JP4880499B2 - Crystal manufacturing equipment - Google Patents
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Description
この発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶を製造する結晶製造装置、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法およびＩＩＩ族窒化物結晶に関するものである。 The present invention relates to a crystal manufacturing apparatus for manufacturing a group III nitride crystal, a method for manufacturing a group III nitride crystal, and a group 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製造装置において種結晶からＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる場合、種結晶を成長させ、その成長させた種結晶を結晶保持棒に取り付けてＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる必要がある。 However, when a group III nitride crystal is grown from a seed crystal in a conventional crystal manufacturing apparatus for crystal growth of a GaN crystal, the seed crystal is grown, and the grown seed crystal is attached to a crystal holding rod to perform group III nitriding. It is necessary to grow a physical crystal.
これは、二回の結晶成長が必要であり、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる工程が煩雑になり、コストが高くなるという問題がある。また、種結晶を結晶保持棒に取り付けるための工夫が必要であり、結晶成長中に結晶が結晶保持棒から外れたり、取り付け自体が難しかったりする等の問題がある。 This requires two crystal growths, and there is a problem that the process of growing a group III nitride crystal becomes complicated and the cost increases. Further, it is necessary to devise a method for attaching the seed crystal to the crystal holding rod, and there are problems such that the crystal is detached from the crystal holding rod during crystal growth, or the attachment itself is difficult.
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、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な結晶製造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 manufacturing apparatus capable of manufacturing a group III nitride crystal through a simple process.
また、この発明の別の目的は、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な製造方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a production method capable of producing a group III nitride crystal through a simple process.
さらに、この発明の別の目的は、簡易な工程を経て製造されたＩＩＩ族窒化物結晶を提供することである。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a group III nitride crystal produced through a simple process.
この発明によれば、結晶製造装置は、坩堝と、結晶保持棒と、核形成手段と、結晶形成手段とを備える。坩堝は、ＩＩＩ族金属とアルカリ金属とを含む混合融液を保持する。ガス供給手段は、外部から坩堝内へ窒素原料ガスを供給する。結晶保持棒は、一方端が混合融液に浸漬される。また、結晶保持棒は、筒状部材の内部に窒素原料ガスを流す配管が配置され、配管の底面と筒状部材の底面とが対向して配置され、配管の底面には複数の空孔を有するとともに複数の空孔を介して筒状部材の底面に窒素原料ガスが吹き付けられるように構成されている。核形成手段は、複数の結晶核を結晶保持棒の一方端に形成する。結晶形成手段は、複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶を形成する。 According to the present invention, the crystal manufacturing apparatus includes a crucible, a crystal holding rod, a nucleation unit, and a crystal formation unit. The crucible holds a mixed melt containing a group III metal and an alkali metal. The gas supply means supplies nitrogen source gas from the outside into the crucible. One end of the crystal holding rod is immersed in the mixed melt. In addition, the crystal holding rod is provided with a pipe through which the nitrogen source gas flows inside the cylindrical member, the bottom surface of the pipe and the bottom surface of the cylindrical member are opposed to each other, and a plurality of holes are formed in the bottom surface of the pipe. And a nitrogen source gas is blown to the bottom surface of the cylindrical member through a plurality of holes. The nucleation means forms a plurality of crystal nuclei at one end of the crystal holding rod. The crystal forming means forms a group III nitride crystal including a plurality of crystal nuclei.
好ましくは、結晶形成手段は、複数の結晶核が形成されるときの混合融液中における窒
素の過飽和度よりも大きい過飽和度に設定してＩＩＩ族窒化物結晶を形成する。
Preferably, the crystal forming means sets the group III nitride crystal to a supersaturation level larger than that of nitrogen in the mixed melt when a plurality of crystal nuclei are formed.
好ましくは、核形成手段は、坩堝内の混合融液に接する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複数の核が発生する圧力および温度に設定して複数の結晶核を形成する。結晶形成手段は、ガス圧力と混合融液の温度とをそれぞれ複数の結晶核を種結晶としてＩＩＩ族窒化物結晶が結晶成長する圧力および温度に設定してＩＩＩ族窒化物結晶を形成する。 Preferably, the nucleation means sets the gas pressure of the nitrogen source gas and the temperature of the mixed melt in a space in contact with the mixed melt in the crucible to a pressure and temperature at which a plurality of nuclei are generated, respectively, and a plurality of crystal nuclei. Form. The crystal forming means forms the group III nitride crystal by setting the gas pressure and the temperature of the mixed melt to a pressure and temperature at which the group III nitride crystal grows using a plurality of crystal nuclei as seed crystals.
好ましくは、結晶製造装置は、カバー部材をさらに備える。カバー部材は、結晶保持棒との間に隙間が形成されるように混合融液の表面に配置される。 Preferably, the crystal manufacturing apparatus further includes a cover member. The cover member is disposed on the surface of the mixed melt so that a gap is formed between the cover member and the crystal holding rod.
好ましくは、結晶製造装置は、反応容器と、アルカリ金属融液とをさらに備える。反応容器は、坩堝を覆う。アルカリ金属融液は、坩堝と反応容器との間に配置される。 Preferably, the crystal manufacturing apparatus further includes a reaction vessel and an alkali metal melt. The reaction vessel covers the crucible. The alkali metal melt is disposed between the crucible and the reaction vessel.
この発明においては、複数の結晶核が形成され、その後、複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶が製造される。つまり、複数の結晶核が形成された後、原料の仕込みを行なうことなく、複数の結晶核の形成とＩＩＩ族窒化物結晶の製造とが連続して行なわれる。 In the present invention, a plurality of crystal nuclei are formed, and thereafter a group III nitride crystal containing the plurality of crystal nuclei is manufactured. That is, after the formation of a plurality of crystal nuclei, the formation of the plurality of crystal nuclei and the production of a group III nitride crystal are continuously performed without charging the raw material.
したがって、この発明によれば、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造できる。 Therefore, according to the present invention, a group III nitride crystal can be produced through a simple process.
