JP4768656B2

JP4768656B2 - 結晶成長装置

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Publication number: JP4768656B2
Application number: JP2007074497A
Authority: JP
Inventors: 正二皿山; 昌彦島田; 久典山根
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: JP2007186420A

Description

本発明は、結晶成長装置に関する。

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、そのほとん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。

さらに、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。

例えば文献「Japanese Journal of Applied Physics Vol.36 (1997) Part 2,No.12A, L1568-1571」（以下、第１の従来技術と称す）には、図６に示すようなレーザダイオード（ＬＤ）が示されている。図６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。さらに、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。

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較して、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。さらには、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。

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の従来技術と称す）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。この結果、結晶欠陥の問題に加えて、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。

しかしながら、第２の従来技術は、第１の従来技術よりもさらに工程が複雑になっており、より一層のコスト高となる。また、第２の従来技術の方法で２００μｍものＧａＮ厚膜を成長させる場合には、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。また、このような複雑な工程を行なっても結晶欠陥密度は１０⁶個／ｃｍ²台程度までしか低減できず、実用的な半導体デバイスを得ることができない。

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（特開平１０−２５６６６２号ではサファイアとスピネルが最も望ましいと記載されている）の厚さを１ｍｍ以上とすることが提案されている。この厚さ１ｍｍ以上の基板を用いることにより、厚膜のＧａＮ膜を２００μｍ成長しても、基板の反りやクラックが生じないとしている。しかし、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、厚い基板を用いることにより、薄い基板を用いる場合に比較して、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、結晶品質の高いＧａＮ基板を大面積化で容易に作成することはできない。

一方、文献「Journal of Crystal Growth, Vol.189/190, p.153-158(1998)」（以下、第３の従来技術と称す）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。

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。

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の従来技術と称す）には、アルカリ金属である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をフラックスおよび原料として、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の従来技術の場合と同様に小さすぎる。
特開平１０−２５６６６２号公報 Japanese Journal of Applied Physics Vol.36 (1997) Part 2,No.12A, L1568-1571 Applied Physics Letters, Vol.73, No.6, P.832-834(1998) Journal of Crystal Growth, Vol.189/190, p.153-158(1998) Chemistry of Materials Vol.9 (1997) P.413-416

本発明は、第１や第２の従来技術の問題点である工程を複雑化させることなく、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なく、かつ第３や第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の実用的な大きさのIII族窒化物結晶を提供し、また、このようなIII族窒化物結晶を成長させることの可能な結晶成長方法および結晶成長装置を提供し、さらに、高性能なIII族窒化物半導体デバイスを提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、第１の容器内で、アルカリ金属および少なくともIII族金属を含む混合融液と前記第１の容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させる結晶成長装置であって、前記第１の容器の外側に設けられた第２の容器を備え、前記第２の容器の外側から窒素原料が導入され、前記第１の容器には蓋部が設けられており、前記蓋部に設けられた隙間から前記第２の容器内の窒素原料を前記第１の容器内に導入しつつ、前記第１の容器内にアルカリ金属蒸気を閉じ込めることを特徴としている。また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の結晶成長装置において、前記第１の容器の材質はＢＮであり、前記第２の容器の材質はステンレスであることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の結晶成長装置において、前記窒素原料を、前記第２の容器の水平方向よりも下側方向から、前記第２の容器内に導入することを特徴としている。

以上に説明したように、請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、第１の反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と第１の反応容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるので、第１あるいは第２の従来技術で述べたような複雑な工程を必要とせず、低コストで高品質なIII族窒化物結晶を得ることが可能となる。さらに、１０００℃以下と成長温度が低く、１００ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ以下と圧力も低い条件下でIII族窒化物の結晶成長が可能となることから、第３の従来技術のように超高圧，超高温に耐えうる高価な反応容器を用いる必要がない。その結果、低コストでIII族窒化物結晶を得ることが可能となる。また、低温，低圧であることから、種結晶を核として結晶成長させることで、III族窒化物結晶の大きさを大きくすることが可能となる。

