JPWO2003097906A1 - 超臨界アンモニアを用いるバルク単結晶生産設備 - Google Patents

Abstract

超臨界溶媒を生成するオートクレーブ１を有する設備であって、前記オートクレーブには対流管理装置２が設置され、該対流管理装置２上位にフィードストック１６を配置する溶解領域１３を、下位にシード１７を配置する結晶化領域を形成する。上記溶解領域１３と上記結晶化領域１４間の超臨界溶液の対流速度は、上記管理装置２の開度およびに上記溶解領域１３と結晶化領域１４との温度差よって設定される。したがって、溶解度が負の温度係数を有する超臨界溶液は、上記溶解領域１３からシードの配置された結晶化領域１４に上記対流管理装置２を介して供給され、所定の温度に上昇すると、超臨界溶液の溶解度はシードに対する過飽和域を越え、シード面には窒化物の結晶が選択的に成長する。本装置内では、自発的成長が起こらない濃度以下に調節されているので、窒化物のバルク単結晶が得られる。

Description

技術分野
本発明は、超臨界溶液からシード上に結晶させることによって、窒化物のバルク単結晶を得る生産設備の改良に関する。
背景技術
窒化物バルク単結晶を超臨界アンモニア溶液からの再結晶により得る方法が提案されている（特願２００２−１４３４４９）。かかる超臨界アンモニア溶液を利用して得られる窒化物バルク単結晶の生産設備としては、超臨界溶媒を生成するオートクレーブを有する設備であって、前記オートクレーブには対流管理装置が設置され、加熱装置および冷却装置を備えた炉ユニットを備えるだけでなく
上記炉ユニットは、加熱装置および／または冷却装置により所定の温度勾配を持つように調整され、
上記対流管理装置は、中心および／またはオートクレーブ内壁との間に間隔を有する横型バッフルの一枚又は数枚で構成され、バッフル上位にフィードストックを配置する溶解領域を、バッフル下位にシードを配置する結晶化領域を形成するように配置することが提案されている。
しかしながら、それだけでは十分でなく、上記溶解領域と上記結晶化領域間の超臨界溶液の対流速度を、上記管理装置の開度およびに上記溶解領域と結晶化領域との温度差等よって設定するように構成される必要があることが見出された。
なぜなら、本発明者らが鋭意研究の結果、工業的に窒化物を量産するためには、１０μｍ／ｈ以上の成長速度を必要とし、そのためには、アンモニアと少なくともアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に窒化物が溶解し、その溶解度が負の温度係数を有する超臨界溶液を、上記溶解領域からシードの配置された結晶化領域に上記対流管理装置を介して供給するにあたり、所定の温度に上昇させて超臨界溶液の溶解度をシードに対する過飽和域であって、自発的結晶化が起こらない濃度以下に調節してオートクレーブ内に配置されたシード面に窒化物の結晶を選択的に成長させる必要があることが見い出されたからである。
発明の開示
そこで、本発明は、窒化物バルク単結晶を成長させるに必要なオートクレーブ内の対流速度を制御できるオートクレーブを提供することを目的とする。
また、本発明は、オートクレーブ壁面からの不純物混入を抑制することができるオートクレーブを提供することを目的とするものである。
さらに、本発明は工業的に価値のある成長速度を得ることができるオートクレーブを提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するための本発明の構成は、アンモノ塩基性（ａｍｍｏｎｏ−ｂａｓｉｃ）を付与する１種または複数のミネラライザーを含む超臨界アンモニア溶媒中で化学輸送が起き、窒化物の単結晶成長を得ることができる、アンモノ塩基性結晶成長技術に基づくもので、
超臨界溶媒を生成するオートクレーブ１を有する設備であって、前記オートクレーブには対流管理装置２が設置され、加熱装置５および冷却装置６を備えた炉ユニット４を備え、
