JP5228286B2 - Crystal growth equipment - Google Patents
Crystal growth equipment Download PDFInfo
- Publication number
- JP5228286B2 JP5228286B2 JP2006154425A JP2006154425A JP5228286B2 JP 5228286 B2 JP5228286 B2 JP 5228286B2 JP 2006154425 A JP2006154425 A JP 2006154425A JP 2006154425 A JP2006154425 A JP 2006154425A JP 5228286 B2 JP5228286 B2 JP 5228286B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- temperature
- crystal
- melt
- mixing ratio
- 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.)
- Active
Links
Images
Description
この発明は、III族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置に関するものである。 The present invention relates to crystal growth equipment for crystal growth of III-nitride crystal.
現在、紫外、紫〜青〜緑色光源として用いられているInGaAlN(III族窒化物半導体)系デバイスは、その殆どがサファイアおよびシリコンカーバイド(SiC)を基板とし、その基板上にMOCVD法(有機金属化学気相成長法)およびMBE法(分子線結晶成長法)等を用いて作製されている。 At present, most of InGaAlN (group III nitride semiconductor) -based devices used as ultraviolet, violet to blue to green light sources have sapphire and silicon carbide (SiC) as substrates, and MOCVD (organometallic) is formed on the substrate. Chemical vapor deposition) and MBE (molecular beam crystal growth) are used.
このように、サファイアおよびシリコンカーバイドを基板として用いた場合、熱膨張係数および格子定数が基板とIII族窒化物半導体とでそれぞれ大きく異なっているため、III族窒化物半導体内に多くの結晶欠陥が含まれることとなる。この結晶欠陥は、デバイス特性を低下させ、たとえば、発光デバイスにおいては、寿命が短い、動作電力が大きい、等の欠点に直接関係する。 Thus, when sapphire and silicon carbide are used as the substrate, the thermal expansion coefficient and the lattice constant are greatly different between the substrate and the group III nitride semiconductor, so that many crystal defects are present in the group III nitride semiconductor. Will be included. This crystal defect degrades device characteristics, and is directly related to defects such as short lifetime and high operating power in a light emitting device, for example.
また、サファイア基板は、絶縁体であるため、従来の発光デバイスのように基板側から電極を取り出すことが不可能であった。これにより、III族窒化物半導体側から電極を取り出すことが必要となる。その結果、デバイスの面積が大きくなり、高コスト化を招くという不都合があった。そして、デバイスの面積が大きくなると、サファイア基板とIII族窒化物半導体という異種材料の組み合わせに伴う基板の反りという新たな問題が発生する。 Further, since the sapphire substrate is an insulator, it has been impossible to take out the electrode from the substrate side like a conventional light emitting device. Thereby, it is necessary to take out the electrode from the group III nitride semiconductor side. As a result, there is a disadvantage that the area of the device is increased and the cost is increased. And when the area of a device becomes large, the new problem of the curvature of a board | substrate accompanying the combination of a dissimilar material called a sapphire substrate and a group III nitride semiconductor will generate | occur | produce.
さらに、サファイア基板上に作製された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)において必要とされる共振器端面を得ることは、容易ではない。このため、現在は、ドライエッチング、またはサファイア基板を厚さ100μm以下まで研磨した後に劈開に近い形に分離し、共振器端面の形成を行なっている。したがって、従来のLDのように、共振器端面の形成とチップ分離とを単一工程で行なうことが困難であり、工程の複雑化によるコスト高を招いていた。 Further, the group III nitride semiconductor device fabricated on the sapphire substrate is difficult to separate by chip cleavage, and it is not easy to obtain a resonator end face required in a laser diode (LD). Therefore, at present, the end face of the resonator is formed by dry etching or separating the sapphire substrate into a shape close to cleavage after polishing to a thickness of 100 μm or less. Therefore, unlike the conventional LD, it is difficult to perform the formation of the resonator end face and the chip separation in a single process, resulting in high costs due to the complicated process.
これらの問題を解決するため、サファイア基板上にIII族窒化物半導体を選択的に横方向に成長させるなどの工夫をし、結晶欠陥を低減させることが提案された。これにより、結晶欠陥を低減させることが可能となったが、サファイア基板の絶縁性および上述した劈開の困難性に関する問題は、依然として残っている。 In order to solve these problems, it has been proposed to reduce crystal defects by devising such as selectively growing a group III nitride semiconductor in a lateral direction on a sapphire substrate. This makes it possible to reduce crystal defects, but the problems relating to the insulating properties of the sapphire substrate and the aforementioned difficulty of cleavage still remain.
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窒化ガリウム(GaN)基板が最適である。そのため、気相成長および融液成長等により、バルクGaNを結晶成長させる方法が、各種、提案されている。しかし、未だ高品質かつ実用的な大きさを有するGaN基板は、実現されていない。 In order to solve these problems, a gallium nitride (GaN) substrate that is the same as the material for crystal growth on the substrate is optimal. Therefore, various methods for crystal growth of bulk GaN by vapor phase growth and melt growth have been proposed. However, a GaN substrate having a high quality and a practical size has not been realized yet.
GaN基板を実現する1つの方法として、ナトリウム(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(特許文献1)。この方法は、アジ化ナトリウム(NaN3)と金属Gaとを原料として、ステンレス製の反応容器(容器内寸法:内径=7.5mm、長さ=100mm)にNaN3および金属Gaを窒素雰囲気中で封入し、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結晶が成長するものである。 As one method for realizing a GaN substrate, a GaN crystal growth method using sodium (Na) as a flux has been proposed (Patent Document 1). In this method, sodium azide (NaN 3 ) and metallic Ga are used as raw materials, and NaN 3 and metallic Ga are placed in a nitrogen atmosphere in a stainless steel reaction vessel (inner dimensions: inner diameter = 7.5 mm, length = 100 mm). The GaN crystal grows by encapsulating the reaction vessel and holding the reaction vessel at a temperature of 600 to 800 ° C. for 24 to 100 hours.
この方法は、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程度と比較的低く、実用的な成長条件であることが特徴である。 This method is characterized in that crystal growth is possible at a relatively low temperature of 600 to 800 ° C., and the pressure in the container is relatively low at about 100 kg / cm 2 at most, which is a practical growth condition.
そして、最近では、アルカリ金属とIII族金属との混合融液と、窒素を含むV族原料とを反応させることにより、高品質なIII族窒化物結晶が実現されている(特許文献2)。
しかし、GaN結晶を結晶成長する従来の結晶成長装置においては、金属Naと金属Gaとの混合比、窒素原料である窒素ガスのガス圧力および金属Naと金属Gaとの混合融液の温度がGaN結晶を結晶成長させるための主な条件であり、混合比、ガス圧力および温度を制御してGaN結晶を結晶成長させることが困難であった。 However, in a conventional crystal growth apparatus for crystal growth of GaN crystals, the mixing ratio of metal Na and metal Ga, the gas pressure of nitrogen gas as the nitrogen source, and the temperature of the mixed melt of metal Na and metal Ga are GaN. This is the main condition for crystal growth, and it has been difficult to grow a GaN crystal by controlling the mixing ratio, gas pressure and temperature.
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、混合比、ガス圧力および温度を制御してIII族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a crystal growth apparatus for growing a group III nitride crystal by controlling the mixing ratio, gas pressure and temperature. It is.
この発明によれば、アルカリ金属とIII族金属との総量に対する前記アルカリ金属の量比を示す混合比に応じて決定され、かつ、III族窒化物結晶を結晶成長または溶解させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力/温度相関図を用いてIII族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置であって、所定の混合比でアルカリ金属とIII族金属とを含む混合融液を保持する坩堝と、坩堝内の混合融液に接する容器空間へ窒素原料ガスを供給して容器空間のガス圧力を所定の圧力に設定するガス供給装置と、混合融液の温度を所定の温度に設定する加熱装置と、複数の混合比に対応して設けられた複数の圧力/温度相関図から前記所定の混合比に応じて決定された所定の圧力/温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に前記容器空間における窒素原料ガスのガス圧力と混合融液の温度とをそれぞれ設定するようにガス供給装置および加熱装置を制御する制御装置と、を備え、複数の圧力/温度相関図は、種結晶からの前記III族窒化物結晶の結晶成長および柱状形状からなるIII族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力/温度相関図であり、且つ第1の混合比に応じて決定された第1の圧力/温度相関図と、板状形状からなるIII族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力/温度相関図であり、且つ第1の混合比よりも大きい第2の混合比に応じて決定された第2の圧力/温度相関図と、種結晶からのIII族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力/温度相関図であり、且つ第2の混合比よりも大きい第3の混合比に応じて決定された第3の圧力/温度相関図と、を含み、所定の圧力/温度相関図は、第1から第3の圧力/温度相関図から所定の混合比の決定に応じて選択され、制御装置は、板状形状からなるIII族窒化物結晶を結晶成長させる場合、第2の圧力/温度相関図に含まれる第2の所望の圧力および第2の所望の温度に容器空間における窒素原料ガスのガス圧力と混合融液の温度とをそれぞれ設定するようにガス供給装置および加熱装置を制御する。 According to this invention, the pressure and temperature are determined according to the mixing ratio indicating the quantitative ratio of the alkali metal to the total amount of the alkali metal and the group III metal, and when the group III nitride crystal is grown or dissolved. Is a crystal growth apparatus for growing a group III nitride crystal using a pressure / temperature correlation diagram that defines the relationship between and a mixed melt containing an alkali metal and a group III metal at a predetermined mixing ratio. A crucible, a gas supply device that supplies a nitrogen source gas to a container space in contact with the mixed melt in the crucible and sets the gas pressure in the container space to a predetermined pressure, and sets the temperature of the mixed melt to a predetermined temperature A desired pressure and a desired pressure included in a predetermined pressure / temperature correlation diagram determined according to the predetermined mixing ratio from a plurality of pressure / temperature correlation diagrams provided corresponding to the heating device and the plurality of mixing ratios. Said volume to temperature A control device that controls the gas supply device and the heating device so as to set the gas pressure of the nitrogen source gas in the space and the temperature of the mixed melt, respectively, and a plurality of pressure / temperature correlation diagrams are obtained from the seed crystal. FIG. 5 is a pressure / temperature correlation diagram suitable for crystal growth of a group III nitride crystal and a group III nitride crystal having a columnar shape, and a first pressure / determined according to a first mixing ratio; FIG. 4 is a temperature correlation diagram and a pressure / temperature correlation diagram suitable for crystal growth of a group III nitride crystal having a plate shape, and is determined according to a second mixing ratio larger than the first mixing ratio. 2 is a pressure / temperature correlation diagram of 2 and a pressure / temperature correlation diagram suitable for crystal growth of a group III nitride crystal from a seed crystal, and is determined according to a third mixing ratio larger than the second mixing ratio. A third pressure / temperature correlation diagram A predetermined pressure / temperature correlation diagram is selected depending from the third pressure / temperature correlation diagram from the first to determine the predetermined mixing ratio, the controller crystalline group III nitride crystal comprising a plate-like shape When growing, the gas pressure of the nitrogen source gas and the temperature of the mixed melt in the container space are respectively set to the second desired pressure and the second desired temperature included in the second pressure / temperature correlation diagram. The gas supply device and the heating device are controlled.
好ましくは、結晶成長装置は、支持装置をさらに備える。支持装置は、III族窒化物結晶からなる種結晶を容器空間と混合融液との界面または混合融液中に支持する。制御装置は、種結晶からIII族窒化物結晶を結晶成長させる場合、第1の圧力/温度相関図に含まれる第3の所望の圧力および第3の所望の温度に容器空間における窒素原料ガスのガス圧力と混合融液の温度とをそれぞれ設定するようにガス供給装置および加熱装置を制御し、または第3の圧力/温度相関図に含まれる第4の所望の圧力および第4の所望の温度に容器空間における窒素原料ガスのガス圧力と混合融液の温度とをそれぞれ設定するようにガス供給装置および加熱装置を制御する。 Preferably, the crystal growth device further includes a support device. The supporting device supports a seed crystal made of a group III nitride crystal at the interface between the container space and the mixed melt or in the mixed melt. When the group III nitride crystal is grown from the seed crystal, the control device causes the nitrogen source gas in the container space to reach the third desired pressure and the third desired temperature included in the first pressure / temperature correlation diagram. The gas supply device and the heating device are controlled to set the gas pressure and the temperature of the mixed melt, respectively, or the fourth desired pressure and the fourth desired temperature included in the third pressure / temperature correlation diagram. The gas supply device and the heating device are controlled so as to set the gas pressure of the nitrogen source gas in the container space and the temperature of the mixed melt respectively.
好ましくは、第1から第3の圧力/温度相関図の各々は、III族窒化物結晶を溶解する第1の領域と、種結晶からIII族窒化物結晶を結晶成長する第2の領域と、柱状形状からなるIII族窒化物結晶を結晶成長する第3の領域と、板状形状からなるIII族窒化物結晶を結晶成長する第4の領域とを含む。そして、制御装置は、所定の混合比の決定に応じて第1から第3の圧力/温度相関図から選択された所定の圧力/温度相関図において、第1から第4の領域の少なくとも1つの領域に含まれる所望の圧力および所望の温度に容器空間における窒素原料ガスのガス圧力と混合融液の温度とをそれぞれ設定するようにガス供給装置および加熱装置を制御する。 Preferably, each of the first to third pressure / temperature correlation diagrams includes: a first region for dissolving the group III nitride crystal; a second region for crystal growing the group III nitride crystal from the seed crystal; A third region for growing a group III nitride crystal having a columnar shape and a fourth region for growing a group III nitride crystal having a plate shape are included. The control device then selects at least one of the first to fourth regions in the predetermined pressure / temperature correlation diagram selected from the first to third pressure / temperature correlation diagrams according to the determination of the predetermined mixing ratio. The gas supply device and the heating device are controlled so as to set the gas pressure of the nitrogen source gas in the container space and the temperature of the mixed melt to the desired pressure and desired temperature contained in the region, respectively.