また、請求項１記載の発明によれば、第１の容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と第１の容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるときに、第１の容器の外側に第２の容器を設け、第２の容器の外側から窒素原料を導入し、第２の容器内の窒素原料を第１の容器内に導入しつつ、第１の容器内にアルカリ金属蒸気を閉じ込めるので、窒素原料導入の阻害、及び原料組成の変動を抑制することが可能となる。その結果、結晶成長の制御性を向上させることができ、良質なIII族窒化物結晶を安定に成長させることができる。

また、請求項３記載の発明によれば、窒素原料を、第２の容器の水平方向よりも下側方向から、第２の容器内に導入するので、窒素原料を導入する領域へのアルカリ金属の凝縮を防止することができ、窒素原料導入の阻害、及び原料組成の変動を抑制することが可能となる。その結果、結晶成長の制御性を向上させることができ、良質なIII族窒化物結晶を安定に成長させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明は、第１の反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と第１の反応容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるときに、アルカリ金属蒸気を第１の反応容器内に閉じ込めることを特徴としている。

本発明の結晶成長方法では、第１の反応容器内には、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液があり、この第１の反応容器は結晶成長が可能なように温度制御されている。窒素原料はこの第１の反応容器の外部より導入され、アルカリ金属とIII族金属と窒素原料が反応することで、III族窒化物が結晶成長する。なお、ここで、窒素原料とは、窒素分子，原子状窒素，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のことである。

III族窒化物が結晶成長する温度領域では、アルカリ金属はある蒸気圧を有する。本発明では、このアルカリ金属蒸気が第１の反応容器内に閉じ込められ、第１の反応容器外に拡散することがないようにしている。

特に、本発明は、第１の反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と第１の反応容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるときに、窒素原料が第１の反応容器の外部から第１の反応容器内に通過する領域を、アルカリ金属蒸気が塞がないようにすることを特徴としている。

ここで、窒素原料が第１の反応容器の外部から第１の反応容器内に通過する領域を、アルカリ金属蒸気が塞がないようにするということは、その領域にアルカリ金属が凝縮しないことのみならず、その領域に凝縮したアルカリ金属（例えば機械的に）を取り除くことをも含んでいる。

上記のようなアルカリ金属の凝集等を防止するため、本発明では、第１の反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液と第１の反応容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させるときに、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液の表面より上部の温度を、アルカリ金属蒸気が凝縮しない温度以上に制御することを特徴としている。すなわち、第１の反応容器内の混合融液表面より上部の温度が、混合融液表面を含む混合融液の温度以上となっていることもこれに含まれる。

図１は本発明の結晶成長装置の第１の構成例を示す図である。図１の例では、第１の反応容器１０１内には、アルカリ金属としてのＮａと、少なくともIII族金属元素を含む物質としての金属Ｇａとが収容され、それらはIII族窒化物結晶が成長する温度領域で混合融液１０２を形成している。

ここで、第１の反応容器１０１は、ステンレス製であり、第１の反応容器１０１内の空間領域には、少なくとも窒素元素を含む物質として窒素ガス（Ｎ₂）１０３が充填されている。この窒素ガス１０３は、窒素供給管１０４を通して、第１の反応容器１０１外から供給可能な状態となっており、窒素圧力を調整するために、図１の装置では、圧力調整機構１０５が設けられている。この圧力調整機構１０５は、例えば、圧力センサー及び圧力調整弁等により構成されており、この圧力調整機構１０５によって、第１の反応容器１０１内の窒素圧力は、例えば５０気圧に制御されている。

また、図１の結晶成長装置では、アルカリ金属ＮａとIII族金属Ｇａの混合融液１０２が保持されている第１の反応容器１０１の領域の外側には、この混合融液１０２内あるいは混合融液１０２表面で、III族窒化物が結晶成長可能な温度に制御できるように第１の加熱装置１０６が設けられている。