上記炉ユニット４は、加熱装置５および／または冷却装置６により所定の温度勾配を持つように調整され、
上記対流管理装置２は、中心および／またはオートクレーブ内壁との間に間隔を有する横型バッフル１２の一枚又は数枚で構成され、バッフル上位にフィードストック１６を配置する溶解領域１３を、バッフル下位にシード１７を配置する結晶化領域を形成するように配置され、
上記溶解領域１３と上記結晶化領域１４間の超臨界溶液の対流速度を、上記管理装置２の開度およびに上記溶解領域１３と結晶化領域１４との温度差よって設定するように構成され、
アンモニアと少なくともアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に窒化物が溶解し、溶解度が負の温度係数を有する超臨界溶液を、上記溶解領域１３からシードの配置された結晶化領域１４に上記対流管理装置２を介して供給し、所定の温度に上昇させて超臨界溶液の溶解度をシードに対する過飽和域であって、自発的成長が起こらない濃度以下に調節してオートクレーブ内に配置されたシード面に窒化物の結晶を選択的に成長させることを特徴とするオートクレーブを提供するものである。
上記アンモノ塩基性結晶成長技術においては、超臨界アンモニア溶液の組成とその濃度、溶解領域と結晶化領域との温度差、温度差に基づく対流速度を制御するバッフルの位置および面積、アンモニアの充填率、シードとフィードストックとの表面積率などが結晶の成長に影響を与えることが見出されているが、本発明によれば、上記溶解領域１３と上記結晶化領域１４間の超臨界溶液の対流速度を、上記管理装置２およびに上記温度差よって設定することができるので、結晶化領域における、超臨界溶液の溶解度をシードに対する過飽和域であって、自発的結晶化が起こらない濃度以下に調節され、シード面に窒化物の結晶を選択的に成長させることができる。
また、アルカリ金属イオンを含む超臨界アンモニア溶液は溶解性に富む。したがって、オートクレーブの内壁にＡｇ、Ｍｏ、ＦｅまたはＴａからなる金属または合金ライニングが施してあると壁面からの不純物の混入を少なくすることができるので、好ましい。
上記対流管理装置は、溶解領域と結晶化領域とに段階的に温度差を付ける役目をするものであるが、オートクレーブの内容積の大小、内径と長さとの比とにより形状や面積を異にするが、内断面積の７０％から９０％程度とし、バッフルの開口率は３０％以下とするが好ましい。バッフルの位置は成長結晶量によって、上下させるべきであり、オートクレーブ内部の全長の１／３から２／３の位置に設置され、上記溶解領域と結晶化領域との比率が必要に応じて調整が可能であるのが好ましい。上記溶解領域に設置されるフィードストックは、溶解領域の半分以下の充填量であるのが好ましく、ガリウムメタルをフィードストックとする場合は、ルツボ内でポリＧａＮとなって体積が増大するので、溶解領域の１／４程度とすべきである。
上記対流管理装置２が位置する領域は、冷却するように冷却装置６を配置すると、上記溶解領域１３と結晶化領域１４との間に所定の温度差を形成するのが容易となり、また、上記結晶化領域の底部流域に冷却可能な冷却装置１８を配置し、結晶化終了後急速冷却可能とするのが好ましい。
上記オートクレーブの構成によりシード上での成長速度を向上させることができるが、オートクレーブの直径／全長比が１／１５〜７／１５で、その断面積の上記横型バッフルでの開口率が３０％以下とし、シード上での成長速度が１０μｍ／ｈｒ以上とするのが適当である。
発明を実施するための最良の形態