好ましくは、結晶成長装置は、混合比変化手段と、選択手段とをさらに備える。混合比変化手段は、混合融液におけるアルカリ金属とIII族金属との混合比を複数の混合比の範囲で変化する。選択手段は、混合比変化手段によって変化された混合比に対応する圧力/温度相関図を所定の圧力/温度相関図として複数の圧力/温度相関図から選択する。そして、制御装置は、選択手段によって選択された圧力/温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に容器空間における窒素原料ガスのガス圧力と混合融液の温度とをそれぞれ設定するようにガス供給装置および加熱装置を制御する。 Preferably, the crystal growth apparatus further includes a mixture ratio changing unit and a selection unit. The mixing ratio changing means changes the mixing ratio of the alkali metal and the group III metal in the mixed melt within a range of a plurality of mixing ratios. The selecting means selects a pressure / temperature correlation diagram corresponding to the mixing ratio changed by the mixing ratio changing means from a plurality of pressure / temperature correlation diagrams as a predetermined pressure / temperature correlation diagram. Then, the control device sets the gas pressure of the nitrogen source gas and the temperature of the mixed melt in the container space to the desired pressure and the desired temperature included in the pressure / temperature correlation diagram selected by the selection means, respectively. The gas supply device and the heating device are controlled.
好ましくは、混合比変化手段は、混合融液へのアルカリ金属の供給/停止を制御して混合比を変化する。 Preferably, the mixing ratio changing means changes the mixing ratio by controlling supply / stop of the alkali metal to the mixed melt.
好ましくは、混合比変化手段は、外部容器と、蒸気圧制御器とを含む。外部容器は、容器空間に連通する外部容器空間に接してアルカリ金属融液を保持する。蒸気圧制御器は、アルカリ金属融液から蒸発するアルカリ金属の第1の蒸気圧と混合融液から蒸発するアルカリ金属の第2の蒸気圧との相対関係を変化させてアルカリ金属の供給/停止を制御する。 Preferably, the mixing ratio changing means includes an outer container and a vapor pressure controller. The outer container is in contact with the outer container space communicating with the container space and holds the alkali metal melt. The vapor pressure controller changes the relative relationship between the first vapor pressure of the alkali metal evaporated from the alkali metal melt and the second vapor pressure of the alkali metal evaporated from the mixed melt to supply / stop the alkali metal. To control.
好ましくは、蒸気圧制御器は、アルカリ金属融液の温度を変えて第1の蒸気圧と第2の蒸気圧との相対関係を変化させる。 Preferably, the vapor pressure controller changes the relative relationship between the first vapor pressure and the second vapor pressure by changing the temperature of the alkali metal melt.
この発明においては、アルカリ金属とIII族金属との量比を示す混合比が複数の混合比の範囲で決定され、その決定された混合比に応じた圧力/温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてIII族窒化物結晶が結晶成長される。 In the present invention, the mixing ratio indicating the quantitative ratio of the alkali metal and the group III metal is determined in a range of a plurality of mixing ratios, and the desired pressure included in the pressure / temperature correlation diagram corresponding to the determined mixing ratio. And a group III nitride crystal is grown using the desired temperature.
したがって、この発明によれば、混合比、ガス圧力および温度を制御してIII族窒化物結晶を結晶成長できる。 Therefore, according to the present invention, the group III nitride crystal can be grown by controlling the mixing ratio, gas pressure and temperature.
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。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[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、反応容器20と、配管30と、融液保持部材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と、バルブ120,121,160と、圧力調整器130と、ガスボンベ140と、排気管150と、真空ポンプ170と、圧力センサー180と、金属融液190と、制御装置300と、圧力センサー310とを備える。
[Embodiment 1]
1 is a schematic cross-sectional view of a crystal growth apparatus according to
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。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。すなわち、反応容器20は、坩堝10を内部に含む。そして、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。
The
配管30は、重力方向DR1において、一方端が坩堝10の下側で反応容器20に連結され、他方端がガス供給管110に連結される。
The
融液保持部材60は、たとえば、金属およびセラミック等からなり、反応容器20と配管30との連結部よりも下側の配管30内に設置される。
The
加熱装置70は、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、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。
The
ガス供給管90は、一方端がバルブ120を介して反応容器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、一方端がバルブ121を介して配管30に連結され、他方端がガス供給管90に連結される。
The
バルブ120は、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。
The
排気管150は、一方端がバルブ160を介して反応容器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、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。
One end of the
圧力センサー180は、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、融液保持部材60によって配管30内に保持される。
The
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。反応容器20は、坩堝10の周囲を覆う。配管30は、金属融液190を保持する。
The
融液保持部材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内の空間31へ供給された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、融液保持部材60は、金属融液190の表面張力により金属融液190を配管30内に保持する。
The
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、制御装置300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、反応容器20の外周面20Aから坩堝10および反応容器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を制御装置300へ出力する。
The
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、制御装置300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、反応容器20の底面20Bから坩堝10および反応容器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を制御装置300へ出力する。
The
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バルブ121を介して配管30内へ供給する。
The
バルブ120は、ガス供給管90内の窒素ガスを反応容器20内へ供給し、または窒素ガスの反応容器20内への供給を停止する。バルブ121は、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。圧力調整器130は、制御装置300からの制御信号CTL3に応じて、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に供給する。
The
ガスボンベ140は、窒素ガスを保持する。排気管150は、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、反応容器20内と排気管150とを空間的に繋げ、または反応容器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を介して反応容器20内の真空引きを行なう。
The gas cylinder 140 holds nitrogen gas. The
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反応容器20内の圧力を検出する。窒素ガスは、金属融液190と融液保持部材60を介して空間23へ導入される。
The
制御装置300は、温度T1,T2をそれぞれ温度センサー71,81から受け、その受けた温度T1,T2に基づいて、坩堝10および反応容器20の温度を所望の温度に設定するための制御信号CTL1,CTL2を生成する。そして、制御装置300は、その生成した制御信号CTL1,2をそれぞれ加熱装置70,80へ出力する。
また、制御装置300は、圧力センサー310から静水圧Psを受け、その受けた静水圧Psに基づいて空間23の圧力Pinを求める。より具体的には、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、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。
Further, the
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300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に基づいて圧力Pinを求める。
As described above, the hydrostatic pressure Ps is proportional to the pressure Pin in the
そして、制御装置300は、空間23の圧力Pinを求めると、その求めた圧力Pinを所望の圧力に設定するための制御信号CTL3を生成し、その生成した制御信号CTL3を圧力調整器130へ出力する。
Then, when determining the pressure Pin of the
圧力センサー310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を制御創始300へ出力する。
The
図2は、図1に示す融液保持部材60の斜視図である。図2を参照して、融液保持部材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。
FIG. 2 is a perspective view of the
図3は、融液保持部材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。融液保持部材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、融液保持部材60は、配管30の内壁30Aに嵌合する。
FIG. 3 is a plan view showing a state where the
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、融液保持部材60が配管30の内壁30Aに嵌合した状態では、融液保持部材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。
As a result of the
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の表面張力によって金属融液190を保持し、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。
The
図4は、GaN結晶を結晶成長させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力/温度相関図を金属Naと金属Gaとの混合比に対して示す図である。なお、金属Naと金属Gaとの混合比rは、r=[金属Na]/([金属Na]+[金属Ga])によって定義される。[金属Na]および[金属Ga]は、それぞれ、金属Naのモル量および金属Gaのモル量である。 FIG. 4 is a diagram showing a pressure / temperature correlation diagram for defining the relationship between pressure and temperature when growing a GaN crystal with respect to the mixing ratio of metal Na and metal Ga. In addition, the mixing ratio r of metal Na and metal Ga is defined by r = [metal Na] / ([metal Na] + [metal Ga]). [Metal Na] and [Metal Ga] are the molar amount of metallic Na and the molar amount of metallic Ga, respectively.
図4の(a)は、混合比rがr=0.4である場合の圧力/温度相関図を示し、図4の(b)は、混合比rがr=0.7である場合の圧力/温度相関図を示し、図4の(c)は、混合比rがr=0.95である場合の圧力/温度相関図を示す。 4A shows a pressure / temperature correlation diagram when the mixing ratio r is r = 0.4, and FIG. 4B shows a case where the mixing ratio r is r = 0.7. The pressure / temperature correlation diagram is shown, and FIG. 4C shows the pressure / temperature correlation diagram when the mixing ratio r is r = 0.95.
そして、図4の(a),(b),(c)の各々において、縦軸は、反応容器20内の空間23における窒素ガスのガス圧力を表し、横軸は、坩堝10および反応容器20の温度(=混合融液290の温度)の逆数(絶対温度の逆数)を表す。
4 (a), (b), and (c), the vertical axis represents the gas pressure of nitrogen gas in the
図4の(a)を参照して、圧力/温度相関図PT1は、領域REG11,REG12,REG13,REG14を有する。領域REG11は、直線k1によって領域REG12と仕切られ、領域REG12は、直線k2によって領域REG13と仕切られ、領域REG13は、直線k3によって領域REG14と仕切られる。 Referring to (a) of FIG. 4, the pressure / temperature correlation diagram PT1 includes regions REG11, REG12, REG13, and REG14. The region REG11 is partitioned from the region REG12 by a straight line k1, the region REG12 is partitioned from the region REG13 by a straight line k2, and the region REG13 is partitioned from the region REG14 by a straight line k3.
そして、領域REG11は、GaN結晶を溶解させる領域であり、領域REG12は、新たな核の発生を抑制してGaN結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域REG13は、柱状形状のGaN結晶が結晶成長する領域であり、領域REG14は、板状形状のGaN結晶が結晶成長する領域である。 The region REG11 is a region where the GaN crystal is dissolved, and the region REG12 is a region where the generation of a new nucleus is suppressed and the GaN crystal grows from the seed crystal. The region REG13 is a region where the columnar GaN crystal grows, and the region REG14 is a region where the plate-shaped GaN crystal grows.
このように、圧力/温度相関図PT1は、GaN結晶を溶解させる領域REG11と、形状または成長機構が異なるGaN結晶を結晶成長させる領域REG12,REG13,REG14とからなる。 As described above, the pressure / temperature correlation diagram PT1 includes the region REG11 in which the GaN crystal is dissolved and the regions REG12, REG13, and REG14 in which the GaN crystals having different shapes or growth mechanisms are grown.
図4の(b)を参照して、圧力/温度相関図PT2は、領域REG21,REG22,REG23,REG24を有する。領域REG21は、直線k4によって領域REG22と仕切られ、領域REG22は、直線k5によって領域REG23と仕切られ、領域23は、直線k6によって領域REG24と仕切られる。
Referring to FIG. 4B, the pressure / temperature correlation diagram PT2 has regions REG21, REG22, REG23, and REG24. The region REG21 is partitioned from the region REG22 by a straight line k4, the region REG22 is partitioned from the region REG23 by a straight line k5, and the
そして、領域REG21は、GaN結晶を溶解させる領域であり、領域REG22は、新たな核の発生を抑制してGaN結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域REG23は、柱状形状のGaN結晶が結晶成長する領域であり、領域REG24は、板状形状のGaN結晶が結晶成長する領域である。 The region REG21 is a region where the GaN crystal is dissolved, and the region REG22 is a region where the generation of a new nucleus is suppressed and the GaN crystal grows from the seed crystal. The region REG23 is a region where a columnar GaN crystal grows, and the region REG24 is a region where a plate-shaped GaN crystal grows.
このように、圧力/温度相関図PT2も、GaN結晶を溶解させる領域REG21と、形状または成長機構が異なるGaN結晶を結晶成長させる領域REG22,REG23,REG24とからなる。 As described above, the pressure / temperature correlation diagram PT2 also includes the region REG21 in which the GaN crystal is dissolved and the regions REG22, REG23, and REG24 in which the GaN crystals having different shapes or growth mechanisms are grown.
図4の(c)を参照して、圧力/温度相関図PT3は、領域REG31,REG32,REG33,REG34を有する。領域REG31は、直線k7によって領域REG32と仕切られ、領域REG32は、直線k8によって領域REG33と仕切られ、領域33は、直線k9によって領域REG34と仕切られる。 Referring to FIG. 4C, the pressure / temperature correlation diagram PT3 includes regions REG31, REG32, REG33, and REG34. The region REG31 is partitioned from the region REG32 by a straight line k7, the region REG32 is partitioned from the region REG33 by a straight line k8, and the region 33 is partitioned from the region REG34 by a straight line k9.
そして、領域REG31は、GaN結晶を溶解させる領域であり、領域REG32は、新たな核の発生を抑制してGaN結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域REG33は、柱状形状のGaN結晶が結晶成長する領域であり、領域REG34は、板状形状のGaN結晶が結晶成長する領域である。 The region REG31 is a region where the GaN crystal is dissolved, and the region REG32 is a region where the generation of a new nucleus is suppressed and the GaN crystal grows from the seed crystal. The region REG33 is a region where a columnar GaN crystal grows, and the region REG34 is a region where a plate-shaped GaN crystal grows.
このように、圧力/温度相関図PT3も、GaN結晶を溶解させる領域REG31と、形状または成長機構が異なるGaN結晶を結晶成長させる領域REG32,REG33,REG34とからなる。 Thus, the pressure / temperature correlation diagram PT3 also includes a region REG31 in which GaN crystals are dissolved and regions REG32, REG33, and REG34 in which GaN crystals having different shapes or growth mechanisms are grown.
上述したように、圧力/温度相関図PT1〜PT3の各々は、GaN結晶を溶解させる領域、種結晶からGaN結晶を結晶成長させる領域、柱状形状のGaN結晶を結晶成長させる領域および板状形状のGaN結晶を結晶成長させる領域からなるが、圧力/温度相関図PT1の領域REG12,REG13は、それぞれ、圧力/温度相関図PT2の領域REG22,REG23よりも広く、圧力/温度相関図PT2の領域REG24は、圧力/温度相関図PT1,PT3の領域REG14,REG34よりも広く、圧力/温度相関図PT3の領域REG32,REG33は、圧力/温度相関図PT1の領域REG12,REG13と同じ広さを有し、かつ、金属Gaを補充しながらGaN結晶を結晶成長させる。 As described above, each of the pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3 includes a region for dissolving a GaN crystal, a region for growing a GaN crystal from a seed crystal, a region for growing a columnar GaN crystal, and a plate-like shape. The region REG12, REG13 in the pressure / temperature correlation diagram PT1 is wider than the regions REG22, REG23 in the pressure / temperature correlation diagram PT2, and the region REG24 in the pressure / temperature correlation diagram PT2 is composed of a region for growing a GaN crystal. Is wider than the regions REG14, REG34 of the pressure / temperature correlation diagram PT1, PT3, and the regions REG32, REG33 of the pressure / temperature correlation diagram PT3 have the same area as the regions REG12, REG13 of the pressure / temperature correlation diagram PT1. GaN crystal is grown while replenishing metal Ga.