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による結晶製造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による結晶製造装置１００は、坩堝１０と、反応容器２０と、ベローズ３０と、支持装置４０と、加熱装置５０，６０，７０と、温度センサー５１，６１，７１と、ガス供給管９０，２００と、バルブ１１０，１５０と、圧力調整器１２０と、ガスボンベ１３０，２２０と、排気管１４０と、真空ポンプ１６０と、圧力センサー１７０と、配管１８０と、熱電対１９０と、流量計２１０と、振動印加装置２３０と、上下機構２４０と、振動検出装置２５０と、温度制御装置２６０と、アルカリ金属融液２８０とを備える。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a crystal manufacturing 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、配管接続部２３とからなる。本体部２１、蓋部２２および配管接続部２３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。また、配管接続部２３は、本体部２１の底面に設けられる。
The
ベローズ３０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４０は、中空の筒形状からなり、一部がベローズ３０を介して反応容器２０内の空間２４内へ挿入される。
The bellows 30 is connected to the
加熱装置５０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６０は、反応容器２０の底面２０Ｂに対向して配置される。加熱装置７０は、ガス供給管９０の一部に対向して配置される。温度センサー５１，６１，７１は、それぞれ、加熱装置５０，６０，７０に近接して配置される。
The
ガス供給管９０は、一方端が反応容器２０の配管接続部２３に連結され、他方端がガスボンベ１３０に連結される。バルブ１１０は、配管接続部２３の近傍でガス供給管９０に装着される。圧力調整器１２０は、ガスボンベ１３０の近傍でガス供給管９０に装着される。ガスボンベ１３０は、ガス供給管９０の他方端に連結される。
The
排気管１４０は、一方端がバルブ１５０を介して反応容器２０に連結され、他方端が真空ポンプ１６０に連結される。バルブ１５０は、反応容器２０の近傍で排気管１４０に装着される。真空ポンプ１６０は、排気管１４０の他方端に連結される。
One end of the
圧力センサー１７０は、反応容器２０に取り付けられる。配管１８０および熱電対１９０は、支持装置４０の内部に挿入される。ガス供給管２００は、一方端が配管１８０に連結され、他方端が流量計２１０を介してガスボンベ２２０に連結される。流量計２１０は、ガスボンベ２２０の近傍でガス供給管２００に装着される。ガスボンベ２２０は、ガス供給管２００の他方端に連結される。上下機構２４０は、ベローズ３０の上側において支持装置４０に取り付けられる。
The
アルカリ金属融液２８０は、金属ナトリウム（金属Ｎａ）融液からなり、ガス供給管９０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２７０を保持する。反応容器２０は、坩堝１０の周囲を覆う。ベローズ３０は、支持装置４０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３０は、支持装置４０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４０は、反応容器２０内に挿入された一方端が混合融液２７０に浸漬される。
The
加熱装置５０は、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置５０は、温度制御装置２６０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を結晶成長温度または結晶分解温度に加熱する。温度センサー５１は、加熱装置５０のヒーターの温度Ｔ１を検出し、その検出した温度Ｔ１を温度制御装置２６０へ出力する。
The
加熱装置６０も、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置６０は、温度制御装置２６０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を結晶成長温度または結晶分解温度に加熱する。温度センサー６１は、加熱装置６０のヒーターの温度Ｔ２を検出し、その検出した温度Ｔ２を温度制御装置２６０へ出力する。
The
加熱装置７０も、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置７０は、温度制御装置２６０からの制御信号ＣＴＬ３に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、ガス供給管９０の一部を金属Ｎａが実質的に蒸発しない温度に加熱する。ここで言うＮａの実質的蒸発が生じない温度とは、たとえば、２００〜３００℃である。２００℃におけるＮａの蒸気圧は、約１．８×１０−２Ｐａであり、３００℃におけるＮａの蒸気圧は、約１．８Ｐａである。したがって、加熱装置７０は、金属Ｎａの実質的蒸発を抑制し、アルカリ金属融液２８０（金属Ｎａ融液）がガス供給管９０の一部に液体の状態で保持されるようにガス供給管９０の一部を２００℃〜３００℃に加熱する。
The
温度センサー７１は、加熱装置７０のヒーターの温度Ｔ３を検出し、その検出した温度Ｔ３を温度制御装置２６０へ出力する。
The
ガス供給管９０は、その一部にアルカリ金属融液２８０を保持するとともに、ガスボンベ１３０から圧力調整器１２０を介して供給された窒素ガスをアルカリ金属融液２８０を介して反応容器２０内へ供給する。バルブ１１０は、ガス供給管９０を反応容器２０の配管接続部２３に着脱可能な構造からなり、ガス供給管９０と反応容器２０とを空間的に繋げ、またはガス供給管９０と反応容器２０とを空間的に遮断する。圧力調整器１２０は、ガスボンベ１３０からの窒素ガスを所定の圧力にしてガス供給管９０に供給する。
The
ガスボンベ１３０は、窒素ガスを保持する。排気管１４０は、反応容器２０内の気体を真空ポンプ１６０へ通過させる。バルブ１５０は、反応容器２０内と排気管１４０とを空間的に繋げ、または反応容器２０内と排気管１４０とを空間的に遮断する。真空ポンプ１６０は、排気管１４０およびバルブ１５０を介して反応容器２０内の真空引きを行なう。
The gas cylinder 130 holds nitrogen gas. The
圧力センサー１７０は、反応容器２０内の圧力を検出する。配管１８０は、ガス供給管２００から供給された窒素ガスを一方端から支持装置４０内へ放出してＧａＮ結晶を冷却する。熱電対１９０は、ＧａＮ結晶の温度Ｔ４を検出し、その検出した温度Ｔ４を温度制御装置２６０へ出力する。なお、支持装置４０内に放出された窒素ガスは、支持装置４０の図示されていない開口部を介して結晶製造装置１００外へ放出される。
The
ガス供給管２００は、ガスボンベ２２０から流量計２１０を介して供給された窒素ガスを配管１８０へ供給する。流量計２１０は、温度制御装置２６０からの制御信号ＣＴＬ４に応じて、ガスボンベ２２０から供給された窒素ガスの流量を調整してガス供給管２００へ供給する。ガスボンベ２２０は、窒素ガスを保持する。
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４０に印加する。上下機構２４０は、振動検出装置２５０からの振動検出信号ＢＤＳに応じて、後述する方法によって、支持装置４０の一方端が空間２４と混合融液２７０との気液界面１に接するように支持装置４０を上下する。