さらに、図１の結晶成長装置では、混合融液１０２の表面より上部の温度を制御できるように、第２の加熱装置１０７が第１の加熱装置１０６の上部に設けられている。

このような構成では、第１の加熱装置１０６によりIII族窒化物結晶が成長する温度（例えば７５０℃）に制御することで、アルカリ金属であるＮａとIII族金属原料であるＧａが混合融液１０２を形成する。ここで、アルカリ金属であるＮａとIII族金属原料であるＧａからなる混合融液１０２の表面よりも上部の温度が混合融液１０２の温度以上となるように、第２の加熱装置１０７により第１の反応容器１０１の上部の温度が制御されている。この状態で、混合融液１０２からIII族金属であるＧａが供給され、成長温度に一定保持することで、III族窒化物としてのＧａＮ結晶が混合融液中１０８及び混合融液表面１０９で結晶成長する。

図１の結晶成長装置では、ＮａとＧａの混合融液中１０８及び混合融液表面１０９で、窒素ガスとＧａとが反応することで、あるいは、窒素ガスから供給された融液中の窒素成分とＧａとが反応することで、継続的なＧａＮ結晶が成長し、結晶サイズの大きなものを得ることが可能となる。

さらに、図１の結晶成長装置では、アルカリ金属であるＮａとIII族金属原料であるＧａからなる混合融液１０２の表面よりも上部の温度が混合融液１０２の温度以上となるように、第２の加熱装置１０７により第１の反応容器１０１の上部の温度が制御されていることで、第１の反応容器１０１の上部へのＮａの凝縮が防止できる。すなわち、混合融液１０２上部の温度が混合融液１０２の温度以上であることから、第１の反応容器１０１の上部へのＮａの凝縮が防止できる。この結果、窒素供給管１０４へのＮａの凝縮を防止することが可能となる。すなわち、窒素供給管１０４へのＮａの凝縮による窒素導入の阻害を防止することが可能となる。また、混合融液１０２のアルカリ金属ＮａとIII族金属Ｇａとの組成の変化が生じにくくなり、安定的な結晶成長が可能となる。ここで、アルカリ金属（アルカリ金属蒸気）Ｎａは第１の反応容器１０１内に閉じ込められることとなる。

換言すれば、混合融液１０２の表面よりも上部の温度が混合融液１０２の温度よりも低い場合には、第１の反応容器１０１の内壁や窒素供給管１０４へのＮａの凝縮が生じてしまう。この結果、混合融液１０２中のアルカリ金属ＮａとIII族金属Ｇａとの組成が変化したり、窒素供給管１０４をＮａが塞いでしまい、窒素の供給が困難な状態になる。本発明では、混合融液１０２の表面よりも上部の温度が混合融液１０２の温度以上となるように、第２の加熱装置１０７により第１の反応容器１０１の上部の温度が制御されていることで、このような状況を回避することが可能となる。

また、図１の結晶成長装置において、さらに、窒素原料が第１の反応容器１０１の外部から第１の反応容器１０１内に通過する領域を、温度制御するようにすることもできる。

図２は本発明の結晶成長装置の第２の構成例を示す図であり、図２の結晶成長装置では、図１の結晶成長装置において、さらに、窒素原料が第１の反応容器１０１の外部から第１の反応容器１０１内に通過する領域を、温度制御するように構成されている。

すなわち、図２の結晶成長装置では、窒素原料が第１の反応容器１０１の外部から第１の反応容器１０１内に通過する領域（すなわち窒素供給管１０４）を温度制御するために、窒素供給管１０４の外側に第３の加熱装置１１０が設けられている。

図２の結晶成長装置では、第３の加熱装置１１０によって窒素供給管１０４の温度制御が可能となる。すなわち、第３の加熱装置１１０によって窒素供給管１０４を加熱することで、図１の結晶成長装置よりもさらに効果的に、アルカリ金属が窒素供給管１０４に凝縮することを防止することができる。その結果、窒素を反応容器１０１内により一層スムーズに導入することが可能となり、安定的な結晶成長が可能となる。

