JP5491483B2 - β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法に関し、特に、双晶化を抑えることのできるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法に関する。

従来、ブリッジマン法により種結晶とほぼ同じ大きさのＩｎＰ単結晶を成長させる結晶成長方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された方法によれば、双晶を含まないＩｎＰ単結晶を得ることができる。

F. Matsumoto, et al. Journal of Crystal Growth 132 (1993) pp.348-350.

しかし、ブリッジマン法により単結晶を成長させる場合、結晶成長後にルツボを単結晶から引き剥がす必要があるため、ルツボが結晶との密着性の高い材料からなる場合は、成長させた単結晶を取り出すことが難しい。

例えば、Ｇａ_２Ｏ_３結晶の成長には、通常、Ｉｒからなるルツボが用いられるが、Ｉｒはβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶に対する密着性が高い。そのため、ブリッジマン法を用いてβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させた場合、ルツボから単結晶を取り出すことが難しい。

したがって、本発明の目的は、双晶化が抑えられたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を得ることができるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法を提供することである。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［４］のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法を提供する。

［１］ＥＦＧ法を用いたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法であって、種結晶をＧａ_２Ｏ_３系融液に接触させる工程と、前記種結晶を引き上げ、ネッキング工程を行わずにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる工程と、を含み、すべての方向において前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の幅が前記種結晶の幅の１１０％以下である、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

［２］すべての方向において前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の幅が前記種結晶の幅の１００％以下である、前記［１］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

［３］すべての方向において前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の幅が前記種結晶の幅と等しい、前記［２］に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

［４］前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶をそのｂ軸方向に成長させる、前記［１］〜［３］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

本発明によれば、双晶化を効果的に抑えることのできるβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の一部の垂直断面図である。 図２は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態の種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶との境界付近の部分拡大図である。 図４は、比較例としての境界近傍にネック部を有する種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の部分拡大図である。

〔実施の形態〕
本実施の形態においては、ＥＦＧ（Edge-defined film-fed growth）法により、ネッキングや大きく肩を広げる工程を行わずにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる。

ネッキング工程とは、種結晶を結晶の原料の融液に接触させる際に、細いネック部を形成する工程である。ネック部を形成した後は、所望の大きさになるまで幅を拡げながら結晶を成長させ（肩拡げ工程）、その後、所望の幅を保ったまま結晶を成長させる。

ネッキング工程を行うことにより、種結晶に含まれる転位が成長結晶へ引き継がれることを防止できるが、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる際にネッキング工程を行う場合、ネッキング工程後の大きく肩を広げる工程において双晶が発生しやすい。

なお、結晶の引き上げ速度を上げる等の方法で、ネッキング工程後にβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を急激に冷やすことにより双晶化を抑えることができるが、熱衝撃によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶にクラックが生じる。

図１は、本実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の一部の垂直断面図である。このＥＦＧ結晶製造装置１０は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２を受容するルツボ１３と、このルツボ１３内に設置されたスリット１４Ａを有するダイ１４と、スリット１４Ａの開口１４Ｂを除くルツボ１３の上面を閉塞する蓋１５と、β−Ｇａ_２Ｏ_３系種結晶（以下、「種結晶」という）２０を保持する種結晶保持具２１と、種結晶保持具２１を昇降可能に支持するシャフト２２とを有する。

ルツボ１３は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系粉末を溶解させて得られたＧａ_２Ｏ_３系融液１２を収容する。ルツボ１３は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２を収容しうる耐熱性を有するイリジウム等の金属材料からなる。

ダイ１４は、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２を毛細管現象により上昇させるためのスリット１４Ａを有する。

蓋１５は、ルツボ１３から高温のＧａ_２Ｏ_３系融液１２が蒸発することを防止し、さらにスリット１４Ａの上面以外の部分にＧａ_２Ｏ_３系融液１２の蒸気が付着することを防ぐ。

種結晶２０を下降させて毛細管現象で上昇したＧａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させ、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２と接触した種結晶２０を引き上げることにより、平板状のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５を成長させる。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の結晶方位は種結晶２０の結晶方位と等しく、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の結晶方位を制御するためには、例えば、種結晶２０の底面の面方位及び水平面内の角度を調整する。

図２は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。図２中の面２６は、スリット１４Ａのスリット方向と平行なβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の主面である。成長させたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５を切り出してβ−Ｇａ_２Ｏ_３系基板を形成する場合は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系基板の所望の主面の面方位にβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の面２６の面方位を一致させる。例えば、（１０１）面を主面とするβ−Ｇａ_２Ｏ_３系基板を形成する場合は、面２６の面方位を（１０１）とする。また、成長させたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５は、新たなβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させるための種結晶として用いることができる。