The
振動検出装置２５０は、たとえば、加速度ピックアップからなり、支持装置４０の振動を検出するとともに、支持装置４０の振動を示す振動検出信号ＢＤＳを上下機構２４０へ出力する。
The vibration detection device 250 includes, for example, an acceleration pickup, detects vibration of the
温度制御装置２６０は、温度Ｔ１〜Ｔ４をそれぞれ温度センサー５１，６１，７１および熱電対１９０から受け、その受けた温度Ｔ１〜Ｔ４に基づいてそれぞれ制御信号ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４を生成する。より具体的には、温度制御装置２６０は、温度センサー５１からの温度Ｔ１に基づいて、坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度または結晶分解温度に加熱するための制御信号ＣＴＬ１を生成し、温度センサー６１からの温度Ｔ２に基づいて、坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度または結晶分解温度に加熱するための制御信号ＣＴＬ２を生成する。また、温度制御装置２６０は、温度センサー７１からの温度Ｔ３に基づいて、ガス供給管９０の一部をＮａの実質的蒸発が生じない温度に加熱するための制御信号ＣＴＬ３を生成する。さらに、温度制御装置２６０は、熱電対１９０からの温度Ｔ４に基づいて、ＧａＮ結晶の温度Ｔ４を支持装置４０が接する以外の混合融液２７０の温度よりも低い温度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を生成する。
The
そして、温度制御装置２６０は、その生成した制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２，ＣＴＬ３をそれぞれ加熱装置５０，６０，７０へ出力し、制御信号ＣＴＬ４を流量計２１０へ出力する。
Then, the
図２は、図１に示す支持装置４０、配管１８０および熱電対１９０の拡大図である。図２を参照して、支持装置４０は、筒状部材４１からなる。筒状部材４１は、略円形の断面形状を有する。
FIG. 2 is an enlarged view of the
配管１８０は、略円形の断面形状を有し、筒状部材４１の内部に配置される。この場合、配管１８０の底面１８０Ａは、筒状部材４１の底面４１Ｂに対向するように配置される。そして、配管１８０の底面１８０Ａには、複数の空孔１８１が形成される。配管１８０内へ供給された窒素ガスは、複数の空孔１８１を介して筒状部材４１の底面４１Ｂに吹き付けられる。
The
熱電対１９０は、一方端１９０Ａが筒状部材４１の底面４１Ｂに接するように筒状部材４１の内部に配置される（図２の（ａ）参照）。
The
そして、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が筒状部材４１の底面４１Ｂに結晶成長する（図２の（ｂ）参照）。
Then, the
したがって、ＧａＮ結晶６と筒状部材４１との間の熱伝導率が高くなる。その結果、熱電対１９０によってＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を検出できるとともに、配管１８０から筒状部材４１の底面４１Ｂに吹き付けられた窒素ガスによってＧａＮ結晶６を容易に冷却できる。
Therefore, the thermal conductivity between the
図３は、図１に示す上下機構２４０の構成を示す概略図である。図３を参照して、上下機構２４０は、凹凸部材２４１と、歯車２４２と、軸部材２４３と、モータ２４４と、制御部２４５とを含む。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the
凹凸部材２４１は、略三角形状の断面形状からなり、筒状部材４１の外周面４１Ａに固定される。歯車２４２は、軸部材２４３の一方端に固定され、凹凸部材２４１と噛み合う。軸部材２４３は、その一方端が歯車２４２に連結され、他方端がモータ２４４のシャフト（図示せず）に連結される。
The concavo-
モータ２４４は、制御部２４５からの制御に従って歯車２４２を矢印２４６または２４７の方向へ回転させる。制御部２４５は、振動検出装置２５０からの振動検出信号ＢＤＳに基づいて、歯車２４２を矢印２４６または２４７の方向へ回転させるようにモータ２４４を制御する。
The
歯車２４２が矢印２４６の方向へ回転すれば、支持装置４０は、重力方向ＤＲ１において上方向へ移動し、歯車２４２が矢印２４７の方向へ回転すれば、支持装置４０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２４２を矢印２４６または２４７の方向へ回転させることは、支持装置４０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２４１の重力方向ＤＲ１の長さは、支持装置４０がＧａＮ結晶６を上下させる距離に相当する長さである。
Therefore, rotating the
図４は、振動検出信号ＢＤＳのタイミングチャートである。図４を参照して、振動検出装置２５０によって検出される振動検出信号ＢＤＳは、支持装置４０が混合融液２７０に接していないとき、信号成分ＳＳ１からなり、支持装置４０が混合融液２７０に接しているとき、信号成分ＳＳ２からなり、支持装置４０が混合融液２７０に浸漬されているとき、信号成分ＳＳ３からなる。
FIG. 4 is a timing chart of the vibration detection signal BDS. Referring to FIG. 4, vibration detection signal BDS detected by vibration detection device 250 includes signal component SS <b> 1 when
支持装置４０が混合融液２７０に接していないとき、支持装置４０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、支持装置４０が混合融液２７０に接しているとき、支持装置４０は、振動印加装置２３０から振動が印加されても、混合融液２７０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、支持装置４０（またはＧａＮ結晶６）が混合融液２７０に浸漬されているとき、支持装置４０（またはＧａＮ結晶６）は、振動印加装置２３０から振動が印加されても、混合融液２７０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、振幅が信号成分ＳＳ２よりも小さい信号成分ＳＳ３からなる。
When the
再び、図３を参照して、制御部２４５は、振動検出装置２５０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２４５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またはＳＳ３になるまで、支持装置４０を重力方向ＤＲ１において降下させるようにモータ２４４を制御する。
Referring to FIG. 3 again, when
