが、この発明においては、これに限らず、He、NeおよびKr等のArガス以外のガスまたは窒素ガス雰囲気中で金属Naおよび金属Gaを坩堝10に入れ、金属Naを坩堝10および内部反応容器20間または配管400内に入れてもよく、一般的には、不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中で金属Naおよび金属Gaを坩堝10に入れ、金属Naを坩堝10および内部反応容器20間または配管400内に入れればよい。そして、この場合、不活性ガスまたは窒素ガスは、水分量が10ppm以下であり、かつ、酸素量が10ppm以下である。
さらに、金属Gaと混合する金属は、Naであると説明したが、この発明においては、これに限らず、リチウム(Li)およびカリウム(K)等のアルカリ金属、またはマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)およびストロンチウム(Sr)等のアルカリ土類金属を金属Gaと混合して混合融液290を生成してもよい。そして、これらのアルカリ金属が溶けたものは、アルカリ金属融液を構成し、これらのアルカリ土類金属が溶けたものは、アルカリ土類金属融液を構成する。
さらに、窒素ガスに代えて、アジ化ナトリウムおよびアンモニア等の窒素を構成元素に含む化合物を用いてもよい。そして、これらの化合物は、窒素原料ガスを構成する。
さらに、Gaに代えて、ボロン(B)、アルミニウム(Al)およびインジウム(In)等のIII族金属を用いてもよい。
したがって、この発明による結晶成長装置または製造方法は、一般的には、アルカリ金属またはアルカリ土類金属とIII族金属(ボロンを含む)との混合融液を用いてIII族窒化物結晶を製造するものであればよい。
そして、この発明による結晶成長装置または製造方法を用いて製造したIII族窒化物結晶は、発光ダイオード、半導体レーザ、フォトダイオードおよびトランジスタ等のIII族窒化物半導体デバイスの作製に用いられる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1〜3 気液界面、4 窒素ガス、5 種結晶、10 坩堝、20 内部反応容器、20A 外周面、20B 底面、21 本体部、22 蓋部、23 空間、30,200,400 配管、30A 内壁、40 ベローズ、50 支持装置、60,430,440,450 抑制/導入栓、61,431,441,451 栓、62,432 凸部、63 空隙、70,80,410 加熱装置、71,81 温度センサー、90,110,250,310 ガス供給管、100,100A 結晶成長装置、120,160,320,330,350,390 バルブ、130 圧力調整器、140,270 ガスボンベ、150,380 排気管、170 真空ポンプ、180,340,350 圧力センサー、190 金属融液、201 空孔、210 熱電対、220 上下機構、230 振動印加装置、240 振動検出装置、280 温度制御装置、290 混合融液、300 外部反応容器、370 制御装置。