このように、図２の結晶成長装置では、窒素原料が第１の反応容器１０１の外部から第１の反応容器１０１内に通過する領域（窒素供給管１０４）を加熱することで、アルカリ金属のその領域（窒素供給管１０４）への凝縮を防止している。前述したように、窒素原料が通過する領域（窒素供給管１０４）へのアルカリ金属の凝縮を防ぐ以外に、この領域（窒素供給管１０４）に吸着したアルカリ金属を（例えば機械的に）取り除くこともできるが、装置上の構造等を考慮すると、図２の結晶成長装置のような構造の方が簡便に本来の機能を満足する。また、図２の結晶成長装置のように窒素原料が通過する領域（窒素供給管１０４）の温度を制御可能となっていることで、もしアルカリ金属がその領域（窒素供給管１０４）に凝縮した場合でも、この領域（窒素供給管１０４）を加熱することで、凝集したアルカリ金属を再蒸発させることが可能となる。

図１，図２の結晶成長装置の構成例の他にも、アルカリ金属蒸気を第１の反応容器内に閉じ込める機能を実現することが可能である。例えば、第１の反応容器の外側に第２の反応容器を設け、第２の反応容器の外側から窒素原料を導入し、第１の反応容器は、第２の反応容器からの窒素原料を透過しつつ、アルカリ金属蒸気を閉じ込める構造とすることもできる。

このような構成では、窒素原料は第２の反応容器の外部より第２の反応容器内に導入される。第１の反応容器の内部にはアルカリ金属と少なくともIII族金属を含む混合融液があり、窒素原料は第２の反応容器を透過して第１の反応容器内に導入され、第１の反応容器内においてアルカリ金属とIII族金属と窒素原料が反応することで、III族窒化物が結晶成長する。III族窒化物が結晶成長する温度領域では、アルカリ金属はある蒸気圧を有し、そのアルカリ金属蒸気は第１の反応容器内に閉じ込められる。

図３は本発明の結晶成長装置の第３の構成例を示す図であり、図３の結晶成長装置では、第１の反応容器１０１の外側に第２の反応容器１１１を設け、第２の反応容器１１１の外側から窒素原料を導入し、第１の反応容器１０１は、第２の反応容器１１１からの窒素原料を透過しつつ、アルカリ金属蒸気を閉じ込める構造となっている。

すなわち、図３の結晶成長装置では、第１の反応容器１０１の外側に第２の反応容器１１１がある。そして、第１の反応容器１０１の上部には蓋１１２がある。ここで、第１の反応容器１０１の材質はＢＮ（窒化硼素）であり、第２の反応容器１１１はステンレス製である。

第１の反応容器１０１内には、アルカリ金属としてのＮａと、少なくともIII族金属元素を含む物質としての金属Ｇａが収容されており、それらはIII族窒化物結晶が成長する温度領域で混合融液１０２を形成している。そして、少なくとも窒素元素を含む物質として窒素ガス（Ｎ₂）が、第１の反応容器１０１内の空間領域１０３と、第２の反応容器１１１内の空間領域１１３に充填されている。この窒素ガスは、窒素供給管１０４を通して、第２の反応容器１１１の外部から第２の反応容器１１１内に供給可能となっている。さらに、第１の反応容器１０１の蓋１１２には、窒素ガスが透過できる程度の微細な隙間があり、その隙間を透過して窒素ガスが第２の反応容器１１１から第１の反応容器１０１内に供給可能となっている。

なお、窒素圧力を調整するために、図３の装置では、圧力調整機構１０５が設けられている。この圧力調整機構１０５は、例えば、圧力センサー及び圧力調整弁等により構成されており、この圧力調整機構１０５によって、第２の反応容器１１１，第１の反応容器１０１内の窒素圧力は、例えば５０気圧に制御されている。

また、図３の結晶成長装置では、第２の反応容器１１１の外側には、第１の反応容器１０１内の混合融液１０２内あるいは混合融液１０２表面で、III族窒化物が結晶成長可能な温度に制御できるように加熱装置１１６が設けられている。

このような構成では、加熱装置１１６により、III族窒化物結晶が成長する温度（例えば７５０℃）に制御することで、アルカリ金属であるＮａとIII族金属原料であるＧａとの混合融液１０２が形成される。この状態で、混合融液１０２からIII族金属であるＧａが供給され、成長温度に一定保持することで、III族窒化物としてのＧａＮ結晶が混合融液中１０８及び混合融液表面１０９で結晶成長する。