より具体的には、制御部２４５は、歯車２４２を矢印２４７の方向へ回転させるようにモータ２４４を制御し、モータ２４４は、制御部２４５からの制御に従って歯車２４２を軸部材２４３を介して矢印２４７の方向へ回転させる。これによって、支持装置４０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２４５は、振動検出装置２５０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またはＳＳ３へ切換わると、歯車２４２の回転を停止するようにモータ２４４を制御し、モータ２４４は、制御部２４５からの制御に従って歯車２４２の回転を停止させる。これによって、支持装置４０は、移動を停止し、支持装置４０の一方端を気液界面２に保持し、または支持装置４０の一方端を混合融液２７０中に保持する。
一方、制御部２４５は、信号成分ＳＳ２またはＳＳ３からなる振動検出信号ＢＤＳを振動検出装置２５０から受けたとき、支持装置４０の移動を停止するようにモータ２４４を制御する。
Then, the
On the other hand, the
このように、上下機構２４０は、振動検出装置２５０が検出する振動検出信号ＢＤＳに基づいて、支持装置４０の一方端が混合融液２７０に接するように、または支持装置４０の一方端が混合融液２７０に浸漬されるように支持装置４０を重力方向ＤＲ１に移動させる。
As described above, the
図５は、ＧａＮ結晶を成長させる場合の窒素ガス圧と混合融液２７０の温度との関係を示す図である。図５において、横軸は、混合融液２７０の温度を表し、縦軸は、窒素ガス圧を表す。また、領域ＲＥＧ１は、ＧａＮ結晶が溶解する領域であり、領域ＲＥＧ２は、坩堝１０の混合融液２７０に接する底面および側面において多くの核が自発的に発生し、ｃ軸（＜０００１＞）方向に成長した柱状形状のＧａＮ結晶が製造される領域であり、領域ＲＥＧ３は、ＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。そして、領域ＲＥＧ１を「分解モード」と言い、領域ＲＥＧ２を「多核発生モード」と言い、領域ＲＥＧ３を「種結晶成長モード」と言う。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the nitrogen gas pressure and the temperature of the
図６は、ＧａＮ結晶６の温度と窒素ガスの流量との関係を示す図である。図６において、縦軸は、ＧａＮ結晶６の温度を表し、横軸は、窒素ガス流量を表す。図６を参照して、流量計２１０がガス供給管２００を介して配管１８０に窒素ガスを供給したときの支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度と、窒素ガス流量との関係は、直線ｋ１によって表される。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the temperature of the
すなわち、配管１８０に供給される窒素ガス流量が０（ｓｃｃｍ）である場合、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、８５０℃であり、配管１８０に供給される窒素ガス流量がｆｒ１（ｓｃｃｍ）である場合、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、８００℃であり、配管１８０に供給される窒素ガス流量がｆｒ２（＞ｆｒ１）（ｓｃｃｍ）である場合、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、７５０℃である。このように、配管１８０に供給される窒素ガス流量が増加するに伴って、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、低下する。
That is, when the flow rate of nitrogen gas supplied to the
温度制御装置２６０は、熱電対１９０から温度Ｔ４を受けると、直線ｋ１を参照して、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度を７５０℃〜８５０℃の範囲の温度に設定するために必要な流量からなる窒素ガスを配管１８０に供給するための制御信号ＣＴＬ４を生成する。そして、流量計２１０は、温度制御装置２６０から制御信号ＣＴＬ４に応じて、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度を７５０℃〜８５０℃の範囲の温度に設定するために必要な流量からなる窒素ガスをガス供給管２００を介して配管１８０へ流す。これによって、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、７５０℃〜８５０℃の範囲に設定される。
When
支持装置４０の一方端の温度が８５０℃よりも低い温度に低下すると、支持装置４０の一方端近傍の混合融液２７０の温度も８５０℃よりも低い温度に低下する。したがって、配管１８０に窒素ガスを供給することによって、支持装置４０の一方端および一方端近傍の温度をそれ以外の領域の温度よりも低下させることができる。
When the temperature at one end of the
なお、図６におけるＧａＮ結晶の温度は、図５に示す温度範囲に対応して示されたものであり、ＧａＮ結晶を結晶成長またはＧａＮ結晶を分解するための温度が７５０℃〜８５０℃の範囲から変更されれば、その変更に応じて、図６に示すＧａＮ結晶６の温度も変更される。
In addition, the temperature of the GaN crystal in FIG. 6 is shown corresponding to the temperature range shown in FIG. 5, and the temperature for crystal growth of the GaN crystal or decomposition of the GaN crystal is in the range of 750 ° C. to 850 ° C. 6 is changed, the temperature of the
また、以下の記述において、ＧａＮ結晶６の温度とは、ＧａＮ結晶６を含む支持装置４０の混合融液２７０と接する一方端の温度のことであり、ＧａＮ結晶６が成長する前は、結晶核５と支持装置４０の混合融液２７０と接する一方端の温度、あるいは支持装置４０の混合融液２７０と接する一方端の温度のみのことである。
In the following description, the temperature of the
この発明においては、図５に示す領域ＲＥＧ２に含まれる温度および圧力を用いて支持装置４０の一方端に複数の結晶核５を形成し、その後、領域ＲＥＧ３に含まれる温度および圧力を用いて複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６を結晶成長させる。
In the present invention, a plurality of
より具体的には、以下に示す結晶成長モードＩ〜結晶成長モードＩＸのいずれかの結晶成長モードを用いてＧａＮ結晶６を結晶成長させる。
More specifically, the
図７から図１５は、それぞれ、結晶成長モードＩ〜結晶成長モードＩＸを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。 7 to 15 are temperature and pressure timing charts for explaining the crystal growth mode I to the crystal growth mode IX, respectively.