窒化物の単結晶を生産する設備は、対流管理装置２を備えた超臨界溶媒を生成するオートクレーブ１及びオートクレーブに配置される加熱装置５および冷却装置６を備えた１台または数台の炉ユニット４で構成される。炉ユニットにはオートクレーブの結晶化領域に相当する、加熱装置４を備えた高温領域１４とオートクレーブの溶解領域に相当する、加熱装置を備えた低温領域１３がある。または加熱・冷却装置を備えた高温領域と加熱・冷却装置を備えた低温領域を有する炉ユニットも利用できる。上記の対流管理装置とは、結晶化領域と溶解領域を区分するように、中心あるいは周囲に間隔のある横型バッフルの一枚または数枚で造ることができる。オートクレーブ内にフィードストックを溶解領域に配置し、シードを結晶化領域に配置する。溶解領域と結晶化領域間の超臨界溶液の対流は前記の装置によって管理される。溶解領域は横型バッフルの上位に、結晶化領域は横型バッフルの下位に位置する。
図４、図５は本発明に係るバルク単結晶生産設備を示す。この設備の主な部分は超臨界溶媒を生成するオートクレーブ１とオートクレーブ１の中にある超臨界溶液内の化学輸送を可能とする管理装置２で構成されている。上記のオートクレーブ１を加熱措置５または冷却装置６を備えた炉（２台）ユニット４の室内３に投入し、炉ユニット４に対して一定の位置を保つために、ボルトの固定装置７で固定する。炉ユニット４を炉床８に設置し、炉ユニット４と炉床８の周囲に巻かれたスチールテープ９で固定される。炉床８と炉ユニット４を回転台１０に設置し、特定の角度でピン固定装置１１で固定することによって、オートクレーブ１内の対流種類と対流速度を管理することができる。炉ユニット４に投入されたオートクレーブ１内の超臨界溶液の対流を、結晶化領域１４と溶解領域１３を区分し、オートクレーブ断面積のおよそ７０％の横型バッフル１２で構成される対流管理装置２によって設定する。その位置は全長のおよそ半分に配置する。オートクレーブ１内の両領域の温度を、炉ユニット４に設置された制御装置１５によって、１００℃〜８００℃の範囲内に設定する。炉ユニット４の低温領域に相当するオートクレーブ１内の溶解領域１３は、横型バッフル１２の上位に位置され、その領域１３内にフィードストック１６を配置する。その充填量は溶解領域の約１／２を占めるようにする。ガリウムメタルを用いる場合はるつぼ容積が溶解領域の約１／２となるようにする。炉ユニット４の高温領域に相当するオートクレーブ内の結晶化領域１４は横型バッフル１２の下位に位置する。この領域１４にシード１７が配置されるが、その配置の位置を対流の上流と下流が交差する場所の下位に設定し、炉底部やや上方に配置される。上記対流管理装置２が位置する領域は、冷却するように冷却装置６−１を配置する。これにより、上記溶解領域１３と結晶化領域１４との間に所定の温度差を形成する。上記結晶化領域の底部流域に冷却可能な冷却装置６−２を配置し、結晶化終了後急速冷却可能とし、結晶成長後炉内の冷却時に結晶が極力溶解しないようにする。
実施された研究結果によると、ＧａＮは、アルカリ金属あるいはその化合物（ＫＮＨ_２等）を含有するＮＨ_３において、良い溶解度を示す。図１のグラフでは、超臨界溶媒内のＧａＮの溶解度は４００℃と５００℃Ｃの温度と圧力との関数として表示されたが、この溶解度はモル％：Ｓ_ｍ≡｛ＧａＮ^溶液：（ＫＮＨ_２＋ＮＨ_３）｝×１００％と定義する。この場合の溶媒とは、モル比Ｘ≡ＫＮＨ_２：ＮＨ_３が０．０７となる超臨界アンモニア溶液である。溶解度Ｓ_ｍは温度、圧力およびミネラライザーのモル比の関数としてＳ_ｍ≡Ｓ_ｍ（Ｔ，ｐ，ｘ）で表され、微小変化ΔＳ_ｍは次の式で表される。

ここで、（∂Ｓ_ｍ／∂Ｔ）_Ｐ，Ｘ等の係数は溶解度の温度、圧力およびミネラライザーのモル比係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示す。
前記のグラフによると、溶解度は圧力の増加関数であり、温度の減少関数である。この関係を利用し、溶解度の高い条件で窒化物の溶解を行い、溶解度が低い条件で結晶させることによって、ＧａＮのバルク単結晶を成長することができる。この負の温度勾配は、温度差が生じた場合において窒化物の化学輸送が低温の溶解領域から高温の結晶化領域へ行われることを意味する。また、他のガリウム化合物も金属ガリウムもＧａＮ錯体の供給源として使用できることが明かになった。