したがって、圧力/温度相関図PT1は、種結晶からのGaN結晶の結晶成長および柱状形状からなるGaN結晶の結晶成長に適した圧力/温度相関図であり、圧力/温度相関図PT2は、板状形状からなるGaN結晶の結晶成長に適した圧力/温度相関図であり、圧力/温度相関図PT3は、種結晶からのGaN結晶の結晶成長に適した領域である。 Accordingly, the pressure / temperature correlation diagram PT1 is a pressure / temperature correlation diagram suitable for crystal growth of a GaN crystal from a seed crystal and a crystal growth of a GaN crystal having a columnar shape, and the pressure / temperature correlation diagram PT2 is a plate shape. It is a pressure / temperature correlation diagram suitable for crystal growth of a GaN crystal having a shape, and the pressure / temperature correlation diagram PT3 is a region suitable for crystal growth of a GaN crystal from a seed crystal.
圧力/温度相関図PT3の領域REG32,REG33が圧力/温度相関図PT1の領域REG12,REG13と同じ広さを有するにも係わらず、圧力/温度相関図PT3が種結晶からのGaN結晶の結晶成長だけに適しているのは、圧力/温度相関図PT3を用いてGaN結晶を結晶成長させる場合、金属Gaを補充する必要があり、領域REG32における結晶成長(種結晶からのGaN結晶の結晶成長)の方が領域REG33における結晶成長(柱状形状からなるGaN結晶の結晶成長)よりも金属Gaの消費量が少ないからである。 Although the regions REG32 and REG33 of the pressure / temperature correlation diagram PT3 have the same width as the regions REG12 and REG13 of the pressure / temperature correlation diagram PT1, the pressure / temperature correlation diagram PT3 is a crystal growth of a GaN crystal from the seed crystal. Only when the GaN crystal is grown using the pressure / temperature correlation diagram PT3, it is necessary to replenish the metal Ga, and the crystal growth in the region REG32 (the crystal growth of the GaN crystal from the seed crystal). This is because the consumption of metal Ga is smaller than the crystal growth in the region REG33 (crystal growth of a GaN crystal having a columnar shape).
この発明においては、混合比rに応じてGaN結晶の結晶成長に用いる圧力/温度相関図を圧力/温度相関図PT1〜PT3から選択し、その選択した圧力/温度相関図(圧力/温度相関図PT1〜PT3のいずれか)に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23におけるガス圧力および混合融液290の温度をそれぞれ設定してGaN結晶を結晶成長する。
In the present invention, a pressure / temperature correlation diagram used for crystal growth of a GaN crystal is selected from the pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3 according to the mixing ratio r, and the selected pressure / temperature correlation diagram (pressure / temperature correlation diagram) is selected. A gas pressure in the
図5は、坩堝10および反応容器20の温度のタイミングチャートである。また、図6は、図5に示す2つのタイミングt1,t2間における坩堝10および反応容器20内の状態を示す模式図である。なお、図5において、直線k10は、坩堝10および反応容器20の温度を示す。
FIG. 5 is a timing chart of the temperatures of the
図5を参照して、加熱装置70,80は、直線k10に従って温度が上昇し、かつ、725℃に保持されるように坩堝10および反応容器20を加熱する。加熱装置70,80が坩堝10および反応容器20を加熱し始めると、坩堝10および反応容器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725℃に達する。
Referring to FIG. 5,
そうすると、坩堝10および反応容器20が725℃まで昇温される過程で、融液保持部材60よりも上側の配管30の温度が98℃以上に上昇され、配管30内に保持された金属Naは溶け、金属融液190(=金属Na融液)が配管30内に生成される。また、坩堝10中の金属Naおよび金属Gaは溶け、混合融液290が坩堝10中で生成される。
Then, in the process where the temperature of the
その結果、空間23内の窒素ガス4は、金属融液190(=金属Na融液)および融液保持部材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6参照)。
As a result, the nitrogen gas 4 in the
この場合、金属融液190に接する配管30の部分は、金属融液190から蒸発する金属Naの蒸気圧PNaが混合融液290から蒸発する金属Naの蒸気圧PNa−Gaに略一致する温度に加熱装置80によって昇温される。すなわち、金属融液190に接する配管30の部分は、金属融液190からの金属Naの蒸発と、混合融液290からの金属Naの蒸発とが略平衡になる温度に加熱装置80によって昇温される。
In this case, part of the
したがって、金属融液190から混合融液290への金属Naの移動と、混合融液290から金属融液190への金属Naの移動とが略平衡になり、見かけ上、金属融液190と混合融液290との間で金属Naの移動が停止される。その結果、金属融液190および混合融液290からの金属Naの蒸発による混合融液290中の金属Naと金属Gaとの混合比の変動が抑制される。ここで言う金属Naの移動とは、気相輸送のことである。
Therefore, the movement of the metal Na from the
このように、坩堝10および反応容器20が725℃に加熱されると、金属融液190から蒸発する金属Naの蒸気圧PNaが混合融液290から蒸発する金属Naの蒸気圧PNa−Gaに略一致し、空間23内には、窒素ガス4と金属Na蒸気5とが混在する。
Thus, when the
そして、坩堝10および反応容器20の温度が725℃程度の高温状態では、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。そして、坩堝10の側壁および底面からGaN結晶が結晶成長する。
In a high temperature state where the temperature of the
その後、GaN結晶の結晶成長の進行に伴って、空間23内の窒素ガスが消費されると、空間23の圧力P1が配管30内の空間31の圧力P2よりも低くなる。そうすると、空間23の圧力P1と空間31の圧力P2との圧力差に応じて、窒素ガスが空間31から空間23へ補給される。この場合、融液保持部材60は、空間31の窒素ガスを金属融液190へ透過させ、金属融液190は、窒素ガスを泡191として空間23へ導く。そして、空間23の圧力P1が空間31の圧力P2と同程度に上昇すると、空間31から空間23への窒素ガスの補給は停止される。
Thereafter, when the nitrogen gas in the
図7は、図1に示す結晶成長装置100を用いて結晶成長または溶解させたGaN結晶の模式図である。図7の(a)は、図4に示す圧力/温度相関図PT1の領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させた場合を示し、図7の(b)は、図4に示す圧力/温度相関図PT1の領域REG14に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させた場合を示す。
FIG. 7 is a schematic view of a GaN crystal grown or dissolved using the
また、図7の(c)は、図4に示す圧力/温度相関図PT1の領域REG12に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶からGaN結晶を結晶成長させた場合を示し、図7の(d)は、図4に示す圧力/温度相関図PT1の領域REG11に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を溶解させた場合を示す。 FIG. 7C shows a case where a GaN crystal is grown from a seed crystal using a desired pressure and a desired temperature included in the region REG12 of the pressure / temperature correlation diagram PT1 shown in FIG. FIG. 7D shows a case where the GaN crystal is dissolved using a desired pressure and a desired temperature included in the region REG11 of the pressure / temperature correlation diagram PT1 shown in FIG.
図7の(a)を参照して、領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させた場合、複数のGaN結晶6が坩堝10の底面11から結晶成長する。そして、複数のGaN結晶6の各々は、尖った先端が坩堝10の底面11に接触し、c軸(<0001>)方向へ結晶成長した柱状形状からなる。また、複数のGaN結晶6は、その大きさが相互に異なり、坩堝10の底面11に対して相互に異なる方向へ結晶成長する。
Referring to FIG. 7A, when a GaN crystal is grown using a desired pressure and a desired temperature included in region REG13, a plurality of
図7の(b)を参照して、領域REG14に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させた場合、複数のGaN結晶7が坩堝10内で結晶成長する。そして、複数のGaN結晶7の各々は、c面((0001))方向(c軸に垂直な方向)に結晶成長した板状形状からなる。また、複数のGaN結晶7は、その大きさが相互に異なる。
With reference to FIG. 7B, when a GaN crystal is grown using a desired pressure and a desired temperature included in region REG 14, a plurality of GaN crystals 7 grow in the
図7の(c)を参照して、領域REG12に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させた場合、種結晶6AからGaN結晶8が結晶成長する。種結晶6Aは、領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて結晶成長された複数のGaN結晶6(図7の(a)参照)のうちの1個のGaN結晶からなる。この場合、複数のGaN結晶6のうち、不要なGaN結晶を除去し、坩堝10の底面11に対して略垂直に結晶成長したGaN結晶6を種結晶6Aとして底面11に残す。これによって、坩堝10の底面11に固定された種結晶6Aを容易に作製できる。
Referring to FIG. 7C, when a GaN crystal is grown using a desired pressure and a desired temperature included in region REG12,
上述したように、複数のGaN結晶6は、c軸方向へ結晶成長するので、種結晶6Aもc軸方向へ結晶成長したGaN結晶からなる。したがって、領域REG12に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶6Aから結晶成長したGaN結晶8もc軸方向へ結晶成長する。このとき、種結晶6Aが結晶成長して大きくなるため、c軸およびc面方向にも結晶サイズは拡大する。そして、領域RE12に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いたGaN結晶の結晶成長においては、坩堝10の側壁および底面11における核の発生が抑制されるため、大きなサイズのGaN結晶8を結晶成長できる。
As described above, since the plurality of
図7の(d)を参照して、領域REG11に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を処理すると、GaN結晶9が溶解され、GaN結晶9Aが坩堝10の底面11に残る。
Referring to FIG. 7D, when the GaN crystal is processed using a desired pressure and a desired temperature included in region REG11, GaN crystal 9 is dissolved and GaN crystal 9A remains on
なお、図4に示す圧力/温度相関図PT2の領域REG23,REG24,REG22および圧力/温度相関図PT3の領域REG33,REG34,REG32は、それぞれ、図7の(a),(b),(c)に示すGaN結晶6,7,8を結晶成長させ、温度相関図PT2の領域REG21および圧力/温度相関図PT3の領域REG31は、図7の(d)に示すGaN結晶9を溶解させる。 The regions REG23, REG24, and REG22 of the pressure / temperature correlation diagram PT2 shown in FIG. 4 and the regions REG33, REG34, and REG32 of the pressure / temperature correlation diagram PT3 are shown in FIGS. 7 (a), (b), and (c), respectively. ) Crystal growth is performed, and the region REG21 of the temperature correlation diagram PT2 and the region REG31 of the pressure / temperature correlation diagram PT3 dissolve the GaN crystal 9 shown in FIG.
図8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8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、反応容器20および配管30を入れる。そして、Arガス雰囲気中で金属Naを配管30内に入れる(ステップS1)。なお、Arガスは、水分量が1ppm以下であり、かつ、酸素量が1ppm以下であるArガスである(以下、同じ)。
FIG. 8 is a flowchart in the first embodiment for explaining a method of manufacturing a GaN crystal. Referring to FIG. 8, when a series of operations is started,
その後、Arガス雰囲気中で金属Naおよび金属Gaを所定の混合比rで坩堝10に入れる(ステップS2)。この場合、たとえば、混合比r=0.4で金属Naおよび金属Gaを坩堝10に入れる。そして、金属Naおよび金属Gaを入れた坩堝10を反応容器20内に設置する。
Thereafter, metal Na and metal Ga are put into the
引続いて、グローブボックスから坩堝10と反応容器20および配管30を取り出し、坩堝10および反応容器20内にArガスを充填した状態で坩堝10および反応容器20を結晶成長装置100に設定する。そして、バルブ160を開け、真空ポンプ170によって坩堝10および反応容器20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および反応容器20内を所定の圧力(0.133Pa以下)まで真空引きした後、バルブ160を閉じ、バルブ120,121を開けて窒素ガスをガスボンベ140からガス供給管90,110を介して坩堝10および反応容器20内へ充填する。この場合、圧力調整器130によって坩堝10および反応容器20内の圧力が0.1MPa程度になるように坩堝10および反応容器20内へ窒素ガスを供給する。
Subsequently, the
そして、圧力センサー180によって検出した反応容器20内の圧力が0.1MPa程度になると、バルブ120,121を閉じ、バルブ160を開けて真空ポンプ170によって坩堝10および反応容器20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および反応容器20内を所定の圧力(0.133Pa以下)まで真空引きする。
Then, when the pressure in the
そして、この坩堝10および反応容器20内の真空引きと坩堝10および反応容器20内への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。
The evacuation of the
その後、真空ポンプ170によって坩堝10および反応容器20内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ160を閉じ、バルブ120,121を開けて窒素ガスを坩堝10および反応容器20の空間23へ供給する(ステップS3)。
Thereafter, the inside of the
その後、制御装置300は、混合比r=0.4に応じて決定された圧力/温度相関図PT1の領域REG13を用いたGaN結晶の結晶成長が行なわれる場合、領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度を外部から受ける。たとえば、制御装置300は、5.05MPaの圧力および725℃の温度をそれぞれ領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度として外部から受ける。
Thereafter, when the GaN crystal is grown using the region REG13 of the pressure / temperature correlation diagram PT1 determined according to the mixing ratio r = 0.4, the
そうすると、制御装置300は、坩堝10および反応容器20の温度を所望の温度(=725℃)に設定するための制御信号CTL1,CTL2を生成し、その生成した制御信号CTL1,CTL2をそれぞれ加熱装置70,80へ出力するとともに、空間23の窒素ガスのガス圧力を所望の圧力(=5.05MPa)に設定するための制御信号CTL3を生成し、その生成した制御信号CTL3を圧力調整器130へ出力する。
Then,
そして、加熱装置70は、制御装置300からの制御信号CTL1に応じて、坩堝10および反応容器20を外周面20Aから725℃に加熱し、加熱装置80は、制御装置300からの制御信号CTL2に応じて、坩堝10および反応容器20を底面20Bから725℃に加熱する。また、圧力調整器130は、制御装置300からの制御信号CTL3に応じて、空間23の圧力が5.05MPaになるように窒素ガスをガス供給管90,110、配管30および融液保持部材60を介して空間23へ供給する。
Then, the
すなわち、所定の混合比rに応じて決定された圧力/温度相関図PT1に含まれる所望の圧力(=5.05MPa)および所望の温度(=725℃)に空間23における窒素ガスの圧力および坩堝10の温度を設定する(ステップS4)。
That is, the pressure of the nitrogen gas in the
そして、所定の時間、所望の圧力および所望の温度が保持され(ステップS5)、所定の時間が経過すると、坩堝10および反応容器20の温度が降温される(ステップS6)。これにより、柱状形状からなるGaN結晶が製造され、一連の動作が終了する。
Then, a desired pressure and a desired temperature are maintained for a predetermined time (step S5), and when the predetermined time has elapsed, the temperatures of the
なお、上記においては、圧力/温度相関図PT1の領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させる場合について説明したが、圧力/温度相関図PT1の領域REG11,REG12,REG14および圧力/温度相関図PT2,PT3の領域REG21,REG22,REG23,REG24,REG31,REG32,REG33,REG34に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長またはGaN結晶を溶解させる動作も、図8に示すフリーチャートに従って実行される。 In the above description, the case where the GaN crystal is grown using the desired pressure and the desired temperature included in the region REG13 of the pressure / temperature correlation diagram PT1 has been described. However, the regions REG11, REG11, GaN crystal growth or GaN crystal using desired pressure and desired temperature contained in regions REG21, REG22, REG23, REG24, REG31, REG32, REG33, REG34 of REG12, REG14 and pressure / temperature correlation diagram PT2, PT3 The operation of dissolving the is also performed according to the free chart shown in FIG.