図３の結晶成長装置では、ＮａとＧａの混合融液中１０８及び混合融液表面１０９で、窒素ガスとＧａとが反応することで、あるいは、窒素ガスから供給された融液中の窒素成分とＧａとが反応することで、継続的なＧａＮ結晶が成長し、結晶サイズの大きなものを得ることが可能となる。

ところで、図３の結晶成長装置では、第１の反応容器１０１とその蓋１１２があることで、第１の反応容器１０１内のアルカリ金属を第１の反応容器１０１内に大部分閉じ込めることが可能となる。これにより、アルカリ金属とIII族金属の組成の変動が抑制され、制御性良くIII族窒化物結晶を成長することが可能となる。この時、アルカリ金属の窒素供給管１０４への凝縮も抑制できる。

また、図１の結晶成長装置において説明したように、アルカリ金属であるＮａとIII族金属原料であるＧａからなる混合融液１０２の表面より上部の温度が混合融液１０２の温度以上となるように第１の反応容器１０１内の温度を制御する場合には、より確実にアルカリ金属の混合融液１０２以外への凝縮等による拡散を防止することが可能となる。

また、図１，図２，図３の結晶成長装置において、窒素原料を第１の反応容器１０１、あるいは、第２の反応容器１１１の水平方向から、もしくは、水平方向よりも下側方向から、反応容器１０１または１１１内に導入することもできる。

図４は本発明の結晶成長装置の第４の構成例を示す図であり、図４の結晶成長装置では、窒素供給管１０４が第２の反応容器１１１の下側に接続されている。そのため、窒素原料である窒素ガスは、第２の反応容器１１１の下側から供給される。本願の発明者は、蒸気となったアルカリ金属は反応容器内の上部により多く凝縮することを実験的に確認しており、図４の結晶成長装置のように下側から窒素ガスを導入することで、窒素供給管１０４へのアルカリ金属の凝縮をより確実に防止することができる。その結果、窒素ガスの導入をより確実に行うことが可能となり、結晶成長の制御性（窒素圧力の制御）を高めることができる。

なお、図４の例では、窒素ガスを第２の反応容器１１１の下側から導入したが、窒素ガスの導入方向は、第２の反応容器１１１に対し水平方向よりも下側方向であれば上述の効果を得ることができる。

また、図４の結晶成長装置は、図３の結晶成長装置の構成に適用したものとなっているが、図１あるいは図２の結晶成長装置の構成に適用することもできる。すなわち、この場合、窒素原料を第１の反応容器１０１、あるいは、第２の反応容器１１１の水平方向から、もしくは、水平方向よりも下側方向から、反応容器１０１または１１１内に導入することで、図４の結晶成長装置において得られたと同様の効果を得ることができる。

なお、上述の例では、低融点かつ高蒸気圧の金属（アルカリ金属）としてＮａを用いているが、Ｎａのかわりに、カリウム（Ｋ）等を用いることもできる。すなわち、アルカリ金属としては、III族窒化物結晶を成長させる温度において、融液となるものであれば、任意のアルカリ金属を用いることができる。

また、上述の例では、少なくともIII族金属元素を含む物質として、Ｇａを用いているが、Ｇａ以外にも、ＡｌやＩｎ等の単体の金属、あるいは、それらの混合物、合金等を用いることもできる。

また、上述の例では、少なくとも窒素元素を含む物質として窒素ガスを用いているが、窒素ガス以外にも、ＮＨ₃等のガスを用いることもできる。

また、上述の例では、第１の反応容器１０１をステンレス製のものとしているが、第１の反応容器１０１としては、外部と雰囲気を遮断し、III族窒化物結晶を成長させることが可能な温度，圧力に耐えうるもので、かつアルカリ金属と反応せずにIII族窒化物が結晶成長する際に不純物として溶出するようなものでなければ、任意の材料からなるものを用いることができる。

