JP5310257B2 - 窒化物結晶製造方法 - Google Patents

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本発明は、窒化物結晶製造方法および窒化物結晶製造装置に関するものである。
従来、窒化物結晶は、以下の様にして製造されていた。
すなわち、育成炉と、この育成炉内に配置された結晶成長容器と、この結晶成長容器を加熱する加熱手段と、前記結晶成長容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記結晶成長容器内に設けた坩堝と、この坩堝内に設けた種基板とを備え、前記坩堝には雑晶の発生を防ぐための炭素を入れた構成となっていた。
Naフラックスを用いた結晶成長法では、種結晶以外の核がフラックス中に発生し、(これが坩堝の気液界面に付いて成長したものを雑晶という)、これが原因でGaN結晶の品質および収率が悪くなるという問題があったため、Naフラックスに炭素を添加することで、種結晶以外の核がフラックス中に発生することを抑制することが知られている(例えば、これに類似する技術は下記特許文献1、および非特許文献1に記載されている)。
国際公開第2008/059901号
Journal of Crystal Growth 310 (2008) 3946-3949(大阪大学)
上記従来例における課題は、結晶の品質が劣化してしまうことであった。
すなわち、従来例においては、フラックス中の雑晶を抑制するために用いるために、上述のごとく炭素を坩堝に入れており、この際に、雑晶を抑制する効果を高めるために、なるべく種基板の近くに炭素を配置をしたり、あるいは、坩堝を揺動させたりする。
このようにすると、炭素による雑晶の抑制効果を高めることができるが、時として、結晶の品質が劣化してしまうという現象が発生した。
本発明者は、このような結晶の品質の劣化原因を鋭意検討する中で、炭素が種基板に接触することが結論として結晶の品質を劣化させてしまうということを見いだした。
そこで本発明は、結晶の品質向上を図ることを目的とするものである。
そして、この目的を達成するために本発明は、種基板の近傍に、この種基板とは非接触状態で雑晶の発生を抑制する炭素を配置し、その後、種基板上に結晶を育成させることにより所期の目的を達成するものである。
以上のように本発明は、種基板の近傍に、この種基板とは非接触状態で雑晶の発生を抑制する炭素を配置し、その後、種基板上に結晶を育成させるようにしたので、結晶の品質を向上することができる。
すなわち、従来例においては、フラックス中の雑晶を抑制するために用いる炭素を坩堝の種基板の近くに入れるが、この場合に、炭素が種基板に接触してしまうと、これが原因で成長後のGaN結晶に孔が空いてしまい、結晶の品質が劣化してしまうということが起こった。
この原因としては、例えば、炭素がフラックス中の雑晶を抑制するために窒素と化合するためにはかなりの時間が必要であり、この間に種基板上に接触した炭素は種基板表面の窒素を取ることになり、これが原因で成長後のGaN結晶に孔が空いてしまうことが考えられる。
このようなことは、全く予想だにしなかったことであったが、本発明者の研究の結果、炭素の配置を適切に管理し、種基板に対して接触しないようにすることで、結晶の品質の劣化を防止できることを見出した。
そこで、本発明においては、炭素が種基板に接触することを防止し、種基板に対して適切な配置を行い、これによって結晶の品質を向上させることができることとなったものである。
本発明の一実施形態の装置の構成図 (a)は本発明の一実施形態の断面図(b)は上面図 (a)は本発明の一実施形態の断面図(b)は上面図 (a)は本発明の一実施形態の断面図(b)は上面図 (a)は本発明の一実施形態の断面図(b)は上面図 (a)は本発明の一実施形態の断面図(b)は上面図 (a)は本発明の一実施形態の断面図(b)は上面図 (a)は本発明の一実施形態の断面図(b)は上面図