このように、この発明においては、複数の混合比(r=0.4,0.7,0.95)に対応して複数の圧力/温度相関図PT1〜PT3が設けられており、所定の混合比rに応じて決定された圧力/温度相関図(圧力/温度相関図PT1〜PT3のいずれか)を用いてGaN結晶が結晶成長または溶解される。 Thus, in the present invention, a plurality of pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3 are provided corresponding to a plurality of mixing ratios (r = 0.4, 0.7, 0.95), A GaN crystal is grown or dissolved using a pressure / temperature correlation diagram (any of pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3) determined according to the mixing ratio r.
したがって、この発明によれば、混合比r、ガス圧力および温度を制御してGaN結晶を結晶成長または溶解できる。 Therefore, according to the present invention, the GaN crystal can be grown or dissolved by controlling the mixing ratio r, gas pressure, and temperature.
上記においては、圧力/温度相関図PT1〜PT3の1つの領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長または溶解させる場合について説明したが、この発明においては、これに限らず、圧力/温度相関図PT1〜PT3の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させてもよい。この場合、図8に示すフローチャートのステップS4は、複数のステップからなる。 In the above description, the case where a GaN crystal is grown or dissolved using a desired pressure and a desired temperature included in one region of the pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3 has been described. The GaN crystal may be grown using a desired pressure and a desired temperature included in a plurality of regions of the pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3. In this case, step S4 in the flowchart shown in FIG. 8 includes a plurality of steps.
図9は、圧力/温度相関図PT1〜PT3の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させる場合の図8に示すステップS4の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。 FIG. 9 illustrates the detailed operation of step S4 shown in FIG. 8 when a GaN crystal is grown using a desired pressure and a desired temperature included in a plurality of regions of the pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3. It is a flowchart for.
図9を参照して、図8に示すステップS3が終了すると、圧力/温度相関図PT1の領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23の圧力および坩堝10の温度をそれぞれ設定し(ステップS41)、GaN結晶を結晶成長する。これにより、柱状形状からなる複数のGaN結晶が坩堝10の底面11に形成される。
Referring to FIG. 9, when step S3 shown in FIG. 8 is completed, the pressure of
その後、圧力/温度相関図PT1の領域REG11に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23の圧力および坩堝10の温度をそれぞれ設定し(ステップS42)、ステップS41において結晶成長したGaN結晶を溶解する。これによって、サイズが小さいGaN結晶が溶解され、サイズの大きいGaN結晶が坩堝10の底面11に残る。そして、坩堝10の底面11に残ったGaN結晶が種結晶となる。
Thereafter, the pressure of the
引き続き、圧力/温度相関図PT1の領域REG12に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23の圧力および坩堝10の温度をそれぞれ設定し(ステップS43)、種結晶からGaN結晶を結晶成長させる。
Subsequently, the pressure of the
その後、一連の動作は、図8に示すステップS5へ移行する。 Thereafter, the series of operations proceeds to step S5 shown in FIG.
このように、圧力/温度相関図PT1の領域REG13、領域REG11および領域REG12に含まれる複数の所望の圧力および複数の所望の温度を順次用いることによって、柱状形状からなる複数のGaN結晶6を坩堝10の底面11に結晶成長させ、その結晶成長させた複数のGaN結晶6の一部を溶解して種結晶を作製し、さらに、その作製した種結晶からGaN結晶8を結晶成長できる。この結果、少数の柱状結晶を種結晶として結晶を大きくすることができ、原料効率を上げて大型の結晶を成長することが可能となる。さらには、種結晶を外に取り出すことなく、結晶成長を行なうことができ、種結晶の清浄表面に結晶を成長させることができる。この結果、GaN結晶を成長させることが可能となる。
Thus, by sequentially using a plurality of desired pressures and a plurality of desired temperatures included in the region REG13, the region REG11, and the region REG12 of the pressure / temperature correlation diagram PT1, a plurality of columnar-shaped
図10は、圧力/温度相関図PT1〜PT3の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶を結晶成長させる場合の図8に示すステップS4の詳細な動作を説明するための他のフローチャートである。 FIG. 10 illustrates the detailed operation of step S4 shown in FIG. 8 when a GaN crystal is grown using a desired pressure and a desired temperature included in a plurality of regions of the pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3. It is another flowchart for.
なお、図10に示すフローチャートは、種結晶が予め坩堝10の底面11に設置されている場合のフローチャートである。
In addition, the flowchart shown in FIG. 10 is a flowchart in case the seed crystal is previously installed in the
図10を参照して、図8に示すステップS3が終了すると、圧力/温度相関図PT1の領域REG11に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23の圧力および坩堝10の温度をそれぞれ設定し(ステップS41A)、種結晶を溶解する。
Referring to FIG. 10, when step S3 shown in FIG. 8 is completed, the pressure of
その後、圧力/温度相関図PT1の領域REG12に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23の圧力および坩堝10の温度をそれぞれ設定し(ステップS42A)、種結晶からGaN結晶を結晶成長させる。
Thereafter, the pressure of the
その後、一連の動作は、図8に示すステップS5へ移行する。 Thereafter, the series of operations proceeds to step S5 shown in FIG.
このように、圧力/温度相関図PT1の領域REG11および領域REG12に含まれる複数の所望の圧力および複数の所望の温度を順次用いることによって、種結晶の一部を溶解し、その溶解した種結晶からGaN結晶を結晶成長できる。 Thus, by sequentially using a plurality of desired pressures and a plurality of desired temperatures included in the region REG11 and the region REG12 of the pressure / temperature correlation diagram PT1, a part of the seed crystal is dissolved, and the dissolved seed crystal GaN crystal can be grown from.
種結晶を予め坩堝10の底面11に設置し、その設置した種結晶からGaN結晶を結晶成長させる場合、種結晶の表面が酸化されたり、種結晶の表面に水分等の不純物が付着しているので、領域REG11に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23の圧力および坩堝10の温度をそれぞれ設定して種結晶の一部を溶解させることで、結晶の清浄表面を出すことができる。その後、領域REG12に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23の圧力および坩堝10の温度をそれぞれ設定して溶解後の種結晶からGaN結晶を結晶成長させることにしたものである。これにより、高品質なGaN結晶を種結晶から連続的に結晶成長させることができる。
When a seed crystal is previously set on the
[実施の形態2]
実施の形態2においては、GaN結晶は、950℃の温度および5MPaの窒素圧力が用いられて結晶成長される。この950℃の温度、5MPaの窒素圧力は、図4の(a)に示す圧力/温度相関図PT1の種結晶成長条件(領域REG12に含まれる)となっている。
[Embodiment 2]
In
図11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11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にベローズ40、支持装置50、配管200、熱電対210、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、ガスボンベ270および温度制御装置280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。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the crystal growth apparatus according to the second embodiment. Referring to FIG. 11, the
なお、結晶成長装置100Aにおいては、温度センサー71は、検出した温度T1を温度制御装置280および制御装置300へ出力し、温度センサー81は、検出した温度T2を温度制御装置280および制御装置300へ出力する。
In
ベローズ40は、重力方向DR1において、坩堝10の上側で反応容器20に連結される。支持装置50は、中空の円筒形状からなり、一部がベローズ40を介して反応容器20の空間23内へ挿入される。
The bellows 40 is connected to the
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よりも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。
The
ベローズ40は、支持装置50を保持するとともに、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、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6Bを支持する。
The bellows 40 holds the
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6Bを冷却する。熱電対210は、種結晶6B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。
The
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6B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。
In accordance with the vibration detection signal BDS from the
振動印加装置230は、たとえば、圧電素子からなり、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、たとえば、加速度ピックアップからなり、支持装置50の振動を検出するとともに、支持装置50の振動を示す振動検出信号BDSを上下機構220へ出力する。
The
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CTL4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。
The
温度制御装置280は、温度センサー71,81からそれぞれ温度T1,T2を受け、熱電対210から温度T3を受ける。そして、温度制御装置280は、温度センサー71,81から受けた温度T1,T2が坩堝10および反応容器20の温度を950℃に設定する950+α℃になると、種結晶6Bの温度である温度T3を950℃から低下させるための制御信号CTL4を生成し、その生成した制御信号CTL4を流量計260へ出力する。
坩堝10および反応容器20の温度は、加熱装置70,80のヒーターの温度と所定の温度差αを有するため、加熱装置70,80のヒーターの温度が950+α℃になると、坩堝10および反応容器20の温度は、950℃に設定される。また、混合融液290の温度は、坩堝10および反応容器20の温度に等しく、混合融液290に接触している種結晶6Bの温度は、混合融液290の温度に等しい。
Since the temperature of the
したがって、温度制御装置280は、温度センサー71,81からそれぞれ受けた温度T1,T2が950+α℃になると、坩堝10および反応容器20の温度、すなわち、混合融液290に接触した種結晶6Bの温度が950℃に設定されたと判定し、種結晶6Bの温度を950℃から低下させるための制御信号CTL4を生成して流量計260へ出力することにしたものである。
Therefore, when the temperatures T1 and T2 respectively received from the
図12は、図11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12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。
12 is an enlarged view of the supporting
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。
The
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12の(a)参照)。
The
そして、種結晶6B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6Bは、筒状部材51の底面51Bに接する(図12の(b)参照)。
The
したがって、種結晶6B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6B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6Bを容易に冷却できる。
Therefore, the thermal conductivity between the
実施の形態2においては、種結晶自体が種結晶6Bのように嵌合可能な形状であるが、支持装置50と接する構造であれば、種結晶6Bの形状のアダプターを介して六角柱状の種結晶が保持されていてもよい。
In the second embodiment, the seed crystal itself has a shape that can be fitted like the
図13は、図11に示す上下機構220の構成を示す概略図である。図13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。
FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of the
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。
The concavo-
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。
The
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。
If the
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。凹凸部材221の重力方向DR1の長さは、支持装置50を上下させる距離に相当する長さである。
Therefore, rotating the
図14は、振動検出信号BDSのタイミングチャートである。図14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6B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6Bが混合融液290に接しているとき、信号成分SS2からなり、種結晶6Bが混合融液290に浸漬されているとき、信号成分SS3からなる。
FIG. 14 is a timing chart of the vibration detection signal BDS. Referring to FIG. 14, vibration detection signal BDS detected by
種結晶6Bが混合融液290に接していないとき、種結晶6B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6Bが混合融液290に接しているとき、種結晶6B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。また、種結晶6Bが混合融液290に浸漬されているとき、種結晶6Bは、振動印加装置230から振動が印加されても、混合融液290の粘性によってさらに振動し難くなるので、振動検出信号BDSは、信号成分SS2よりも振幅が小さい信号成分SS3からなる。
When the
再び、図13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。
Referring to FIG. 13 again, upon receiving vibration detection signal BDS from
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。
More specifically, the
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6Bを気液界面3に保持する。
Then, when the signal component of the vibration detection signal BDS received from the
また、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。この場合は、種結晶6Bが混合融液290に既に接触しているからである。
Further, the
さらに、制御部225は、信号成分SS3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、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において上昇させるようにモータ224を制御する。
Further, when the
より具体的には、制御部225は、歯車222を矢印226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226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において上方向へ移動する。
More specifically, the
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SS3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6Bを気液界面3に保持する。
Then, when the signal component of the vibration detection signal BDS received from the
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6B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。
In this manner, the
図15は、坩堝10および反応容器20の温度の他のタイミングチャートである。また、図16は、種結晶6Bの温度と窒素ガスの流量との関係を示す図である。
FIG. 15 is another timing chart of the temperatures of the
なお、図15において、直線k11は、坩堝10および反応容器20の温度を示し、曲線k12および直線k13は、種結晶6Bの温度を示す。
In FIG. 15, a straight line k11 indicates the temperature of the
図15を参照して、加熱装置70,80が坩堝10および反応容器20を加熱し始めると、坩堝10および反応容器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950℃に達する。
Referring to FIG. 15, when
そうすると、図5において説明したように、窒素4および金属Na蒸気5が空間23内に閉じ込められる(図6参照)。 Then, as described in FIG. 5, nitrogen 4 and metal Na vapor 5 are confined in space 23 (see FIG. 6).
そして、坩堝10および反応容器20の温度が950℃に達するタイミングt2で、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6Bを混合融液290に接触させる。
Then, at the timing t2 when the temperatures of the
そして、坩堝10および反応容器20の温度が950℃程度の高温状態では、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)の濃度は、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に接している種結晶6Bから成長し始める。
In a high temperature state where the temperature of the
なお、この発明においては、GaxNyを「III族窒化物」と言い、GaxNyの濃度を「III族窒化物濃度」と言う。 In the present invention, Ga x N y is referred to as “Group III nitride”, and the Ga x N y concentration is referred to as “Group III nitride concentration”.