たとえば、上記の成分からなる溶媒に最も簡素な原料である金属ガリウムを始め、Ｇａ錯体を投与できる。次に、加熱などのような条件変化を適切に行い、窒化物に対して過飽和溶液をつくることによって、シード面に結晶が成長する。本発明は、シード面に窒化物のバルク単結晶の成長を可能にし、ＧａＮ結晶からなるシード上にバルク単結晶層として得られるＧａＮの化学量論的な成長に繋がる。
前記の単結晶は、アルカリ金属イオンを含有する超臨界溶液内に成長されるので、得られた単結晶も０．１ｐｐｍ以上のアルカリ金属を含む。また、設備の腐食を防ぐ超臨界溶液の塩基性を保持するために、意図的に溶媒にハロゲン物質を投与しないのである。本発明の方法によって、０．０５〜０．５のＧａをＡｌまたはＩｎで置き代えることができる。成分を柔軟に変更できることによって、得られる窒化物の格子定数を調整することが可能である。更に、ＧａＮのバルク単結晶に濃度１０^１７〜１０^２１／ｃｍ^３のドナー（Ｓｉ，Ｏ等）、アクセプター（Ｍｇ，Ｚｎ等）、磁気物質（Ｍｎ，Ｃｒ等）をドープすることができる。ドープによって窒化物の光学・、電気・磁気の特性が変えられる。その他の物理的な特性において、成長されたＧａＮのバルク単結晶表面の欠陥密度が１０^６／ｃｍ^２以下、好ましくは１０^５／ｃｍ^２以下、より好ましくは１０^４／ｃｍ^２以下である。また、（０００２）面に対するＸ線の半値幅は６００ａｒｃｓｅｃ以下、好ましくは３００ａｒｃｓｅｃ以下、より好ましくは６０ａｒｃｓｅｃ以下である。最良のバルクＧａＮ単結晶は、欠陥密度が約１０^４／ｃｍ^２以下、表面（０００２）に対するＸ線測定の半値幅が６０ａｒｃｓｅｃ以下で成長することができる。
（結晶化領域と溶解領域の温度差）
上記構成においては、オートクレーブ内に溶解領域と結晶化領域という２つの領域を同時形成する場合は、シードに対する超臨界溶液の過飽和の管理を溶解温度と結晶化温度の調整によって行われるのが好ましい。そして、結晶化領域の温度を４００〜６００℃の温度に設定するが制御が容易であり、オートクレーブ内に溶解領域と結晶化領域の温度差を１５０℃以下、好ましくは１００℃以下に保持することにより制御が容易である。また、シードに対する超臨界溶液の過飽和調整はオートクレーブ内に低温の溶解領域と高温の結晶化領域を区分するバッフルを１または複数設け、溶解領域と結晶化領域の対流量を調整により行われるのがよい。さらに、オートクレイブ中に特定の温度差を有する溶解領域と結晶化領域という２つの領域を形成する場合は、シードに対する超臨界溶液の過飽和調整は、シードの総面積を上回る総面積を有するＧａＮ結晶として投与されるガリウム含有フィードストックを利用するのがよい。
なお、本発明は、アンモノ塩基性（ａｍｍｏｎｏ−ｂａｓｉｃ）を付与する１種または複数のミネラライザーを含む超臨界アンモニア溶媒中で化学輸送が起き、窒化物の単結晶成長を得る、アンモノ塩基性結晶成長技術を利用するものであり、本件発明において使用される以下の用語は、以下の本件明細書で定義された意味に解すべきである。
（窒化物）
窒化物とは、少なくとも構成要素として少なくとも窒素原子を含む化合物で、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わすことができ、少なくとも二元化合物ＧａＮ、ＡｌＮ、三元化合物ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮおよび４元化合物ＡｌＩｎＧａＮを含み得る。好ましくはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を対象とし、用途に応じてドナー、アクセプタまたは磁気性のドープを含有できる。