（結晶成長モードＩ）
結晶成長モードＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode I)
In the crystal growth mode I, the pressure in the
より具体的には、図７を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ２，ｋ３，ｋ５に従って８５０℃に昇温され、８５０℃に保持された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、直線ｋ２、曲線ｋ４および直線ｋ６に従って８５０℃に昇温され、その後、７５０℃および８００℃に変えられた後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ７に従って１．０１ＭＰａに昇圧され、その後、１．０１ＭＰａに保持された後、降圧される。
More specifically, referring to FIG. 7, the temperatures of
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ１で９８℃に達し、タイミングｔ２で８５０℃に昇温される。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、８５０℃に保持され、その後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ３に達すると、流量ｆｒ２（ｓｃｃｍ）からなる窒素ガスが配管１８０に流されることによって降温され、タイミングｔ４で７５０℃に設定される。そして、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、７５０℃に設定される。その後、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ５で配管１８０に供給される窒素ガスの流量がｆｒ２（ｓｃｃｍ）からｆｒ１（ｓｃｃｍ）に減少されることによって上昇し、タイミングｔ６で８００℃に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２で１．０１ＭＰａに昇圧され、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、１．０１ＭＰａに保持され、その後、降圧される。
More specifically, the temperatures of the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
Then, the pressure in the
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
（結晶成長モードＩＩ）
結晶成長モードＩＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０の温度を低下させ、かつ、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode II)
In the crystal growth mode II, the pressure in the
より具体的には、図８を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ２、曲線ｋ８および直線ｋ６に従って８５０℃に昇温され、一定期間、８５０℃および８００℃に順次保持された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、結晶成長モードＩと同じように設定され、坩堝１０および反応容器２０内の圧力も、結晶成長モードＩと同じように設定される。
More specifically, referring to FIG. 8, the temperature of
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、結晶成長モードＩと同じように、タイミングｔ２で８５０℃に昇温され、その後、タイミングｔ２からタイミングｔ５までの間、８５０℃に保持される。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ６で８００℃に変えられ、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。
More specifically, as in the crystal growth mode I, the temperature of the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
Then, the pressure in the
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
（結晶成長モードＩＩＩ）
結晶成長モードＩＩＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode III)
In the crystal growth mode III, the pressure in the
より具体的には、図９を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９，ｋ１０，ｋ６に従って８００℃に昇温され、８００℃に保持された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、直線ｋ９、曲線ｋ１１および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、その後、７５０℃および８００℃に順次設定された後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ７に従って１．０１ＭＰａに昇圧され、その後、１．０１ＭＰａに保持された後、降圧される。
More specifically, referring to FIG. 9, the temperature of
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ１で９８℃に達し、タイミングｔ２で８００℃に昇温される。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ３に達すると、流量ｆｒ２（ｓｃｃｍ）からなる窒素ガスが配管１８０に流されることによって降温され、タイミングｔ４で７５０℃に設定される。そして、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、７５０℃に設定される。その後、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ５で配管１８０への窒素ガスの供給を停止することによって上昇し、タイミングｔ６で８００℃に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、結晶成長モードＩと同じように設定される。
More specifically, the temperatures of the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
Then, the pressure in the
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
（結晶成長モードＩＶ）
結晶成長モードＩＶにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定するとともに、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode IV)
In the crystal growth mode IV, the pressure in the
より具体的には、図１０を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９曲線ｋ１２および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、８００℃および８５０℃に順次設定された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、結晶成長モードＩＩＩと同じように設定される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力も、結晶成長モードＩＩＩと同じように設定される。
More specifically, referring to FIG. 10, the temperature of the
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２で８００℃に昇温され、タイミングｔ２からタイミングｔ５までの間、８００℃に保持され、その後、タイミングｔ６で８５０℃に昇温され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、８５０℃に保持され、その後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、結晶成長モードＩＩＩと同じように設定され、坩堝１０および反応容器２０内の圧力も、結晶成長モードＩＩＩと同じように設定される。
More specifically, the temperatures of the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
Then, the pressure in the
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
（結晶成長モードＶ）
結晶成長モードＶにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１またはＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode V)
In the crystal growth mode V, the pressure in the
より具体的には、図１１を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９、直線ｋ３（またはｋ１０）および直線ｋ６に従って８００℃（または８５０℃）に昇温され、一定期間、８００℃（または８５０℃）に保持された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、直線ｋ９、曲線ｋ１３および直線ｋ１４に従って、一定期間、８００℃（または８５０℃）に保持された後、一定期間、７５０℃に設定され、その後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、結晶成長モードＩ〜ＩＶと同じように設定される。
More specifically, referring to FIG. 11, the temperature of
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２で８５０℃（または８００℃）に昇温され、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、８５０℃（または８００℃）に保持され、その後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、８５０℃（または８００℃）に設定され、流量ｆｒ２（ｓｃｃｍ）からなる窒素ガスをタイミングｔ３で配管１８０に流すことによって７５０℃に降温され、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間、７５０℃に保持され、その後、降温される。坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、結晶成長モードＩ〜ＩＶと同じように設定される。
More specifically, the temperature of the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ１（または領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１（または領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定される。
Then, the pressure in
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
（結晶成長モードＶＩ）
結晶成長モードＶＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode VI)
In the crystal growth mode VI, the pressure in the
より具体的には、図１２を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９、直線ｋ３および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、一定期間、８００℃に保持された後、降温される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ１５に従って、一定期間、０．５ＭＰａ、１．０１ＭＰａおよび２．０２ＭＰａに順次設定され、その後、降圧される。
More specifically, referring to FIG. 12, the temperature of the