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５及び種結晶２０は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、又は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等の元素が添加されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶である。β−Ｇａ_２Ｏ_３結晶は単斜晶系に属するβ-ガリア構造を有し、その典型的な格子定数はａ_０＝１２．２３Å、ｂ_０＝３．０４Å、ｃ_０＝５．８０Å、α＝γ＝９０°、β＝１０３．８°である。

β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長中に発生する双晶は、鏡面対称な２つのβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶からなる。β−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶の双晶の対称面（双晶面）は、（１００）面である。ＥＦＧ法によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる場合、ネッキング工程後の大きく肩を広げる工程において双晶が発生しやすい。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶との境界付近の部分拡大図である。種結晶２０及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の幅をそれぞれＷ_１及びＷ_２とすると、図３（ａ）においてはＷ_１＝Ｗ_２、図３（ｂ）においてはＷ_１＞Ｗ_２、図３（ｃ）においてはＷ_１＜Ｗ_２である。

図３（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、種結晶２０とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５との境界近傍には、ネッキング工程により形成されるネック部が存在しない。このため、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５は双晶を含まないか、含んでいても少量である。なお、ネッキング工程を行わない場合であっても、Ｗ_２のＷ_１に対する比が大きくなると双晶化が進む傾向があるため、Ｗ_２はＷ_１の１１０％以下であることが求められる。

また、上記のＷ_２とＷ_１の関係は、種結晶２０とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５のすべての方向の幅において成り立つ。すなわち、本実施の形態においては、すべての方向においてＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５の幅が種結晶２０の幅の１１０％以下である。

さらに、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の双晶化をより効果的に抑えるためには、すべての方向においてＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５の幅が種結晶２０の幅の１００％以下であることが好ましく、すべての方向においてＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５の幅が種結晶２０の幅と等しいことがより好ましい。

種結晶２０の幅Ｗ_１に対するＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５の幅Ｗ_２は、例えば、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５を成長させる際の温度条件により制御することができる。この場合は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５を成長させる際の温度が低いほどその幅Ｗ_２が大きくなる。

図４は、比較例としての境界近傍にネック部を有する種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の部分拡大図である。種結晶１２０とβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶１２５の境界近傍にはネック部１２１が存在する。β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶１２５はネッキング工程後の大きく肩を広げる工程を経て形成されるため、多くの双晶を含むことが多い。

例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶１２５をｂ軸方向に成長させた場合、主面（図４の紙面に平行な面）上のｂ軸に垂直な方向の１ｃｍ当たりの双晶の平均数は、３０．７〜３７．０本である。

一方、本実施の形態によれば、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５をｂ軸方向に成長させた場合であっても、面２６上のｂ軸に垂直な方向の１ｃｍ当たりの双晶の平均数がほぼ０本であるＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５を形成することができる。

以下に、本実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系単結晶２５の育成条件の一例について述べる。

例えば、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５の育成は、窒素雰囲気下で行われる。

種結晶２０は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶２５とほぼ同じ大きさか、より大きいため、通常の結晶育成に用いられる種結晶よりも大きく、熱衝撃に弱い。そのため、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させる前の種結晶２０のダイ１４からの高さは、ある程度低いことが好ましく、例えば、１０ｍｍである。また、Ｇａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させるまでの種結晶２０の降下速度は、ある程度低いことが好ましく、例えば、１ｍｍ／ｍｉｎである。

種結晶２０をＧａ_２Ｏ_３系融液１２に接触させた後の引き上げるまでの待機時間は、温度をより安定させて熱衝撃を防ぐために、ある程度長いことが好ましく、例えば、１０ｍｉｎである。

ルツボ１３中の原料を溶かすときの昇温速度は、ルツボ１３周辺の温度が急上昇して種結晶２０に熱衝撃が加わることを防ぐために、ある程度低いことが好ましく、例えば、１１時間掛けて原料を溶かす。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、ネッキングや大きく肩を広げる工程を行わずにＧａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させることにより、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の双晶化を効果的に抑えることができる。

通常、ＥＦＧ法によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を育成する場合、結晶をそのｂ軸方向に成長させると特に双晶化しやすい。しかし、本実施の形態によれば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶をｂ軸方向に成長させる場合であっても双晶化を抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０…ＥＦＧ結晶製造装置、２０…種結晶、２５…β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶

Claims (4)

1. ＥＦＧ法を用いたβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法であって、
   種結晶をＧａ_２Ｏ_３系融液に接触させる工程と、
   前記種結晶を引き上げ、ネッキング工程を行わずにβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶を成長させる工程と、
   を含み、
   すべての方向において前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の幅が前記種結晶の幅の１１０％以下である、
   β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。
2. すべての方向において前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の幅が前記種結晶の幅の１００％以下である、
   請求項１に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。
3. すべての方向において前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の幅が前記種結晶の幅と等しい、
   請求項２に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。
4. 前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶をそのｂ軸方向に成長させる、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶の成長方法。

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