窒化物のバルク単結晶とは、ＭＯＣＶＤまたはＨＶＰＥ等のエピ成長方法によりＬＥＤ又はＬＤのような光および電子デバイスを形成することができる窒化物単結晶基板を意味する。
（前駆物質）
窒化物の前駆物質とは、少なくとガリウム又はアルミニウム、要すればアルカリ金属、ＸＩＩＩ族元素、窒素および／又は水素を含む物質またはその混合物であって、金属Ｇａ又はＡｌ、その合金または金属間化合物、その水素化物、アミド類、イミド類、アミド−イミド類、アジド類であって、以下に定義する超臨界アンモニア溶媒に溶解可能なガリウム化合物又はアルミニウム化合物を形成できるものをいう。
（フィードストック）
フィードストックとは、ガリウム含有窒化物、又はアルミニウム含有窒化物あるいはその前駆物質をいう。本発明方法はアンモノ塩基性反応に基づくものであるが、フィードストックがＨＶＰＥで形成されたＧａＮ、ＡｌＮまたは化学反応で形成されたＧａＮ、ＡｌＮで、塩素を本来的に含むものであってもアンモノ塩基性超臨界反応を害しない限り問題はない。フィードストックとして超臨界アンモニア溶媒に対し平衡反応で溶解する窒化物と超臨界アンモニア溶媒に対し不可逆的に反応するガリウム又はアルミニウムメタルとの組み合わせを用いる事ができる。
前記の窒化物としては窒化ガリウムを用いると結晶化の反応制御が容易である。その場合は、シードとしてＧａＮ単結晶を用いるのが好ましい。ＧａＮに対するフィードストックとしてはフラックス法で得られるＧａＮ、Ｇａメタルの超臨界アンモニア中での多結晶化されたポリ窒化ガリウムを使用することができる。
（超臨界アンモニア溶媒）
超臨界溶媒は以下のように定義され、ＮＨ_３またはその誘導体を含み、ミネラライザーとしてアルカリ金属イオン、少なくともナトリウムまたはカリウムのイオンを含有する。超臨界アンモニア溶媒とは、少なくともアンモニアを含み、超臨界アンモニア溶媒は窒化物を溶解させるための１種または複数のアルカリ金属イオンを含むものという。
（ミネラライザー）
ミネラライザーとは、超臨界アンモニア溶媒に窒化物を溶解させるための１種または複数のアルカリ金属イオンを供給するものをいう。ミネラライザーはアルカリ金属またはアルカリ金属イオンを超臨界アンモニア溶媒中で与えるアルカリ金属化合物の形で投与され、純度の点からするとアルカリ金属アジド（ＮａＮ_３，ＫＮ_３，ＬｉＮ_３）、アルカリ金属（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）の形態で投与されるのが好ましいが、必要に応じてアルカリ金属アミドと併用して投与する事ができる。超臨界溶媒内のアルカリ金属イオンの濃度はフィードストック及び窒化物の特定溶解度を確保できるように調整され、超臨界溶液内の他の成分に対するアルカリ金属イオンのモル比は１：２００〜１：２であるが、好ましくは１：１００〜１：５、より好ましく１：２０〜１：８の範囲以内に管理するのがよい。アルカリ金属イオンは２種以上を混合させて用いることにより単独で用いる場合に比して結晶成長速度または結晶品質を向上させることができる。また、必要に応じてアルカリ土類金属、例えばＭｇ，Ｚｎ、Ｃｄを併用することができる。さらに、超臨界アンモニアでの塩基性反応を阻害しない範囲で、中性物質（アルカリ金属ハライド）、酸性物質（アンモニウムハライド）が併用されることがある。
（フィードストックの溶解）
フィードストックの溶解とは、上記フィードストックが超臨界溶媒に対し溶解性窒化化合物、例えばガリウム又はアルミニウム錯体化合物の形態ををとる可逆性または非可逆性の過程をいう。ガリウム錯体化合物とはＮＨ_３又はその誘導体ＮＨ_２ ⁻、ＮＨ^２−のような配位子がガリウムを配位中心として取り囲む錯体化合物を意味する。
（超臨界アンモニア溶液）