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２で８００℃に昇温され、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、０．５ＭＰａに設定され、その後、昇圧され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、２．０２ＭＰａに設定され、その後、降圧されてタイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、１．０１ＭＰａに設定される。
More specifically, the temperatures of the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定される。
Then, the pressure in the
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
（結晶成長モードＶＩＩ）
結晶成長モードＶＩＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode VII)
In the crystal growth mode VII, the pressure in the
より具体的には、図１３を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９、直線ｋ３および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、一定期間、８００℃に保持された後、降温される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ１６に従って、一定期間、１．０１ＭＰａ、２．０２ＭＰａおよび１．０１ＭＰａに順次設定され、その後、降圧される。
More specifically, referring to FIG. 13, the temperature of the
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、結晶成長モードＶＩと同じように設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、１．０１ＭＰａに設定され、その後、昇圧され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、２．０２ＭＰａに設定され、その後、降圧されてタイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、１．０１ＭＰａに設定される。
More specifically, the temperatures of the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定される。
Then, the pressure in the
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
（結晶成長モードＶＩＩＩ）
結晶成長モードＶＩＩＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１または領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode VIII)
In the crystal growth mode VIII, the pressure in the
より具体的には、図１４を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９、直線ｋ３および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、一定期間、８００℃に保持された後、降温される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ１７に従って、一定期間、０．５ＭＰａ（または１．０１ＭＰａ）および２．０２ＭＰａに順次設定され、その後、降圧される。
More specifically, referring to FIG. 14, the temperature of the
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、結晶成長モードＶＩと同じように設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、０．５ＭＰａ（または１．０１ＭＰａ）に設定され、その後、昇圧され、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間、２．０２ＭＰａに設定され、その後、降圧される。
More specifically, the temperatures of the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１または領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ２に設定される。
Then, the pressure in the
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成されるとともに、幾何学的選別作用によって複数の結晶核５から選択された結晶核を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
（結晶成長モードＩＸ）
結晶成長モードＩＸにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度の両方を変化させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度の両方を変化させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
(Crystal growth mode IX)
In the crystal growth mode IX, the pressure in the
より具体的には、図１５を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ２、直線ｋ３および直線ｋ５に従って、結晶成長モードＩと同じように設定される。また、支持装置４０の一方端の温度も、直線ｋ２、曲線ｋ４および直線ｋ６に従って、結晶成長モードＩと同じように設定される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ１８に従って、一定期間、１．０１ＭＰａ、２．０２ＭＰａおよび１．０１ＭＰａに順次設定され、その後、降圧される。
More specifically, referring to FIG. 15, the temperatures of
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、１．０１ＭＰａに設定され、その後、昇圧され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、２．０２ＭＰａに設定され、その後、降圧されてタイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、１．０１ＭＰａに設定される。
More specifically, the pressure in the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ３に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
Then, the pressure in the
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
As a result, the generation of
上述した結晶成長モードＩ〜ＩＶは、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したままで支持装置４０の一方端近傍の領域を分解モード、多核発生モードおよび種結晶成長モードに順次設定してＧａＮ結晶６を結晶成長するモードであり、結晶成長モードＶは、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したままで支持装置４０の一方端近傍の領域を分解モードおよび多核発生モードに順次設定してＧａＮ結晶６を結晶成長するモードである。
In the crystal growth modes I to IV described above, the region in the vicinity of one end of the
また、結晶成長モードＶＩ〜ＶＩＩＩは、坩堝１０、反応容器２０および支持装置４０の一方端の温度を一定に保持したままで、支持装置４０の一方端近傍の領域を分解モード、多核発生モードおよび種結晶成長モードに順次設定してＧａＮ結晶６を結晶成長するモードである。
Further, in the crystal growth modes VI to VIII, while maintaining the temperature at one end of the
さらに、結晶成長モードＩＸは、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および温度の両方を変化させて、支持装置４０の一方端近傍の領域を分解モード、多核発生モードおよび種結晶成長モードに順次設定してＧａＮ結晶６を結晶成長するモードである。
Further, in the crystal growth mode IX, both the pressure and temperature in the
そして、結晶成長モードＩ〜ＩＸのいずれにおいても、支持装置４０の一方端近傍以外の領域における結晶核５の発生が抑制されてＧａＮ結晶６が結晶成長される。
In any of the crystal growth modes I to IX, generation of
なお、図７から図１５に示す圧力および温度のタイミングチャートは、例示であって、これに限られるものではなく、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を支持装置４０の一方端近傍以外の領域で結晶核５が発生しない圧力および温度に設定し、支持装置４０の一方端近傍の領域で複数の結晶核５が発生し、かつ、その複数の結晶核５からＧａＮ結晶６が結晶成長するように坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を設定するものであれば、どのような圧力および温度のタイミングチャートを用いてもよい。
Note that the pressure and temperature timing charts shown in FIGS. 7 to 15 are merely examples, and are not limited to these. The pressure in the
図１６は、図７に示すタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝１０および反応容器２０内の状態変化を示す模式図である。また、図１７は、図７に示すタイミングｔ２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。
FIG. 16 is a schematic diagram showing a state change in the
加熱装置５０，６０が坩堝１０および反応容器２０を加熱し始めたとき、坩堝１０内には、金属Ｎａ７および金属Ｇａ８が存在する（図１６の（ａ）参照）。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度がタイミングｔ１において９８℃に達すると、坩堝１０中の金属Ｎａ７は溶け、約３０℃で既に溶けている金属Ｇａ８と混ざり合う。その後、ＧａとＮａとの金属間化合物が生成され、この金属間化合物は、５６０℃以上の温度において坩堝１０中で混合融液２７０となる。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２において８５０℃に達する。
When the
そうすると、坩堝１０および反応容器２０が８５０℃に加熱される過程において、混合融液２７０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧は、徐々に高くなり、ガス供給管９０の低温領域にアルカリ金属融液２８０として溜まる。その結果、ガス供給管９０の一部には、アルカリ金属融液２８０が生成され、気液界面２，３が発生する。
Then, in the process in which the
そして、タイミングｔ２において、混合融液２７０が坩堝１０中に生成される。（図１６の（ｂ）参照）。また、窒素ガス４は、圧力調整器１２０によって圧力調整され、ガス供給管９０を介して空間２４内に充填されている（図１７参照）。
Then, at the timing t <b> 2, the
また、坩堝１０および反応容器２０の温度が８５０℃に達するタイミングｔ２で、上下機構２４０は、振動検出装置２５０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４０を上下し、支持装置４０の一方端を混合融液２７０に接触させる。
Further, 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８５０℃程度の高温状態では、空間２４内の窒素ガス４は、金属Ｎａを媒介として混合融液２７０中に取り込まれる。この場合、混合融液２７０中の窒素濃度またはＧａｘＮｙ（ｘ，ｙは実数）の濃度は、空間２４と混合融液２７０との気液界面１付近において最も高いため、ＧａＮ結晶６が気液界面１に接した支持装置４０の一方端から結晶成長する。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 a high temperature state where the temperature of the