窒素ガスを配管200内へ供給しない場合、種結晶6Bの温度T3は、混合融液290の温度と同じ950℃であるが、実施の形態2においては、種結晶6B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6Bを冷却し、種結晶6Bの温度T3を混合融液290の温度よりも低くする。
When nitrogen gas is not supplied into the
より具体的には、種結晶6Bの温度T3は、タイミングt2以降、曲線k12に従って950℃よりも低い温度Ts1に設定される。この温度Ts1は、例えば、900℃である。種結晶6Bの温度T3を温度Ts1に設定する方法について説明する。
More specifically, the temperature T3 of the
温度制御装置280は、温度センサー71,81からそれぞれ受けた温度T1,T2が950+α℃に達すると、種結晶6Bの温度が950℃に設定されたと判定し、種結晶6B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CTL4を生成して流量計260へ出力する。
When the temperatures T1 and T2 received from the
そうすると、流量計260は、制御信号CTL4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6Bの温度は、窒素ガスの流量に略比例して950℃から低下し、窒素ガスの流量が流量fr1(sccm)になると、種結晶6Bの温度T3は、温度Ts1に設定される(図16参照)。
Then, according to the control signal CTL4, the
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。
Therefore, the
これによって、種結晶6Bは、筒状部材51の底面51Bを介して冷却され、種結晶6Bの温度T3は、タイミングt4で温度Ts1に低下し、その後、タイミングt3まで温度Ts1に保持される。
As a result, the
なお、実施の形態2においては、好ましくは、種結晶6Bの温度T3は、タイミングt2以降、直線k13に従って低下するように制御される。すなわち、種結晶6Bの温度T3は、タイミングt2からタイミングt3までの間で950℃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CTL4に基づいて、直線k14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6B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、850℃である。
In the second embodiment, preferably, the temperature T3 of the
このように、混合融液290の温度(=950℃)と種結晶6Bの温度T3との差を徐々に大きくするのは、次の2つの理由による。
As described above, the difference between the temperature of the mixed melt 290 (= 950 ° C.) and the temperature T3 of the
1つ目の理由は、GaN結晶の結晶成長の進行とともに、種結晶6Bには、GaN結晶が付着するので、種結晶6Bの温度を徐々に低下させないと、種結晶6Bから結晶成長したGaN結晶の温度を混合融液290の温度よりも低い温度に設定し難くなるからである。
The first reason is that, as the crystal growth of the GaN crystal proceeds, the GaN crystal adheres to the
2つ目の理由は、GaN結晶の結晶成長の進行とともに、混合融液290中のGaが消費され、混合比rが大きくなり、混合融液290中の窒素濃度またはIII族窒化物濃度の過飽和度が小さくなるので、種結晶6Bの温度を徐々に低下させないと、混合融液290中の窒素濃度またはIII族窒化物濃度を過飽和に保持し難くなるからである。
The second reason is that as the crystal growth of the GaN crystal progresses, Ga in the
したがって、GaN結晶の結晶成長の進行とともに、種結晶6Bの温度を徐々に低下させることによって、種結晶6B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結晶の結晶成長を少なくとも保持できる。その結果、GaN結晶のサイズを拡大できる。
Accordingly, by gradually lowering the temperature of the
図17は、図11に示す結晶成長装置100Aを用いてGaN結晶を製造する動作を説明するためのフローチャートである。図17に示すフローチャートは、図8に示すフローチャートのステップS2とステップS3との間にステップS2Aを挿入し、ステップS4とステップS5との間にステップS4Aを挿入し、ステップS5とステップS6との間にステップS5A,5Bを挿入したものであり、その他は、図8に示すフローチャートと同じである。
FIG. 17 is a flowchart for explaining an operation of manufacturing a GaN crystal using the
図17を参照して、上述したステップS2が終了すると、Arガス雰囲気中で種結晶6Bを坩堝10内の金属Naおよび金属Gaの上側に設定する(ステップS2A)。より具体的には、種結晶6Bを支持装置50の一方端511側に形成された空間54へ嵌合することによって(図12の(b)参照)、種結晶6Bを坩堝10内の金属Naおよび金属Gaの上側に設定する。
Referring to FIG. 17, when step S2 described above is completed,
その後、上述したステップS3,S4が実行される。この場合、ステップS4において、窒素ガスの圧力が5MPaに設定され、坩堝10および反応容器20の温度が950℃に設定される。そして、ステップS4の後、坩堝10および反応容器20が所望の温度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内で発生する。そして、上下機構220は、上述した方法によって、種結晶6Bを混合融液290に接触させる(ステップS4A)。
Thereafter, steps S3 and S4 described above are executed. In this case, in step S4, the pressure of the nitrogen gas is set to 5 MPa, and the temperatures of the
その後、坩堝10および反応容器20の温度が950℃の高温状態では、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6BからGaN結晶が成長し始める。
Thereafter, in a high temperature state where the temperature of the
そして、上述したステップS5が実行され、種結晶6Bの温度T3が上述した方法によって混合融液290の温度(=950℃)よりも低い温度Ts1(または温度Ts2)に設定される(ステップS5A)。
Then, step S5 described above is executed, and the temperature T3 of the
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、融液保持部材60および金属融液190(=金属Na融液)を介して空間23内へ順次補給される。
As the growth of the GaN crystal proceeds, the nitrogen gas in the
その後、種結晶6B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6Bを降下させる(ステップS5B)。これによって、大きなサイズのGaN結晶が成長する。そして、上述したステップS6が実行され、種結晶6BからのGaN結晶の製造が終了する。
Thereafter, the
なお、図17に示すフローチャートにおいては、坩堝10および反応容器20が950℃に加熱されると、種結晶6Bを金属Naおよび金属Gaとの混合融液290に接触させると説明したが(ステップS4,S4A参照)、この発明においては、これに限らず、坩堝10および反応容器20が950℃に加熱されると(ステップS4参照)、ステップS4Aにおいて、種結晶6Bを金属Naおよび金属Gaとの混合融液290中に保持するようにしてもよい。つまり、坩堝10および反応容器20が950℃に加熱されると、種結晶6Bを混合融液290に浸漬して種結晶6BからGaN結晶を結晶成長させるようにしてもよい。
In the flowchart shown in FIG. 17, it has been described that when
そして、種結晶6Bを混合融液290に接触させる動作は、振動印加装置230によって支持装置50に振動を印加し、支持装置50の振動を示す振動検出信号BDSを検出するステップAと、検出された振動検出信号BDSが、種結晶6Bが混合融液290に接したときの振動検出信号(振動検出信号BDSの成分SS2)になるように支持装置50を上下機構220によって移動させるステップBとからなる。
The operation of bringing the
また、種結晶6Bを混合融液290中に保持する動作は、振動印加装置230によって支持装置50に振動を印加し、支持装置50の振動を示す振動検出信号BDSを検出するステップAと、検出された振動検出信号BDSが、種結晶6Bが混合融液290中に浸漬されたときの振動検出信号(振動検出信号BDSの成分SS3)になるように支持装置50を上下機構220によって移動させるステップCとからなる。
Further, the operation of holding the
ステップBおよびステップCにおいて、支持装置50を上下機構220によって移動させるとしているのは、坩堝10の容積と、坩堝10に入れられた金属Naおよび金属Gaの全体量との関係によって、坩堝10内で生成された混合融液290の液面(=気液界面3)の位置が変動し、坩堝10内で混合融液290が生成された時点で、種結晶6Bが混合融液290に浸漬されていることもあれば、種結晶6Bが空間23に保持されていることもあるので、種結晶6Bを混合融液290に接触または種結晶6Bを混合融液290に浸漬するには、種結晶6Bを重力方向DR1において上下動させる必要があるからである。
In step B and step C, the
また、図17に示すフローチャートのステップS5Bにおいては、種結晶6Bが混合融液290に接触するように種結晶6Bを降下させると説明したが、この発明においては、図17に示すフローチャートのステップS5Bは、一般的には、GaN結晶の結晶成長中、種結晶6Bから結晶成長したGaN結晶が混合融液290に接するように支持装置50を上下機構220によって移動させるステップDからなる。
Further, in step S5B of the flowchart shown in FIG. 17, it has been described that the
GaN結晶の結晶成長とともに、混合融液290中のGaが消費されて混合融液290の液面(=気液界面3)が低下するが、この液面(=気液界面3)が低下する速度と、GaN結晶の結晶成長速度との関係によって種結晶6Bから結晶成長したGaN結晶を上方向へ移動させる場合もあれば、種結晶6Bから結晶成長したGaN結晶を下方向へ移動させる場合もあるからである。
As the GaN crystal grows, Ga in the
すなわち、液面(=気液界面3)の低下速度がGaN結晶の結晶成長速度よりも速い場合、種結晶6Bから結晶成長したGaN結晶を下方向へ移動させてGaN結晶を混合融液290の液面(=気液界面3)に接触させる。一方、液面(=気液界面3)の低下速度がGaN結晶の結晶成長速度よりも遅い場合、種結晶6Bから結晶成長したGaN結晶を上方向へ移動させてGaN結晶を混合融液290の液面(=気液界面3)に接触させる。
That is, when the liquid surface (= gas-liquid interface 3) has a lowering speed faster than the crystal growth rate of the GaN crystal, the GaN crystal grown from the
このように、液面(=気液界面3)の低下速度とGaN結晶の結晶成長速度との関係によって、種結晶6Bから結晶成長したGaN結晶を重力方向DR1において上下動させる必要があるので、ステップDにおいては、「上下機構220によって支持装置50を移動させる」としたものである。
As described above, the GaN crystal grown from the
そして、ステップDにおいて、種結晶6Bから結晶成長したGaN結晶を混合融液290に接触させる動作は、上述したステップAおよびステップBからなる。
In Step D, the operation of bringing the GaN crystal grown from the
結晶成長装置100Aにおいては、種結晶6Bは、グローボックス中で反応容器20内に設置されるので、ステップS4の詳細な動作は、図10に示すフローチャートからなる。
In the
このように、種結晶6Bを空間23と混合融液290との気液界面3に接触させて種結晶6BからGaN結晶を結晶成長する場合にも、混合比rに応じて決定された圧力/温度相関図(圧力/温度相関図PT1〜PT3のいずれか)を用いてGaN結晶が結晶成長される。
As described above, when the GaN crystal is grown from the
なお、ガスボンベ140、圧力調整器130、ガス供給管90,110、バルブ121、配管30、融液保持部材60および金属融液190は、「ガス供給装置」を構成する。
The gas cylinder 140, the
[実施の形態3]
図18は、実施の形態3による結晶成長装置の概略断面図である。図18を参照して、実施の形態3による結晶成長装置100Bは、図1に示す結晶成長装置100に配管320,330、加熱装置350,360,370および温度センサー351を追加し、金属融液190を金属融液340に代え、制御装置300を制御装置300Aに代えたものであり、その他は、結晶成長装置100と同じである。
[Embodiment 3]
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of the crystal growth apparatus according to the third embodiment. Referring to FIG. 18,
なお、結晶成長装置100Bにおいては、融液保持部材60は、配管320内に設置され、圧力センサー310は、配管320に取り付けられる。
In the
配管320は、一方端がガス供給管110に連結され、他方端が配管330の一方端に連結される。配管330は、一方端が配管320の他方端に連結され、他方端が反応容器20に連結される。
The
金属融液340は、融液保持部材60によって配管320内に保持される。加熱装置350は、金属融液340に対向する位置に設置され、温度センサー351は、加熱装置350に近接して配置される。また、加熱装置360は、配管320の空間322に対向して設置され、加熱装置370は、配管330に対向して設置される。
The
加熱装置350は、ヒーターと電流源とからなる。そして、加熱装置350は、制御装置300Aからの制御信号CTL5に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、金属融液340の温度を所定の温度に設定する。温度センサー351は、加熱装置350のヒーターの温度T4を検出し、その検出した温度T4を制御装置300Aへ出力する。
The
加熱装置360は、配管320の空間322を結晶成長温度(=725℃)に加熱し、加熱装置370は、配管330の空間331を結晶成長温度(=725℃)に加熱する。
The
制御装置300Aは、温度センサー71,81,351からそれぞれ温度T1,T2,T4を受け、圧力センサー310から静水圧Psを受ける。そして、制御装置300Aは、温度センサー351から受けた温度T4に基づいて、金属融液340の温度を所定の温度に設定するための制御信号CTL5を生成し、その生成した制御信号CTL5を加熱装置350へ出力する。
加熱装置350のヒーターの温度は、金属融液340の温度と所定の温度差βを有する。加熱装置350のヒーターの温度がTm+β℃であるとき、金属融液340の温度が温度Tmに設定される。
The temperature of the heater of the
したがって、制御装置300Aは、温度センサー351からの温度T4をTm+β℃に設定するための制御信号CTL5を生成して加熱装置350へ出力し、金属融液340の温度を所定の温度Tmに設定する。制御装置300Aは、その他、制御装置300と同じ機能を果たす。
Therefore,
図19は、混合融液290中における金属Naと金属Gaとの混合比rを制御する方法を説明するための概念図である。図19の(a)は、金属融液340(=金属Na融液)から蒸発する金属Naの蒸気圧PNaが混合融液290から蒸発する金属Naの蒸気圧PNa−Gaに略等しい場合を示し、図19の(b)は、蒸気圧PNaが蒸気圧PNa−Gaよりも高い場合を示し、図19の(c)は、蒸気圧PNaが蒸気圧PNa−Gaよりも低い場合を示す。
FIG. 19 is a conceptual diagram for explaining a method of controlling the mixing ratio r of metal Na and metal Ga in the
金属融液340の温度が混合融液290の温度と等しい場合、蒸気圧PNaは、蒸気圧PNa−Gaよりも高い。したがって、金属融液340の温度が混合融液290の温度(=725℃)よりも低い温度に設定されると、蒸気圧PNaが蒸気圧PNa−Gaに略等しくなり、金属融液340と混合融液290との間における金属Naの気相輸送が、見かけ上、なくなる(図19の(a)参照)。その結果、混合融液290および金属融液340の量は、ほぼ一定に保持される。
When the temperature of the
蒸気圧PNaが蒸気圧PNa−Gaよりも高い場合、金属Naが金属融液340から混合融液290へ気相輸送され、金属融液340は減少し、混合融液290は増加する(図19の(b)参照)。その結果、混合比rが大きくなる。