超臨界アンモニア溶液とは、上記超臨界アンモニア溶媒とフィードストックの溶解から溶解性ガリウム又はアルミニウム化合物を生ずることを意味する。我々は実験により、十分な高温高圧では固体の金属窒化物と超臨界溶液との間に平衡関係が存在するのを見出しており、したがって、溶解性窒化物の溶解度は固体の窒化物の存在下で上記溶解性ガリウム又はアルミニウム化合物の平衡濃度と定義することができる。かかる工程では、この平衡は温度および／または圧力の変化によりシフトさせることができる。
（溶解度）
溶解度の負の温度係数とは、他の全てのパラメータを保持するとき溶解度が温度の減少関数（ｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）で表されることを意味し、同様に、溶解度の正の圧力係数とは、他の全てのパラメータを保持するとき溶解度が圧力の増加関数で表されることを意味する。我々の研究では、超臨界アンモニア溶媒における、例えば、窒化物の溶解度は少なくとも３００から５５０℃に渡る温度領域、そして１から５．５Ｋｂａｒの圧力範囲で負の温度係数および正の圧力係数として現れる事を見出している。したがって、例えば、図２に示すように、８日間炉内温度を４００℃に保持してフィードストックを溶解させた（溶解工程）後、炉内温度を５００℃に保持することにより溶解した窒化ガリウムを析出させて結晶化させることができる（結晶化工程）。また、図３に示すように炉内圧力を２日間、３．５ｋｂａｒに挙げてフィードストックを溶解させた（溶解工程）後、炉内圧力を２ｋｂａｒに下げて溶解した窒化ガリウムを析出させて結晶化させることができる（結晶化工程）。
（過飽和：ｏｖｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）
窒化物に対する超臨界アンモニア溶液の過飽和とは、上記超臨界アンモニア溶液中での可溶性ガリウム又はアルミニウム化合物の濃度が平衡状態の濃度、すなわち溶解度より高い事を意味する。閉鎖系では窒化物の溶解の場合、このような過飽和は溶解度の負の温度係数または正の圧力係数に従い、温度の増加または圧力の減少により到達させることができる。
（化学輸送：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）
超臨界アンモニア溶液における窒化物の化学輸送とは、フィードストックの溶解、可溶性窒化物の超臨界アンモニア溶液を通しての移動、過飽和超臨界アンモニア溶液からの窒化物の結晶化を含む、連続工程をいい、一般に化学輸送工程は温度勾配、圧力勾配、濃度勾配、溶解したフィードストックと結晶化した生成物の化学的又は物理的に異なる性質などの、ある駆動力により行われる。本件発明方法により窒化物のバルク単結晶をえることができるが、上記化学輸送は溶解皇帝と結晶化工程を別々の領域で行い、結晶化領域を溶解領域より高い温度に維持することにより達成するのが好ましい。
（シード：Ｓｅｅｄ）
シードとは本件明細書の中で例示してあるが、窒化物の結晶化を行う領域を提供するものであり、結晶の成長品質を支配するので、成長させる結晶と同質で、品質の良いものが選ばれ、欠陥密度１０^５／ｃｍ^２以下であるのが好ましい。また、フラックス法、高圧法で得られるナチュラルシード、バルク単結晶から切り出したＡ面、Ｍ面、Ｒ面シードを使用することもできる。また、Ｓｉをドープしてｎ型導電性を示すシード面を有するシードを利用することもできる。このようなシードはＨＶＰＥ又はＭＯＣＶＤ等の気相成長法により窒化物を成長させたものであって、成長中にＳｉを１０^１６〜１０^２１／ｃｍ^３ドープしてｎ型導電性をもたせたものである。ＳｉＣ等の導電性基板上に、ＡｌＮ又はＧａＮを成長させた積層シードを使用することができる。
（自発成長：Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）