窒素ガスを配管１８０内へ供給しない場合、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、混合融液２７０の温度と同じ８５０℃であるが、この発明においては、ＧａＮ結晶６付近の混合融液２７０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１８０内へ窒素ガスを供給してＧａＮ結晶６を冷却し、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を混合融液２７０の温度よりも低くする。
When nitrogen gas is not supplied into the
ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を８５０℃よりも低い８００℃または７５０℃に設定する方法について説明する。
A method for setting the temperature T4 of the
温度制御装置２６０は、温度センサー５１，６１からそれぞれ受けた温度Ｔ１，Ｔ２が８５０＋α℃（＝坩堝１０および反応容器２０を８５０℃に設定したときの加熱装置５０，６０に含まれるヒーターの温度）に達すると、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を７５０℃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２１０へ出力する。
In the
そうすると、流量計２１０は、制御信号ＣＴＬ４に応じて、温度Ｔ４を７５０℃に設定する流量からなる窒素ガスをガスボンベ２２０からガス供給管２００を介して配管１８０内へ流す。ＧａＮ結晶６の温度は、窒素ガスの流量に略比例して８５０℃から低下し、窒素ガスの流量が流量ｆｒ２（ｓｃｃｍ）になると、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、７５０℃に設定される。
Then, according to the control signal CTL4, the
したがって、流量計２１０は、流量ｆｒ２からなる窒素ガスを配管１８０内へ流す。そして、配管１８０内へ供給された窒素ガスは、配管１８０の複数の空孔１８１から筒状部材４１の底面４１Ｂに吹き付けられる。
Therefore, the
これによって、ＧａＮ結晶６は、筒状部材４１の底面４１Ｂを介して冷却され、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、タイミングｔ４で７５０℃に低下し、その後、タイミングｔ５まで７５０℃に保持される。
As a result, the
その後、温度制御装置２６０は、タイミングｔ５になると、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を８００℃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２１０へ出力する。
Thereafter, the
そうすると、流量計２１０は、制御信号ＣＴＬ４に応じて、ガスボンベ２２０からガス供給管２００を介して配管１８０内へ流す窒素ガスの流量を直線ｋ１に従って流量ｆｒ２から流量ｆｒ１に減少する。ＧａＮ結晶６の温度は、窒素ガスの流量に略比例して７５０℃から上昇し、窒素ガスの流量が流量ｆｒ１（ｓｃｃｍ）になると、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、８００℃に設定される。
Then, the
したがって、流量計２１０は、流量ｆｒ１からなる窒素ガスを配管１８０内へ流す。そして、配管１８０内へ供給された窒素ガスは、配管１８０の複数の空孔１８１から筒状部材４１の底面４１Ｂに吹き付けられる。
Therefore, the
これによって、ＧａＮ結晶６は、筒状部材４１の底面４１Ｂを介して冷却され、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、タイミングｔ６で８００℃に上昇し、その後、タイミングｔ７まで８００℃に保持される。
As a result, the
加熱装置５０，６０のヒーターの温度Ｔ１，Ｔ２は、混合融液２７０の温度と所定の温度差αを有するため、温度制御装置２６０は、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４が８５０℃から低下し始めると、温度センサー５１，６１からそれぞれ受けた温度Ｔ１，Ｔ２が８５０＋α℃に設定されるように制御信号ＣＴＬ１，２によってそれぞれ加熱装置５０，６０を制御する。
Since the temperatures T1 and T2 of the heaters of the
このように、混合融液２７０の温度（＝８５０℃）とＧａＮ結晶６の温度Ｔ４との間に温度差を設けることによって、ＧａＮ結晶６付近の混合融液２７０中の窒素またはＩＩＩ族窒化物の過飽和度が大きくなり、ＧａＮ結晶６の結晶成長を少なくとも継続できる。
In this way, by providing a temperature difference between the temperature of the mixed melt 270 (= 850 ° C.) and the temperature T4 of the
図１８は、結晶成長モードＩ〜Ｖを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１８を参照して、一連の動作が開始されると、バルブ１１０によってガス供給管９０が反応容器２０から切り離され、Ａｒガスが充填されたグローブボックス内へ坩堝１０および反応容器２０を入れる。そして、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れる（ステップＳ１）。この場合、金属Ｎａおよび金属Ｇａを５：５の混合比で坩堝１０に入れる。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. 18 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a GaN crystal when crystal growth modes I to V are used. Referring to FIG. 18, when a series of operations is started,
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内に設置し、グローブボックスから坩堝１０および反応容器２０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を結晶製造装置１００に設定する。
Then, the
そして、バルブ１１０によって反応容器２０をガス供給管９０に連結し、バルブ１１０を閉じた状態でバルブ１５０を開け、真空ポンプ１６０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１６０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１５０を閉じ、バルブ１１０を開けて窒素ガスをガスボンベ１３０からガス供給管９０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１２０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。
Then, the
そして、圧力センサー１７０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１１０を閉じ、バルブ１５０を開けて真空ポンプ１６０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１６０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１６０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１５０を閉じ、バルブ１１０を開けて圧力調整器１２０によって坩堝１０および反応容器２０内の圧力が分解モード（領域ＲＥＧ１）または種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力に設定されるように窒素ガスを反応容器２０内へ供給する。また、加熱装置５０，６０は、坩堝１０および反応容器２０の温度が分解モード（領域ＲＥＧ１）または種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度に設定されるように坩堝１０および反応容器２０を加熱する。これによって、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、分解モード（領域ＲＥＧ１）または種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定される（ステップＳ２）。
Thereafter, the inside of the
この場合、坩堝１０および反応容器２０が分解モード（領域ＲＥＧ１）または種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる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２７０が坩堝１０内に発生する。
In this case, in the process in which the
その後、上下機構２４０は、上述した方法によって、支持装置４０の一方端を混合融液２７０に接触させる（ステップＳ３）。そして、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したままで、支持装置４０の一方端の温度を低下させて支持装置４０の一方端の温度を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる温度へ移行する（ステップＳ４）。その後、所定の時間、支持装置４０の一方端の温度を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる温度に保持する（ステップＳ５）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成される。
Thereafter, the
引き続いて、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したままで、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて支持装置４０の一方端の温度を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度へ移行する（ステップＳ６）。その後、所定の時間、支持装置４０の一方端の温度を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度に保持する（ステップＳ７）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が支持装置４０の一方端に形成される。
Subsequently, while the pressure in the
ＧａＮ結晶６の成長が進行すると、空間２４内の窒素ガスが消費され、空間２４内の窒素ガスが減少する。そうすると、空間２４内の圧力Ｐ１がガス供給管９０内の圧力調整器１２０側の圧力Ｐ２よりも低くなり（Ｐ１＜Ｐ２）、空間２４内とガス供給管９０内（＝圧力調整器１２０側）との間に差圧が発生し、ガス供給管９０内（＝圧力調整器１２０側）の窒素ガスは、アルカリ金属融液２８０（＝金属Ｎａ融液）を介して空間２４内へ供給される。すなわち、窒素ガスが坩堝１０および反応容器２０の空間２４へ補給される（ステップＳ８）。
As the growth of the
その後、ＧａＮ結晶６が混合融液２７０に接触するように、上述した方法によってＧａＮ結晶６を移動させる（ステップＳ９）。これによって、複数の結晶核５を含む大きなサイズのＧａＮ結晶が成長する。
Thereafter, the
そして、所定の時間が経過すると、坩堝１０および反応容器２０の温度が降温されて（ステップＳ１０）、結晶成長モードＩ〜Ｖのいずれかを用いたＧａＮ結晶の製造が終了する。
When a predetermined time elapses, the temperatures of the
なお、結晶成長モードＶを用いてＧａＮ結晶６を製造する場合、図１８に示すフローチャートのステップＳ６，Ｓ７を削除したフローチャートに従ってＧａＮ結晶６を製造する。
When the
図１９は、結晶成長モードＶＩ〜ＶＩＩＩを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１９に示すフローチャートは、図１８に示すフローチャートのステップＳ４〜ステップＳ７をそれぞれステップＳ４Ａ〜ステップＳ７Ａに代えたものであり、その他は、図１８に示すフローチャートと同じである。 FIG. 19 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a GaN crystal when crystal growth modes VI to VIII are used. The flowchart shown in FIG. 19 is the same as the flowchart shown in FIG. 18 except that steps S4 to S7 in the flowchart shown in FIG. 18 are replaced with steps S4A to S7A, respectively.