以下、本発明の一実施形態をIII族窒化物結晶製造装置の一例としてIII族窒化物結晶成長装置に適用したものを添付図面を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施形態におけるIII族窒化物結晶成長装置の構成図である。まず、結晶を成長させる種基板1と、この種基板1と、金属ガリウム(図2の3a)とナトリウム(図2の3b)とを所定の量に計って坩堝2に入れる。なお、金属ガリウム(図2の3a)とナトリウム(図2の3b)とは、加熱によって液化し、この図1に示す結晶化材料3となる。
つぎに、この坩堝2を、密閉性の結晶成長容器4に入れ、その後、この結晶成長容器4を育成炉5に入れる。育成炉5は、内面を断熱材6で覆っていて、その内部に、結晶成長容器4を加熱するためのヒーター(加熱手段の一例)7を備えた電気炉となっていて、内部の温度を、熱電対8で測定しながら管理している。また、育成炉5は、その全体を揺動可能にする駆動部9を備えた構成となっている。
この育成炉5の外部より、原料ガスである窒素を、原料ガス供給部11を介して育成炉5に収納された結晶成長容器4内に供給するようになっている。
原料ガス供給部11は、原料ガスボンベ10と、この原料ガスボンベ10と結晶成長容器4を接続する接続配管12と、この接続配管12内の圧力を調整する圧力調整器13と、接続配管12内のバルブ調整としてのストップバルブ14と、接続配管12内のガス抜きを行うリーク弁15と、接続配管12の切り離し部分16と、を備えた構成となっている。
上述のように構成された装置で、結晶を育成するのであるが、その工程としては、まず、上述のごとく、坩堝2内にガリウム(図2の3a)とナトリウム(図2の3b)原料を入れ、この坩堝2に、原料ガスとしての窒素を原料ガスボンベ10から、窒素雰囲気圧力50気圧で供給する。その状態で育成炉5によって、育成温度850℃に坩堝2を加熱し、種基板1上にGaN結晶の育成を行う。
さて、ここで本発明の実施の形態における特徴点を説明する。図2に、上述したようにガリウム3aと、ナトリウム3bを原料として入れた状態での坩堝2の断面図(a)と、上面図(b)を示す。
図2によると、坩堝2の内側底面に、種基板1が水平に設置され、その上面にガリウム3aと、ナトリウム3bが設置されている。坩堝2の内側底面には、種基板1の外周より外側に凹部17が設けられており、この凹部17の深さは、必要とされるペレット状の炭素粒18を収納しても、この炭素粒18がこの凹部17から溢れ出て種基板1に決して接触しないような深さとしている。
このような構成にすることで、炭素粒18が坩堝2内において、種基板1に接しない箇所に配置することができるので、結晶の成長時において種基板1に炭素粒18が接触しないので、種基板1上に育成される窒化ガリウムの結晶の品質を向上するという効果が得られる。
炭素粒18の配置手段としては、そのほかにもいくつかの手段が考えられる。
例えば、図3は、坩堝2の断面図(a)と、上面図(b)を示すが、図3によると坩堝2の内側底面に、種基板1の外周より外側に、ほぼ等間隔に複数の凹部17が設けられており、この凹部17の深さは、必要とされるペレット状の炭素粒18を収納しても、坩堝2の内側底面を炭素粒18が越えない程度になっている。この凹部17内に、炭素粒18が収納された構成となっている。
また、図4は、同様に坩堝2の断面図(a)と、上面図(b)を示すが、図4によると坩堝2の内側底面に、種基板1の外周より外側に、ほぼ円状に凹部19が設けられており、この凹部19の深さは、必要とされるペレット状の炭素粒18を収納しても、坩堝2の内側底面を炭素粒18が越えない程度になっている。この凹部19内に、炭素粒18が、ほぼ全周にわたって収納された構成となっている。
また、図5は、同様に坩堝2の断面図(a)と、上面図(b)を示すが、図5によると坩堝2の内側底面上に、種基板1の外周より外側に、ほぼ円状に凸部20が設けられており、この凸部20の高さは、必要とされるペレット状の炭素粒18を凸部20の外周に収納しても、凸部20を炭素粒18が越えない程度の高さになっている。この凸部20の外周に、炭素粒18が、ほぼ全周にわたって配置された構成となっている。