自発成長（自発的結晶化）とは、過飽和の超臨界アンモニア溶液から窒化物の核形成及び成長がオートクレーブ内でいずれのサイトにも起こる、望ましくない工程をいい、シード表面での異なる方向性の成長（ｄｉｓｏｒｉｅｎｔｅｄ ｇｒｏｗｔｈ）を含む。
（選択的析出：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）
シードへの選択的結晶析出化とは、実質的に自発的成長なく、結晶化がシード上で行われる工程をいう。バルク単結晶の成長には欠かせない実現すべき工程であり、本件発明方法の１つでもある。
（フィードストック：Ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ）
また、本発明で使用するペレットとは粉末を成形し、招請して密度を７０％以上にしたものをいい、密度の高い方が好ましい。
（反応温度及び圧力）
なお、本件発明の実施例ではオートクレーブ内の温度分布は超臨界アンモニアの存在しない、空のオートクレーブで測定したもので、実際の超臨界温度ではない。また、圧力は直接測定をおこなったか最初に導入したアンモニアの量およびオートクレーブの温度、容積から計算により決定したものである。
（実施例）
直径４０ｍｍ、長さ４８０ｍｍ（Ｄ／Ｌ＝１／１２）の内容積５８５ｃｍ^３の高圧オートクレーブ１（図９）の溶解領域１３に、ルツボに入れたＧａＮからなるフィードストックを３０ｇ配置し、結晶化領域１４にＨＶＰＥ法で得られたサイズ１ｉｎｃｈΦのＧａＮシードを配置する。更に、純度６Ｎの金属ガリウム１．２ｇとミネラライザーとして純度３Ｎの金属ナトリウムを２３ｇ加え、次にアンモニア（５Ｎ）を２３８ｇ投与し、オートクレーブ１を密閉する。このオートクレーブ１を炉ユニット４に入れて、３日間２００℃までに加熱する。
そして、溶解領域１３の温度を４２５℃までに上昇させ、結晶化領域１４の温度を５２５℃までに増加させる。得られる圧力は約２．５ｋｂａｒである。この状態のオートクレーブを更に２８日間放置する（図６）。工程の結果として、溶解領域１３のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領域１４のＨＶＰＥ・ＧａＮシードの上に窒化ガリウムが成長する。両面の単結晶層は総厚み約３ｍｍを有する。
上記で得られた結晶を基板として用いるために下記の工程を行った。
１）ＨＶＰＥ・ＧａＮシード上に成長した厚み３ｍｍからなる単結晶を、加熱炉内に配置し、１〜５時間、６００〜９００℃、若干の酸素を含む窒素雰囲気で、アニール処理を行う。
２）次に、タカトリ（株）のワイヤーソーにサンプルを設置する、設置する際にはサンプルにオフアングルを形成するため、１°以下傾けて設置する。その後ダイヤスラリーを用いてサンプルを５枚に切断し、０．０５〜０．２度のオフ角のサンプルを得る。
３）次に切断後のサンプルを加熱炉内に設置し、１〜５時間、６００〜９００℃、若干の酸素を含む窒素雰囲気で、再度アニール処理を行う（これをＧａＮ基板と呼ぶ）。
４）次に、研磨用のブロック上に接着剤にてＧａＮ基板を貼り付け、ロジッテック社の研磨機にそのブロックを設置し、片面ずつ削る。削った際の条件はダイヤスラリー及びＰＨ３〜６またはＰＨ９〜１１のコロイダルシリカまたはアルミナ溶液を用い、最終面１０Å以下の粗さに仕上げる。
４）その後、ＨＶＰＥ法にてＧａＮ基板表面に数μｍ以下のＧａＮまたはＡｌＧａＮのキャップ層を、次の条件で形成し、テンプレートとする。
５）また、上記キャップ層を有するＧａＮ基板とキャップ層を有しないＧａＮ基板上にＨＶＰＥ法で約３ｍｍのＧａＮ層を形成し、上記と同様に切断、研磨して約０．５ｍｍの発光素子用テンプレートを製造する。
ＨＶＰＥ条件：反応温度：１０５０℃、反応圧力：常圧、
アンモニア分圧０．３ａｔｍ、ＧａＣｌ分圧１×１０^−３ａｔｍ、
水素キャリアガス
必要に応じ、６）研磨後ミネラライザーを含まない超臨界アンモニア中に２００℃で１日保持し、表面不純物除去を行った。