上述した各結晶成長装置（すなわち、図１，図２，図３，あるいは図４に示したような結晶成長装置）を用いて、III族窒化物結晶を結晶成長させることで、結晶品質が高く、デバイスを作製することが可能な程度に大きいIII族窒化物結晶を、低コストで提供することができる。

本発明によるIII族窒化物結晶の成長方法の一例としては、III族金属としてＧａ、窒素原料として窒素ガス、フラックスとしてＮａを用い、反応容器及びフラックス容器の温度を７５０℃とし、窒素圧力を５０ｋｇ／ｃｍ²Ｇに一定にする。このような条件下で、ＧａＮ結晶が成長可能である。

また、本発明の成長方法により成長させたIII族窒化物結晶を用いて、III族窒化物半導体デバイスを作製することができる。

図５は本発明に係る半導体デバイスの構成例を示す図である。なお、図５の例では、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５を参照すると、この半導体デバイスは、上述したような仕方で結晶成長させた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、ＩｎＧａＮＭＱＷ（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いる。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。

次いで、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮの積層膜にリッジ構造を形成し、ＳｉＯ₂絶縁膜３０８をコンタクト領域のみ穴開けした状態で形成し、上部及び下部に各々ｐ側オーミック電極Ａｌ／Ｎｉ３０９及びｎ側オーミック電極Ａｌ／Ｔｉ３１０を形成して、図５の半導体デバイス(半導体レーザ)が構成される。

この半導体レーザのｐ側オーミック電極Ａｌ／Ｎｉ３０９及びｎ側オーミック電極Ａｌ／Ｔｉ３１０から電流を注入することで、この半導体レーザは発振し、図５の矢印Ａの方向にレーザ光を出射させることができる。

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３０１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３０１はｎ型であることから、基板３０１に直接電極３１０を形成することができ、第１の従来技術（図６）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必要がなく、低コスト化を図ることが可能となる。

さらに、図５の半導体デバイスでは、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。

本発明に係る結晶成長装置の第１の構成例を示す図である。本発明に係る結晶成長装置の第２の構成例を示す図である。本発明に係る結晶成長装置の第３の構成例を示す図である。本発明に係る結晶成長装置の第４の構成例を示す図である。本発明に係る半導体デバイスの構成例を示す図である。従来のレーザダイオードを示す図である。

符号の説明

１０１第１の反応容器
１０２混合融液
１０３窒素ガス
１０４窒素供給管
１０５圧力調整機構
１０６第１の加熱装置
１０７第２の加熱装置
１０８混合融液中
１０９混合融液表面
１１０第３の加熱装置
１１１第２の反応容器
１１２蓋
１１６加熱装置
３０１ｎ型ＧａＮ基板
３０２ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０３ｎ型ＧａＮガイド層
３０４ＩｎＧａＮＭＱＷ(多重量子井戸)活性層
３０５ｐ型ＧａＮガイド層
３０６ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０７ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０８ＳｉＯ₂絶縁膜
３０９ｐ側オーミック電極Ａｌ／Ｎｉ
３１０ｎ側オーミック電極Ａｌ／Ｔｉ

Claims

第１の容器内で、アルカリ金属および少なくともIII族金属を含む混合融液と前記第１の容器の外部から導入される窒素原料とを用いて、III族窒化物結晶を成長させる結晶成長装置であって、前記第１の容器の外側に設けられた第２の容器を備え、前記第２の容器の外側から窒素原料が導入され、前記第１の容器には蓋部が設けられており、前記蓋部に設けられた隙間から前記第２の容器内の窒素原料を前記第１の容器内に導入しつつ、前記第１の容器内にアルカリ金属蒸気を閉じ込めることを特徴とする結晶成長装置。
前記第１の容器の材質はＢＮであり、前記第２の容器の材質はステンレスである、請求項１に記載の結晶成長装置。
請求項１または請求項２に記載の結晶成長装置において、前記窒素原料を、前記第２の容器の水平方向よりも下側方向から、前記第２の容器内に導入することを特徴とする結晶成長装置。