また、図6は、同様に坩堝2の断面図(a)と、上面図(b)を示すが、図6によると坩堝2の内側底面上に、種基板1の外周より外側に、ほぼ円状に網状壁21が設けられており、この網状壁21の高さは、必要とされるペレット状の炭素粒18を凸部20の外周に収納しても、網状壁21を炭素粒18が越えない程度の高さになっている。この網状壁21の外周に、炭素粒18が、ほぼ全周にわたって配置された構成となっている。尚、網状壁21の網の目の大きさは、炭素粒18を通さない程度の大きさとなっている。
また、図7は、同様に坩堝2の断面図(a)と、上面図(b)を示すが、図7によると、坩堝2の内側底面上に、所定の高さの種基板台22を設け、この種基板台22上に種基板1を設置し、坩堝2の内側底面に炭素粒18を配置した構成としている。
この種基板台22の構成は、種基板1を坩堝2の底面から所定の高さに保持する保持板22aと、この保持板22aを坩堝2の底面から複数の位置で支持する脚部22bを備えた構成になっている。
この種基板台22の高さは、必要とされるペレット状の炭素粒18を坩堝2の内側底面に配置しても、炭素粒18が種基板1に接しない程度の高さになっている。
また、図8は、同様に坩堝2の断面図(a)と、上面図(b)を示すが、炭素粒18を通さない程度の大きさの開口部を有する容器23に炭素粒18を収納し、この容器23を坩堝2の内側底面上に配置した構成としている。なお、この容器23は、図示していない保持手段により、坩堝2の内側底面上方に、この図8に示すごとく中空状態で配置することも出来る。
また、他の実施形態として、坩堝2の内面を炭素でコーティングすることもできるが、このように坩堝2の内面を炭素でコーティングした場合には、図7に示す種基板台22を活用することが好ましい。
上記いずれの手段も、炭素粒18が坩堝2内において、種基板1に接しない箇所に配置することができるので、窒化ガリウムの結晶の成長時において、種基板1に炭素粒18が接触しないので、窒化ガリウムの結晶の品質を向上させることができる。
以上のように本発明は、種基板の近傍に、この種基板とは非接触状態で雑晶の発生を抑制する炭素を配置し、その後、種基板上に結晶を育成させるようにしたので、結晶の品質を向上することができる。
すなわち、従来例においては、フラックス中の雑晶を抑制するために用いる炭素を坩堝の種基板の近くに入れるが、この場合に、炭素が種基板に接触してしまうと、これが原因で成長後のGaN結晶に孔が空いてしまい、結晶の品質が劣化してしまうということが起こった。
この原因としては、例えば、炭素がフラックス中の雑晶を抑制するために窒素と化合するためにはかなりの時間が必要であり、この間に種基板上に接触した炭素は種基板表面の窒素を取ることになり、これが原因で成長後のGaN結晶に孔が空いてしまうことが考えられる。
このようなことは、全く予想だにしなかったことであったが、本発明者の研究の結果、炭素の配置を適切に管理し、種基板に対して接触しないようにすることで、結晶の品質の劣化を防止できることを見出した。
そこで、本発明においては、炭素が種基板に接触することを防止し、種基板に対して適切な配置を行い、これによって結晶の品質を向上させることができることとなったものである。
したがって、たとえば、窒化物結晶製造装置として広く活用が期待されるものである。
1 種基板
2 坩堝
3a ガリウム
3b ナトリウム
4 結晶成長容器
5 育成炉
6 断熱材
7 ヒーター
8 熱電対
9 駆動部
10 原料ガスボンベ
11 原料ガス供給部
12 接続配管
13 圧力調整器
14 ストップバルブ
15 リーク弁
16 切り離し部分
17 凹部
18 炭素粒
19 凹部
20 凸部
21 網状壁
22 種基板台
22a 保持台
22b 脚部
23 容器

Claims (2)

  1. 坩堝内で、アルカリ金属とIII族金属とを用いてフラックス法によりIII族窒化物結晶を製造する窒化物結晶製造方法であって、
    前記坩堝内に種基板を配置すると共に、前記坩堝内に設けられた収納部内に前記種基板と非接触状態となるように炭素を配置し、その後、前記種基板上にIII族窒化物結晶を育成させる窒化物結晶製造方法。
  2. 前記収納部は、前記種基板の外周より外側に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物結晶製造方法。
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