産業上の利用の可能性
超臨界アンモニア溶液から高品質の窒化物のバルク単結晶が製造できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、Ｔ＝４００℃とＴ＝５００℃において、圧力とカリウムアミド（ＫＮＨ_２：ＮＨ_３＝０．０７）を含有する超臨界アンモニア内のＧａＮ溶解度の関係を表すグラフである。
図２は、本発明において、ｐ＝ｃｏｎｓｔ．における、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化と溶解工程と結晶化工程の変化の相応関係を表すグラフである。
図３は、本発明において、Ｔ＝ｃｏｎｓｔ．における、時間経過によるオートクレーブ内の圧力変化と、溶解工程および結晶化工程の変化の相応関係を表すグラフである。
図４は、本発明で使用するオートクレーブと炉ユニットの断面図である。
図５は、窒化物のバルク単結晶を生産する設備の概要図である。
図６は、実施例における、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化と溶解工程と結晶化工程の変化の相応関係を表すグラフである。

Claims (7)

1. 超臨界溶媒を生成するオートクレーブ１を有する設備であって、前記オートクレーブには対流管理装置２が設置され、加熱装置５および冷却装置６を備えた炉ユニット４を備え、
   上記炉ユニット４は、加熱装置５および／または冷却装置６により所定の温度勾配を持つように調整され、
   上記対流管理装置２は、中心および／またはオートクレーブ内壁との間に間隔を有する横型バッフル１２の一枚又は数枚で構成され、バッフル上位にフィードストック１６を配置する溶解領域１３を、バッフル下位にシード１７を配置する結晶化領域を形成するように配置され、
   上記溶解領域１３と上記結晶化領域１４間の超臨界溶液の対流速度を、上記管理装置２の開度およびに上記溶解領域１３と結晶化領域１４との温度差よって設定するように構成され、
   アンモニアと少なくともアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に窒化物が溶解し、溶解度が負の温度係数を有する超臨界溶液を、上記溶解領域１３からシードの配置された結晶化領域１４に上記対流管理装置２を介して供給し、所定の温度に上昇させて超臨界溶液の溶解度をシードに対する過飽和域であって、自発的成長が起こらない濃度以下に調節してオートクレーブ内に配置されたシード面に窒化物の結晶を選択的に成長させることを特徴とするバルク単結晶生産設備。
2. 上記対流管理装置２が位置する領域を冷却するように冷却装置６を配置し、上記溶解領域１３と結晶化領域１４との間に所定の温度差を形成可能に構成してなる請求項１記載のバルク単結晶生産設備。
3. 上記結晶化領域の底部流域を冷却可能な冷却装置１８を配置し、結晶化終了後急速冷却可能に構成してなる請求項１記載のバルク単結晶生産設備。
4. オートクレーブの内壁にＡｇ、Ｍｏ、ＦｅまたはＴａからなる金属または合金ライニングが施してある請求項１記載のオートクレーブ。
5. 上記対流管理装置がオートクレーブ内部の全長の１／３から２／３の位置に設置され、上記溶解領域と結晶化領域との比率が必要に応じて調整が可能である請求項１記載のオートクレーブ。
6. 上記溶解領域に設置されるフィードストックが、ガリウムメタルからなり、溶解領域の半分以下の充填量である請求項１記載のオートクレーブ。
7. オートクレーブの直径／全長比が１／１５から７／１５で、その断面積の上記横型バッフルでの開口率が３０％以下で、シード上での成長速度が１０μｍ／ｈｒ以上である請求項１記載のオートクレーブ。

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