When the vapor pressure PNa is higher than the vapor pressure PNa-Ga , the metal Na is vapor-phase transported from the
蒸気圧PNaが蒸気圧PNa−Gaよりも低い場合、金属Naが混合融液290から金属融液340へ気相輸送され、混合融液290は減少し、金属融液340は増加する(図19の(c)参照)。その結果、混合比rが小さくなる。
When the vapor pressure PNa is lower than the vapor pressure PNa-Ga , the metal Na is vapor-transported from the
このように、蒸気圧PNaと蒸気圧PNa−Gaとの関係によって、混合融液290および金属融液340の量が保持されたり、増減したりする。
Thus, the amount of the
図20は、図18に示す制御装置300Aの一部の構成を示すブロック図である。図20を参照して、制御装置300Aは、入力ボタン301〜307と、CPU(Central Processing Unit)308と、メモリ309とを含む。
FIG. 20 is a block diagram showing a partial configuration of
入力ボタン301は、混合比rを“0.4”に設定するためのボタンであり、入力ボタン302は、混合比rを“0.7”に設定するためのボタンであり、入力ボタン303は、混合比rを“0.95”に設定するためのボタンである。
The
また、入力ボタン304は、圧力/温度相関図PT1の領域REG11、圧力/温度相関図PT2の領域REG21および圧力/温度相関図PT3の領域REG31のいずれかを指定するためのボタンであり、入力ボタン305は、圧力/温度相関図PT1の領域REG12、圧力/温度相関図PT2の領域REG22および圧力/温度相関図PT3の領域REG32のいずれかを指定するためのボタンであり、入力ボタン306は、圧力/温度相関図PT1の領域REG13、圧力/温度相関図PT2の領域REG23および圧力/温度相関図PT3の領域REG33のいずれかを指定するためのボタンであり、入力ボタン307は、圧力/温度相関図PT1の領域REG14、圧力/温度相関図PT2の領域REG24および圧力/温度相関図PT3の領域REG34のいずれかを指定するためのボタンである。
The
入力ボタン301,304を連続して押すと、圧力/温度相関図PT1の領域REG11を指定したことになる。そして、圧力/温度相関図PT1の領域REG12,REG13,REG14および圧力/温度相関図PT2,PT3の領域REG21,REG22,REG23,REG24,REG31,REG32,REG33,REG34のいずれかを指定する場合、入力ボタン301〜303のいずれかと入力ボタン304〜307のいずれかとを連続して押す。
When the
また、圧力/温度相関図PT1〜PT3に含まれる複数の領域を指定する場合、入力ボタン301〜303のいずれかと、入力ボタン304〜307のうちの複数のボタンとを連続して押す。そして、入力ボタン304〜307のうちの複数のボタンを押す順序によってGaN結晶を結晶成長させるときのモードを各種に設定する。
When a plurality of areas included in the pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3 are designated, any one of the
たとえば、領域REG13、領域REG11および領域REG12を順次指定する場合、入力ボタン301を押した後に、入力ボタン306、入力ボタン304および入力ボタン305を順次押す。
For example, when sequentially specifying the region REG13, the region REG11, and the region REG12, after pressing the
入力ボタン301〜307は、押下されると、それぞれ、信号SG1〜SG7を生成してCPU304へ出力する。信号SG1は、混合比rを“0.4”に設定するための信号であり、信号SG2は、混合比rを“0.7”に設定するための信号であり、信号SG3は、混合比rを“0.95”に設定するための信号である。
When the
また、信号SG4は、領域REG11,REG21,REG31のいずれかを指定するための信号であり、信号SG5は、領域REG12,REG22,REG32のいずれかを指定するための信号であり、信号SG6は、領域REG13,REG23,REG33のいずれかを指定するための信号であり、信号SG7は、領域REG14,REG24,REG34のいずれかを指定するための信号である。 The signal SG4 is a signal for designating one of the regions REG11, REG21, REG31, the signal SG5 is a signal for designating any of the regions REG12, REG22, REG32, and the signal SG6 is The signal SG7 is a signal for designating any of the regions REG13, REG23, REG33, and the signal SG7 is a signal for designating any of the regions REG14, REG24, REG34.
表1は、信号SG1〜SG7と、混合比r=0.4,0.7,0.95および領域REG11,REG12,REG13,REG14;REG21,REG22,REG23,REG24;REG31,REG32,REG33,REG34との対応関係を示す。 Table 1 shows signals SG1 to SG7, mixing ratios r = 0.4, 0.7, 0.95 and regions REG11, REG12, REG13, REG14; REG21, REG22, REG23, REG24; REG31, REG32, REG33, REG34. The correspondence relationship is shown.
混合比r=0.4,0.7,0.95は、それぞれ、信号SG1〜SG3に対応付けられ、信号SG4は、領域REG11,REG21,REG31に対応付けられ、信号SG5は、領域REG12,REG22,REG32に対応付けられ、信号SG6は、領域REG13,REG23,REG33に対応付けられ、信号REG7は、領域REG14,REG24,REG34に対応付けられる。 The mixing ratios r = 0.4, 0.7, 0.95 are respectively associated with the signals SG1 to SG3, the signal SG4 is associated with the regions REG11, REG21, REG31, and the signal SG5 is associated with the regions REG12, Associated with REG22 and REG32, signal SG6 is associated with regions REG13, REG23, and REG33, and signal REG7 is associated with regions REG14, REG24, and REG34.
CPU308は、表1を保持しており、信号SG1〜SG3を受けると、表1を参照して、それぞれ、混合比r=0.4,0.7,0.95を検出する。また、CPU308は、信号SG1を受けた後に、信号SG4を受けると、表1を参照して領域REG11を検出し、信号SG2を受けた後に、信号SG4を受けると、表1を参照して領域REG21を検出し、信号SG3を受けた後に、信号SG4を受けると、表1を参照して領域REG31を検出する。
さらに、CPU308は、信号SG1を受けた後に、信号SG5を受けると、表1を参照して信号REG12を検出し、信号SG2を受けた後に、信号SG5を受けると、表1を参照して信号REG22を検出し、信号SG3を受けた後に、信号SG5を受けると、表1を参照して信号REG32を検出する。
Further, when receiving the signal SG5 after receiving the signal SG1, the
さらに、CPU308は、信号SG1を受けた後に、信号SG6を受けると、表1を参照して信号REG13を検出し、信号SG2を受けた後に、信号SG6を受けると、表1を参照して信号REG23を検出し、信号SG3を受けた後に、信号SG6を受けると、表1を参照して信号REG33を検出する。
Further, when receiving the signal SG6 after receiving the signal SG1, the
さらに、CPU308は、信号SG1を受けた後に、信号SG7を受けると、表1を参照して信号REG14を検出し、信号SG2を受けた後に、信号SG7を受けると、表1を参照して信号REG24を検出し、信号SG3を受けた後に、信号SG7を受けると、表1を参照して信号REG34を検出する。
Further, when receiving the signal SG7 after receiving the signal SG1, the
図21は、混合比rと圧力/温度相関図との関係を示す図である。図21を参照して、圧力/温度相関図PT1〜PT3は、それぞれ、混合比r=0.4,0.7,0.95に対応付けられている。そして、メモリ309は、圧力/温度相関図PT1〜PT3をそれぞれ混合比r=0.4,0.7,0.95に対応付けて記憶する。そして、図21に示す圧力/温度相関図PT1〜PT3は、図4に示す圧力/温度相関図PT1〜PT3であるので、メモリ309は、圧力および温度が記載された圧力/温度相関図PT1〜PT3をそれぞれ混合比r=0.4,0.7,0.95に対応付けて記憶する。
FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the mixing ratio r and the pressure / temperature correlation diagram. Referring to FIG. 21, pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3 are associated with mixing ratios r = 0.4, 0.7, and 0.95, respectively. The
再び、図20を参照して、CPU308は、信号SG1〜SG3のいずれかと、信号SG4〜SG7のうちの少なくとも1つとを連続して受ける。まず、CPU308が信号SG1および信号SG6を連続して受けた場合について説明する。
Referring to FIG. 20 again,
CPU308は、信号SG1および信号SG6を連続して受けると、信号SG1によって指定された混合比r(=0.4)および領域REG13を表1を参照して検出するとともに、その検出した混合比r(=0.4)に対応する圧力/温度相関図PT1をメモリ309から読み出す。
When the
メモリ309は、上述したように、圧力/温度相関図PT1〜PT3をそれぞれ混合比r=0.4,0.7,0.95に対応付けて記憶しているので、CPU308は、混合比r=0.4に対応する圧力/温度相関図PT1をメモリ309から読み出すことができる。
As described above, since the
そして、CPU308は、信号SG6に応じて領域REG13を検出しているので、読み出した圧力/温度相関図PT1の領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度を検出する。たとえば、CPU308は、所望の圧力および所望の温度として5.05MPaおよび725℃を圧力/温度相関図PT1の領域REG13から検出する。
Then, since the
そうすると、CPU308は、混合融液290中の金属Naと金属Gaとの混合比を検出した混合比r=0.4に設定するための制御信号CTL5を生成して加熱装置350へ出力する。
Then,
混合融液290の温度と金属融液340の温度との関係によって、蒸気圧PNaと蒸気圧PNa−Gaとの関係が決定され、蒸気圧PNaと蒸気圧PNa−Gaとの関係によって、上述したように、混合融液290および金属融液350中の金属Na量が保持されたり、金属融液340から混合融液290へ金属Naが移動したり、混合融液290から金属融液340へ金属Naが移動したりする(図19参照)。ここで言う金属Naの移動とは、気相輸送のことである。
The relationship between the temperature of the temperature and the
そして、混合融液290の温度が725℃である場合に、混合融液290中の混合比rが0.4,0.7,0.95になるときの金属融液340の温度を予め測定しておけば、CPU308は、温度センサー351から受けた温度T4に基づいて、現在の混合融液290中の混合比rNOWと、信号SG1によって指定された混合比rDIRに混合融液290中の混合比rを設定するための金属融液340の温度TDIRとを検出できる。
And when the temperature of the
図22は、金属融液340の温度と混合比rとの関係を示す図である。図22において、横軸は、混合融液340の温度を表し、縦軸は、混合比rを表す。曲線k15は、混合融液290の温度が725℃である場合の混合比rと金属融液340の温度との関係を示す。
FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the temperature of the
図22を参照して、金属融液340の温度がTNa1(>600℃)である場合、混合融液290中の混合比rは、0.4に設定され、金属融液340の温度がTNa2(>TNa1)である場合、混合融液290中の混合比rは、0.7に設定され、金属融液340の温度がTNa3(TNa2<TNa3<950℃)である場合、混合融液290中の混合比rは、0.95に設定される。
Referring to FIG. 22, when the temperature of the
CPU308は、温度センサー351から受けた温度T4がTNa2+β℃であれば、金属融液340の温度がTNa2であり、現在の混合融液290中の混合比rNOWが0.7であることを検知する。そして、CPU308は、信号SG1によって指定された混合比rDIRが0.4であるので、混合融液290中の混合比を混合比rDIRに設定するための金属融液340の温度がTNa1であることを検出する。
If the temperature T4 received from the
そして、CPU308は、加熱装置350のヒーターの温度をTNa1+β℃に設定するための制御信号CTL5を生成して加熱装置350へ出力する。
Then, the
また、CPU308は、圧力/温度相関図PT1の領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度として5.05MPaおよび950℃を検出したので、混合融液290の温度(=坩堝10および反応容器20の温度)を950℃に設定するための制御信号CTL1,2を生成してそれぞれ加熱装置70,80へ出力するとともに、空間23の圧力を5.05MPaに設定するための制御信号CTL3を生成して圧力調整器130へ出力する。
Further, the
そうすると、加熱装置350は、制御装置300AのCPU308からの制御信号CTL5に応じて、金属融液340の温度をTNa1に設定する。これによって、混合融液290中の混合比rは、“0.4”に設定される。
Then,
また、加熱装置70,80は、制御装置300AのCPU308からの制御信号CTL1,2に応じて、混合融液290の温度を950℃に設定する。さらに、圧力調整器130は、制御装置300AのCPU308からの制御信号CTL3に応じて、空間23の圧力を5.05MPaに設定する。
Further, the
これによって、圧力/温度相関図PT1の領域REG13に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶の結晶成長が行なわれる。 As a result, crystal growth of the GaN crystal is performed using the desired pressure and desired temperature included in the region REG13 of the pressure / temperature correlation diagram PT1.
次に、CPU308が信号SG1、信号SG4および信号SG5を連続して順次受けた場合について説明する。
Next, the case where
CPU308は、信号SG1、信号SG4および信号SG5を連続して順次受けると、信号SG1によって指定された混合比r(=0.4)および領域REG11,REG12を表1を参照して検出するとともに、その検出した混合比r(=0.4)に対応する圧力/温度相関図PT1をメモリ309から読み出す。
When the
そして、CPU308は、圧力/温度相関図PT1の領域REG11に含まれる所望の圧力Pf1および所望の温度Tf1と、領域REG12に含まれる所望の圧力Pf2および所望の温度Tf2とを検出する。
そうすると、CPU308は、上述した方法によって、混合融液290中の混合比rを“0.4”に設定するための制御信号CTL5を生成して加熱装置350へ出力し、混合融液290の温度を所望の温度Tf1に設定するための制御信号CTL1,2を生成してそれぞれ加熱装置70,80へ出力し、さらに、空間23の圧力を圧力Pf1に設定するための制御信号CTL3を生成して圧力調整器130へ出力する。
Then, the
加熱装置350は、制御装置300AのCPU308からの制御信号CTL5に応じて、金属融液340の温度をTNa1に設定する。これによって、混合融液290中の混合比rは、“0.4”に設定される。
The
また、加熱装置70,80は、制御装置300AのCPU308からの制御信号CTL1,2に応じて、混合融液290の温度をTf1に設定する。さらに、圧力調整器130は、制御装置300AのCPU308からの制御信号CTL3に応じて、空間23の圧力をPf1に設定する。
Further, the
これによって、圧力/温度相関図PT1の領域REG11に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてGaN結晶の溶解が行なわれる。 Thus, the GaN crystal is dissolved using a desired pressure and a desired temperature included in the region REG11 of the pressure / temperature correlation diagram PT1.
その後、CPU308は、混合融液290の温度を所望の温度Tf2に設定するための制御信号CTL1,2を生成してそれぞれ加熱装置70,80へ出力し、空間23の圧力を圧力Pf2に設定するための制御信号CTL3を生成して圧力調整器130へ出力する。
Thereafter, the
そして、加熱装置70,80は、制御装置300AのCPU308からの制御信号CTL1,2に応じて、混合融液290の温度をTf2に設定する。また、圧力調整器130は、制御装置300AのCPU308からの制御信号CTL3に応じて、空間23の圧力をPf2に設定する。
Then, the
これによって、圧力/温度相関図PT1の領域REG12に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶からのGaN結晶の結晶成長が行なわれる。 As a result, crystal growth of the GaN crystal from the seed crystal is performed using the desired pressure and desired temperature included in the region REG12 of the pressure / temperature correlation diagram PT1.
なお、CPU308は、上述した信号パターンと異なる信号パターンを入力ボタン301〜307から受けた場合も、上述した動作と同じ動作に従って、混合融液290中の混合比rを指定された混合比に設定するとともに、圧力/温度相関図PT1〜PT3の各領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を設定する。
Note that the
また、CPU308は、図22に示す金属融液340の温度と混合比rとの関係を圧力/温度相関図PT1〜PT3の各領域に含まれる所望の温度に対して保持している。
Further, the
図23は、GaN結晶の製造方法を説明するための実施の形態2におけるフローチャートである。図23に示すフローチャートは、図8に示すフローチャートのステップS5とステップS6との間に、ステップS51〜ステップS54を追加したものであり、その他は、図8に示すフローチャートと同じである。 FIG. 23 is a flowchart in the second embodiment for explaining a method for producing a GaN crystal. The flowchart shown in FIG. 23 is the same as the flowchart shown in FIG. 8 except that steps S51 to S54 are added between step S5 and step S6 of the flowchart shown in FIG.
図23を参照して、上述したステップS1〜ステップS5が実行されると、CPU308は、混合融液290中の混合比を変えるか否かを判定する(ステップS51)。より具体的には、CPU308は、信号SG1〜SG3のいずれかによって指定された混合比rDIRが現在の混合比rNOWと異なるか否かによって、混合融液290中の混合比を変えるか否かを判定する。
Referring to FIG. 23, when step S1 to step S5 described above are executed,
ステップS51において、混合融液290中の混合比を変えると判定されたとき、混合融液290中の混合比rを0.4,0.7,0.95の範囲で上述した方法によって変える(ステップS52)。
When it is determined in step S51 that the mixing ratio in the
そして、変化された混合比に対応する圧力/温度相関図を所定の圧力/温度相関図として圧力/温度相関図PT1〜PT3から選択する(ステップS53)。 Then, the pressure / temperature correlation diagram corresponding to the changed mixing ratio is selected from the pressure / temperature correlation diagrams PT1 to PT3 as a predetermined pressure / temperature correlation diagram (step S53).
その後、選択された圧力/温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間23の圧力および坩堝10の温度をそれぞれ設定する(ステップS54)。そして、一連の動作は、ステップS5へ移行し、ステップS51において、混合融液290中の混合比を変えないと判定されるまで、上述したステップS5,S51〜S54が繰り返し実行される。
Thereafter, the pressure of the
そして、ステップS51において、混合融液290中の混合比を変えないと判定されると、一連の動作は、上述したステップS6へ移行する。
And if it determines with not changing the mixing ratio in the
図23に示すフローチャートのステップ5,S51〜S54のループは、混合融液290中の混合比を変え、その変えた混合比に対応する圧力/温度相関図(圧力/温度相関図PT1〜PT3のいずれか)を用いてGaN結晶を結晶成長するループである。
The loop of steps 5, S51 to S54 in the flowchart shown in FIG. 23 changes the mixing ratio in the
図24は、実施の形態3による結晶成長装置の他の概略断面図である。実施の形態3による結晶成長装置は、図24に示す結晶成長装置100Cであってもよい。図24を参照して、実施の形態3による結晶成長装置100Cは、図18に示す結晶成長装置100Bにベローズ40、支持装置50、配管200、熱電対210、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、ガスボンベ270および温度制御装置280を追加したものであり、その他は、結晶成長装置100Bと同じである。
FIG. 24 is another schematic cross-sectional view of the crystal growth apparatus according to the third embodiment. The crystal growth apparatus according to the third embodiment may be a crystal growth apparatus 100C shown in FIG. Referring to FIG. 24, crystal growth apparatus 100C according to the third embodiment is different from
なお、結晶成長装置100Cにおいては、温度センサー71は、検出した温度T1を温度制御装置280および制御装置300Aへ出力し、温度センサー81は、検出した温度T2を温度制御装置280および制御装置300Aへ出力する。
In crystal growth apparatus 100C,
ベローズ40、支持装置50、配管200、熱電対210、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、ガスボンベ270および温度制御装置280については、実施の形態1において説明したとおりである。
The bellows 40, the
図25は、図24に示す結晶成長装置100Cを用いてGaN結晶を製造する動作を説明するためのフローチャートである。図25に示すフローチャートは、図17に示すフローチャートのステップS5BとステップS6との間にステップS51〜ステップS54を追加したものであり、その他は、図17に示すフローチャートと同じである。 FIG. 25 is a flowchart for explaining an operation of manufacturing a GaN crystal using the crystal growth apparatus 100C shown in FIG. The flowchart shown in FIG. 25 is the same as the flowchart shown in FIG. 17 except that steps S51 to S54 are added between step S5B and step S6 of the flowchart shown in FIG.
図25を参照して、上述したステップS1,S2,S2A,S3,S4,S4A,S5,S5A,S5Bが実行されると、図23において説明したステップS51〜ステップS54が順次実行される。そして、ステップS54の後、一連の動作は、ステップS5へ移行する。 Referring to FIG. 25, when steps S1, S2, S2A, S3, S4, S4A, S5, S5A, and S5B described above are executed, steps S51 to S54 described in FIG. 23 are sequentially executed. Then, after step S54, the series of operations proceeds to step S5.
図25に示すフローチャートのステップ5,S5A,S5B,S51〜S54のループは、種結晶6Bを混合融液290に接触させた状態で、混合融液290中の混合比を変え、その変えた混合比に対応する圧力/温度相関図(圧力/温度相関図PT1〜PT3のいずれか)を用いて種結晶からGaN結晶を結晶成長するループである。
The loop of steps 5, S5A, S5B, S51 to S54 in the flowchart shown in FIG. 25 changes the mixing ratio in the
上述したように、実施の形態3によれば、混合融液290中の金属Naと金属Gaとの混合比rを信号SG1〜SG3によって指定された混合比に自動的に変え、その変えた混合比に対応する圧力/温度相関図を用いてGaN結晶を結晶成長または溶解する。したがって、混合比r、圧力および温度を制御してGaN結晶を結晶成長できる。
As described above, according to the third embodiment, the mixing ratio r of the metal Na and the metal Ga in the
なお、実施の形態3においては、配管320,330と、金属融液340と、混合融液290中の混合比を信号SG1〜SG3によって指定された混合比rDIRに変えるために制御信号CTL5を生成して加熱装置350へ出力するCPU308と、制御信号CTL5に応じて、混合融液290中の混合比を混合比rDIRに設定する温度に金属融液340の温度を設定する加熱装置350とは、「混合比変化手段」を構成する。
In the third embodiment, the
また、信号SG1〜SG3によって指定された混合比rDIRに対応する圧力/温度相関図をメモリ309から読み出すCPU308は、「選択手段」を構成する。
Further, the
さらに、配管320は、「外部容器」を構成し、空間331,322は、「外部容器空間」を構成する。
Further, the
さらに、混合融液290中の混合比を信号SG1〜SG3によって指定された混合比rDIRに変えるために制御信号CTL5を生成して加熱装置350へ出力するCPU308と、制御信号CTL5に応じて、混合融液290中の混合比を混合比rDIRに設定する温度に金属融液340の温度を設定する加熱装置350とは、「蒸気圧制御器」を構成する。
Furthermore, the CPU308 outputs to the
図26は、この発明による融液保持部材の他の斜視図である。また、図27は、図26に示す融液保持部材400の固定方法を説明するための断面図である。図26を参照して、融液保持部材400は、栓401と、複数の凸部402とからなる。栓401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402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402は、栓401の外周面401Aにランダムに形成される。ただし、隣接する2つの凸部402の間隔は、数十μmに設定される。
FIG. 26 is another perspective view of the melt holding member according to the present invention. FIG. 27 is a cross-sectional view for explaining a method of fixing the
図27を参照して、融液保持部材400は、支持部材403,404によって配管30内に固定される。より具体的には、融液保持部材400は、一方端が配管30の内壁に固定された支持部材403と、一方端が配管30の内壁に固定された支持部材404とによって挟まれることによって固定される。
Referring to FIG. 27,
この場合、融液保持部材400の凸部402は、配管30に接していてもよく、接していなくてもよい。凸部402が配管30に接しないように融液保持部材400が固定される場合、凸部402と配管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融液保持部材400を支持部材403,404によって固定する。
In this case, the
配管30内に入れられた金属Naは、坩堝10および反応容器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、反応容器20内の空間23と配管30との間を融液保持部材400を介して拡散可能である。
Since the metal Na put in the
そして、坩堝10および反応容器20の加熱が開始され、配管30の温度が98℃以上に昇温されると、配管30内に入れられた金属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。
Then, heating of the
また、融液保持部材400は、金属融液190が空間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。
The
さらに、金属融液190および融液保持部材400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の更なる蒸発を抑制でき、混合融液290中における金属Naの蒸発による金属Naと金属Gaとの量比の変動を抑制できる。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、空間31の圧力P2よりも低くなり、融液保持部材400は、空間31の窒素ガスを反応容器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。
Further, the
このように、融液保持部材400は、上述した融液保持部材60と同じように作用する。したがって、融液保持部材400は、融液保持部材60に代えて結晶成長装置100,100A,100B,100Cに用いられる。
Thus, the
上記においては、融液保持部材400は、凸部402を有すると説明したが、融液保持部材400は、凸部402を有していなくてもよい。この場合、栓401と反応容器20および配管30との間隔が数十μmになるように、融液保持部材400は、支持部材403,404によって配管30の内壁に固定される。
In the above description, the
そして、融液保持部材400(凸部402を有する場合と凸部402を有さない場合とを含む。以下、同じ)と配管30との間隔は、融液保持部材400の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、融液保持部材400の温度が相対的に高い場合、融液保持部材400と配管30との間隔は、相対的に小さく設定される。また、融液保持部材400の温度が相対的に低い場合、融液保持部材400と配管30との間隔は、相対的に大きく設定される。
Then, the interval between the melt holding member 400 (including the case where the
表面張力により金属融液190を保持可能な融液保持部材400と配管30との間隔は、融液保持部材400の温度によって変化する。したがって、融液保持部材400と配管30との間隔を融液保持部材400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。
The distance between the
そして、融液保持部材400の温度制御は、加熱装置80によって行われる。
The temperature control of the
融液保持部材400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、バルブ121、配管30、融液保持部材400および金属融液190は、「ガス供給装置」を構成する。
When the
図28は、この発明による融液保持部材のさらに他の斜視図である。図28を参照して、融液保持部材410は、複数の貫通孔412が形成された栓411からなる。複数の貫通孔412は、栓411の長さ方向DR2に沿って形成される。そして、複数の貫通孔412の各々は、数十μmの直径を有する(図28の(a)参照)。
FIG. 28 is still another perspective view of the melt holding member according to the present invention. Referring to FIG. 28, the
なお、融液保持部材410においては、貫通孔412は、少なくとも1個形成されていればよい。
In the
また、融液保持部材420は、複数の貫通孔422が形成された栓421からなる。複数の貫通孔422は、栓421の長さ方向DR2に沿って形成される。そして、複数の貫通孔422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28の(b)参照)。
The
なお、融液保持部材420においては、貫通孔422は、少なくとも1個形成されていればよい。また、貫通孔422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422の直径は、長さ方向DR2へ連続的に変えられてもよい。
In the
融液保持部材410または420は、結晶成長装置100,100A,100B,100Cの融液保持部材60に代えて用いられる。
The
特に、融液保持部材420が融液保持部材60に代えて用いられた場合、結晶成長装置100,100A,100B,100Cにおいて、融液保持部材420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、融液保持部材420の温度制御を精密に行なわなくても、大きなサイズを有するGaN結晶を製造できる。
In particular, when the
融液保持部材410または420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、バルブ121、配管30、融液保持部材410または420および金属融液190は、「ガス供給装置」を構成する。
When the
さらに、この発明においては、融液保持部材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、上述した融液保持部材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。
Furthermore, in the present invention, a porous plug or a backflow prevention valve may be used instead of the
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。
The backflow prevention valve in the present invention includes both a spring-type backflow prevention valve used for a low temperature portion and a piston type backflow prevention valve used for a high temperature portion. This piston-type backflow prevention valve means that when the pressure P2 in the
上述した実施の形態においては、結晶成長温度は、725℃あるいは950℃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。 In the above-described embodiment, the crystal growth temperature has been described as being 725 ° C. or 950 ° C. However, the present invention is not limited to this, and the crystal growth temperature may be 600 ° C. or higher. The nitrogen gas pressure may be any pressure that allows growth by the present crystal growth method in a pressurized state of 0.4 MPa or more. That is, the upper limit is not limited to 5.05 MPa in the present embodiment, and may be a pressure of 5.05 MPa or more.
また、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を配管30または320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を配管30または320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を配管30または320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1ppm以下であり、かつ、酸素量が1ppm以下である。
Further, in the above description, it has been described that metal Na and metal Ga are put in the
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。
Furthermore, although it has been described that the metal mixed with the metal Ga is Na, in the present invention, the present invention is not limited to this, and alkali metals such as lithium (Li) and potassium (K), or magnesium (Mg), calcium ( Alkaline earth metals such as Ca) and strontium (Sr) may be mixed with metal Ga to form
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。 Furthermore, instead of nitrogen gas, a compound containing nitrogen as a constituent element such as sodium azide and ammonia may be used. These compounds constitute nitrogen source gas.
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。 Further, a group III metal such as boron (B), aluminum (Al), and indium (In) may be used instead of Ga.
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。 Therefore, the crystal growth apparatus or manufacturing method according to the present invention generally manufactures a group III nitride crystal using a mixed melt of an alkali metal or alkaline earth metal and a group III metal (including boron). Anything is acceptable.
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。 The group III nitride crystal manufactured using the crystal growth apparatus or manufacturing method according to the present invention is used for manufacturing a group III nitride semiconductor device such as a light emitting diode, a semiconductor laser, a photodiode, and a transistor.
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。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
この発明は、混合比、ガス圧力および温度を制御してIII族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置に適用される。 The present invention is applied to a crystal growth apparatus for growing a group III nitride crystal by controlling the mixing ratio, gas pressure and temperature .
1〜3 気液界面、4 窒素ガス、5 金属Na蒸気、6〜9,9A GaN結晶、6B 種結晶、10 坩堝、11,20B 底面、20 反応容器、20A 外周面、21 本体部、22 蓋部、23,31,321,322,331 空間、30,200,320,330 配管、30A 内壁、40 ベローズ、50 支持装置、60,400,410,420 融液保持部材、61,401,411,421 栓、62,402 凸部、63 空隙、70,80,350,360,370 加熱装置、71,81,351 温度センサー、90,110,250 ガス供給管、100,100A,100B,100C 結晶成長装置、120,121,160 バルブ、130 圧力調整器、140,270 ガスボンベ、150 排気管、170 真空ポンプ、180 圧力センサー、190,340 金属融液、201 空孔、210 熱電対、220 上下機構、221 凹凸部材、222 歯車、223 軸部材、224 モータ、225 制御部、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、300,300A 制御装置、301〜307 入力ボタン、308 CPU、309 メモリ、310 圧力センサー。 1-3 gas-liquid interface, 4 nitrogen gas, 5 metal Na vapor, 6-9, 9A GaN crystal, 6B seed crystal, 10 crucible, 11, 20B bottom surface, 20 reaction vessel, 20A outer peripheral surface, 21 body portion, 22 lid Part, 23, 31, 321, 322, 331 space, 30, 200, 320, 330 piping, 30A inner wall, 40 bellows, 50 support device, 60, 400, 410, 420 melt holding member, 61, 401, 411 421 plug, 62, 402 convex portion, 63 gap, 70, 80, 350, 360, 370 heating device, 71, 81, 351 temperature sensor, 90, 110, 250 gas supply pipe, 100, 100A, 100B, 100C crystal growth Equipment, 120, 121, 160 Valve, 130 Pressure regulator, 140, 270 Gas cylinder, 150 Exhaust pipe, 170 True Empty pump, 180 Pressure sensor, 190, 340 Metal melt, 201 Air hole, 210 Thermocouple, 220 Vertical mechanism, 221 Concavity and convexity member, 222 Gear, 223 Shaft member, 224 Motor, 225 Control unit, 230 Vibration application device, 240 Vibration detection device, 280 temperature control device, 290 mixed melt, 300, 300A control device, 301-307 input button, 308 CPU, 309 memory, 310 pressure sensor.
Claims (7)
所定の混合比で前記アルカリ金属と前記III族金属とを含む混合融液を保持する坩堝と、
前記坩堝内の前記混合融液に接する容器空間へ窒素原料ガスを供給して前記容器空間のガス圧力を所定の圧力に設定するガス供給装置と、
前記混合融液の温度を所定の温度に設定する加熱装置と、
複数の混合比に対応して設けられた複数の圧力/温度相関図から前記所定の混合比に応じて決定された所定の圧力/温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記複数の圧力/温度相関図は、
種結晶からの前記III族窒化物結晶の結晶成長および柱状形状からなる前記III族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力/温度相関図であり、且つ第1の混合比に応じて決定された第1の圧力/温度相関図と、
板状形状からなる前記III族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力/温度相関図であり、且つ前記第1の混合比よりも大きい第2の混合比に応じて決定された第2の圧力/温度相関図と、
前記種結晶からの前記III族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力/温度相関図であり、且つ前記第2の混合比よりも大きい第3の混合比に応じて決定された第3の圧力/温度相関図と、
を含み、
前記所定の圧力/温度相関図は、前記第1から第3の圧力/温度相関図から前記所定の混合比の決定に応じて選択され、
前記制御装置は、前記板状形状からなる前記III族窒化物結晶を結晶成長させる場合、前記第2の圧力/温度相関図に含まれる第2の所望の圧力および第2の所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する、
結晶成長装置。 It is determined according to the mixing ratio indicating the amount ratio of the alkali metal to the total amount of the alkali metal and the group III metal, and defines the relationship between the pressure and the temperature when the group III nitride crystal is grown or dissolved. A crystal growth apparatus for growing a group III nitride crystal using a pressure / temperature correlation diagram,
A crucible for holding a mixed melt containing the alkali metal and the group III metal at a predetermined mixing ratio;
A gas supply device for supplying a nitrogen source gas to a container space in contact with the mixed melt in the crucible and setting a gas pressure in the container space to a predetermined pressure;
A heating device for setting the temperature of the mixed melt to a predetermined temperature;
The container at a desired pressure and a desired temperature included in a predetermined pressure / temperature correlation diagram determined according to the predetermined mixing ratio from a plurality of pressure / temperature correlation diagrams provided corresponding to the plurality of mixing ratios A control device that controls the gas supply device and the heating device to set the gas pressure of the nitrogen source gas in the space and the temperature of the mixed melt, respectively;
With
The plurality of pressure / temperature correlation diagrams are:
FIG. 4 is a pressure / temperature correlation diagram suitable for crystal growth of the group III nitride crystal from a seed crystal and column III-shaped crystal growth of the group III nitride crystal, and was determined according to a first mixing ratio. A first pressure / temperature correlation diagram;
A pressure / temperature correlation diagram suitable for crystal growth of the group III nitride crystal having a plate shape, and a second pressure determined in accordance with a second mixing ratio larger than the first mixing ratio / Temperature correlation diagram,
A pressure / temperature correlation diagram suitable for crystal growth of the group III nitride crystal from the seed crystal, and a third pressure determined in accordance with a third mixing ratio that is larger than the second mixing ratio / Temperature correlation diagram,
Including
The predetermined pressure / temperature correlation diagram is selected according to the determination of the predetermined mixing ratio from the first to third pressure / temperature correlation diagrams,
In the case where the group III nitride crystal having the plate shape is grown, the control device is configured to set the second desired pressure and the second desired temperature included in the second pressure / temperature correlation diagram to the second desired temperature. Controlling the gas supply device and the heating device to set the gas pressure of the nitrogen source gas in the container space and the temperature of the mixed melt, respectively.
Crystal growth equipment.
前記制御装置は、前記種結晶から前記III族窒化物結晶を結晶成長させる場合、前記第1の圧力/温度相関図に含まれる第3の所望の圧力および第3の所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御し、または第3の圧力/温度相関図に含まれる第4の所望の圧力および第4の所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する、請求項1に記載の結晶成長装置。 A support device for supporting the seed crystal composed of the group III nitride crystal in an interface between the container space and the mixed melt or in the mixed melt;
In the case where the group III nitride crystal is grown from the seed crystal, the control device is configured to bring the container space to a third desired pressure and a third desired temperature included in the first pressure / temperature correlation diagram. Or controlling the gas supply device and the heating device so as to set the gas pressure of the nitrogen source gas and the temperature of the mixed melt respectively, or a fourth desired value included in the third pressure / temperature correlation diagram The gas supply device and the heating device are controlled so as to set the gas pressure of the nitrogen source gas and the temperature of the mixed melt in the container space to the pressure and the fourth desired temperature, respectively. The crystal growth apparatus described in 1.
前記III族窒化物結晶を溶解する第1の領域と、
前記種結晶から前記III族窒化物結晶を結晶成長する第2の領域と、
前記柱状形状からなる前記III族窒化物結晶を結晶成長する第3の領域と、
前記板状形状からなる前記III族窒化物結晶を結晶成長する第4の領域とを含み、
前記制御装置は、前記所定の混合比の決定に応じて前記第1から第3の圧力/温度相関図から選択された前記所定の圧力/温度相関図において、前記第1から第4の領域の少なくとも1つの領域に含まれる所望の圧力および所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する、請求項1に記載の結晶成長装置。 Each of the first to third pressure / temperature correlation diagrams is:
A first region for dissolving the group III nitride crystal;
A second region for crystal growth of the group III nitride crystal from the seed crystal;
A third region for crystal growth of the group III nitride crystal having the columnar shape;
A fourth region for crystal growth of the group III nitride crystal having the plate shape,
In the predetermined pressure / temperature correlation diagram selected from the first to third pressure / temperature correlation diagrams in accordance with the determination of the predetermined mixing ratio, the control device includes the first to fourth regions. The gas supply device and the heating device are controlled so as to set the gas pressure of the nitrogen source gas and the temperature of the mixed melt in the container space to a desired pressure and a desired temperature included in at least one region, respectively. The crystal growth apparatus according to claim 1.
前記混合比変化手段によって変化された混合比に対応する圧力/温度相関図を前記所定の圧力/温度相関図として前記複数の圧力/温度相関図から選択する選択手段とをさらに備え、
前記制御装置は、前記選択手段によって選択された圧力/温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する、請求項1に記載の結晶成長装置。 A mixing ratio changing means for changing a mixing ratio of the alkali metal and the group III metal in the mixed melt in a range of the plurality of mixing ratios;
Selecting means for selecting a pressure / temperature correlation diagram corresponding to the mixing ratio changed by the mixing ratio changing unit as the predetermined pressure / temperature correlation diagram from the plurality of pressure / temperature correlation diagrams;
The control device sets the gas pressure of the nitrogen source gas and the temperature of the mixed melt in the container space to a desired pressure and a desired temperature included in the pressure / temperature correlation diagram selected by the selection means, respectively. The crystal growth apparatus according to claim 1, wherein the gas supply apparatus and the heating apparatus are controlled to do so.
前記容器空間に連通する外部容器空間に接してアルカリ金属融液を保持する外部容器と、
前記アルカリ金属融液から蒸発するアルカリ金属の第1の蒸気圧と前記混合融液から蒸発するアルカリ金属の第2の蒸気圧との相対関係を変化させて前記アルカリ金属の供給/停止を制御する蒸気圧制御器とを含む、請求項5に記載の結晶成長装置。 The mixing ratio changing means includes
An external container for holding an alkali metal melt in contact with the external container space communicating with the container space;
Supply / stop of the alkali metal is controlled by changing a relative relationship between the first vapor pressure of the alkali metal evaporated from the alkali metal melt and the second vapor pressure of the alkali metal evaporated from the mixed melt. The crystal growth apparatus according to claim 5, comprising a vapor pressure controller.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006154425A JP5228286B2 (en) | 2006-06-02 | 2006-06-02 | Crystal growth equipment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006154425A JP5228286B2 (en) | 2006-06-02 | 2006-06-02 | Crystal growth equipment |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012098236A Division JP5423832B2 (en) | 2012-04-23 | 2012-04-23 | Crystal growth equipment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007320817A JP2007320817A (en) | 2007-12-13 |
JP5228286B2 true JP5228286B2 (en) | 2013-07-03 |
Family
ID=38853946
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006154425A Active JP5228286B2 (en) | 2006-06-02 | 2006-06-02 | Crystal growth equipment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5228286B2 (en) |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4801315B2 (en) * | 2002-01-29 | 2011-10-26 | 株式会社リコー | Method for producing group III nitride crystal |
JP4560307B2 (en) * | 2004-03-01 | 2010-10-13 | 株式会社リコー | Group III nitride crystal manufacturing method |
JP4527496B2 (en) * | 2004-10-28 | 2010-08-18 | 株式会社リコー | Group III nitride crystal manufacturing method |
-
2006
- 2006-06-02 JP JP2006154425A patent/JP5228286B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2007320817A (en) | 2007-12-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4856934B2 (en) | GaN crystal | |
US9856575B2 (en) | Crystal growth apparatus and manufacturing method of group III nitride crystal | |
US8475593B2 (en) | Crystal preparing device, crystal preparing method, and crystal | |
JP2007246303A (en) | Group iii nitride crystal and production method thereof | |
JP5228286B2 (en) | Crystal growth equipment | |
JP4732145B2 (en) | Production method | |
JP5423832B2 (en) | Crystal growth equipment | |
JP5053555B2 (en) | Crystal manufacturing apparatus and manufacturing method | |
JP4869687B2 (en) | Crystal growth equipment | |
JP4690849B2 (en) | Crystal growth apparatus and manufacturing method | |
JP4787692B2 (en) | Crystal growth equipment | |
JP2007161529A (en) | Producing method | |
JP2007119276A (en) | Gallium nitride crystal, apparatus for growing the same, and method for producing the same | |
JP4880500B2 (en) | Crystal manufacturing equipment | |
JP5589997B2 (en) | Crystal manufacturing equipment | |
JP4690850B2 (en) | Crystal growth apparatus and manufacturing method | |
JP5206777B2 (en) | Production method | |
JP5365616B2 (en) | Method for producing group III nitride crystal | |
JP4921855B2 (en) | Production method | |
JP4732146B2 (en) | Crystal growth apparatus and manufacturing method | |
JP4848243B2 (en) | Crystal manufacturing equipment | |
JP4880499B2 (en) | Crystal manufacturing equipment | |
JP4987517B2 (en) | Crystal manufacturing equipment | |
JP2012136433A (en) | Group iii nitride crystal, and method for producing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090512 |
|
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 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20101022 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120221 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120423 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121009 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121130 |
|
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: 20130219 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130304 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160329 Year of fee payment: 3 |