図１９を参照して、上述したステップＳ１〜ステップＳ３が順次実行されると、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したままで、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる温度へ移行する（ステップＳ４Ａ）。その後、所定の時間、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる温度に保持する（ステップＳ５Ａ）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成される。
Referring to FIG. 19, when step S <b> 1 to step S <b> 3 described above are sequentially performed, the pressure in
引き続いて、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したままで、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度へ移行する（ステップＳ６Ａ）。その後、所定の時間、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度に保持する（ステップＳ７Ａ）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が支持装置４０の一方端に形成される。
Subsequently, while the temperature of the
その後、上述したステップＳ８〜ステップＳ９が順次実行され、結晶成長モードＶＩ〜ＶＩＩＩのいずれかを用いたＧａＮ結晶の製造が終了する。 Thereafter, Steps S8 to S9 described above are sequentially executed, and the manufacture of the GaN crystal using any one of the crystal growth modes VI to VIII is completed.
図２０は、結晶成長モードＩＸを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図２０に示すフローチャートは、図１８に示すフローチャートのステップＳ４〜ステップＳ７をそれぞれステップＳ４Ｂ〜ステップＳ７Ｂに代えたものであり、その他は、図１８に示すフローチャートと同じである。 FIG. 20 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a GaN crystal when the crystal growth mode IX is used. The flowchart shown in FIG. 20 is the same as the flowchart shown in FIG. 18 except that steps S4 to S7 in the flowchart shown in FIG. 18 are replaced with steps S4B to S7B, respectively.
図２０を参照して、上述したステップＳ１〜ステップＳ３が順次実行されると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度へ移行する（ステップＳ４Ｂ）。その後、所定の時間、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度に保持する（ステップＳ５Ｂ）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成される。
Referring to FIG. 20, when step S1 to step S3 described above are sequentially executed, the pressure in
引き続いて、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度へ移行する（ステップＳ６Ｂ）。その後、所定の時間、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に保持する（ステップＳ７Ｂ）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が支持装置４０の一方端に形成される。
Subsequently, the pressure in the
その後、上述したステップＳ８〜ステップＳ９が順次実行され、結晶成長モードＩＸを用いたＧａＮ結晶の製造が終了する。 Thereafter, the above-described steps S8 to S9 are sequentially executed, and the manufacture of the GaN crystal using the crystal growth mode IX is completed.
上述したように、この発明においては、多核発生モードで複数の結晶核５を支持装置４０の底面４１Ｂに形成し、その後、原料を仕込み直さずに連続して種結晶成長モードでＧａＮ結晶６の結晶成長が行なわれる。その結果、複数の結晶核５のうちの１つの結晶核と種結晶としてＧａＮ結晶６が結晶成長する。
As described above, in the present invention, a plurality of
したがって、この発明によれば、簡易な工程によりＧａＮ結晶６を製造できる。
Therefore, according to the present invention, the
［実施の形態２］
図２１は、実施の形態２による結晶製造装置の概略断面図である。図２１を参照して、実施の形態２による結晶製造装置１００Ａは、図１に示す結晶製造装置１００にフローティングカバー３００を追加したものであり、その他は、結晶製造装置１００と同じである。
[Embodiment 2]
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view of the crystal manufacturing apparatus according to the second embodiment. Referring to FIG. 21,
フローティングカバー３００は、・・・（材質を補充して下さい）・・・からなり、支持装置４０の周囲の混合融液２７０上に浮かされる。そして、フローティングカバー３００は、混合融液３００の表面でＧａＮ結晶の雑結晶が発生するのを抑制する。
The floating
図２２は、図２１に示すフローティングカバー３００の平面図である。図２２を参照して、フローティングカバー３００は、内径ｒと外径Ｒとを有するドーナツ形状からなる。内径ｒは、支持装置４０の直径にαを加えた値からなる。αは、窒素ガスが混合融液２７０に溶け込むための隙間が支持装置４０とフローティングカバー３００との間に形成される値からなる。そして、外径Ｒは、坩堝１０の内径に略等しい（図２２の（ａ）参照）。
FIG. 22 is a plan view of the floating
フローティングカバー３００は、カバー３０１，３０２からなる。そして、カバー３０１，３０２の各々は、ドーナツを半分にした形状からなる（図２２の（ｂ）参照）。その結果、支持装置４０との間で隙間を作ってフローティングカバー３００を支持装置４０の周囲に容易に配置できる。
The floating
結晶製造装置１００Ａにおいて、ＧａＮ結晶６は、図１８から図２０に示すフローチャートのいずれかに従って製造される。この場合、金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に仕込み、坩堝１０を反応容器２０内にセットした後に、フローティングカバー３００を坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａ上に設置する。
In the
そして、坩堝１０および反応容器２０が結晶成長温度に加熱されると、坩堝１０内に混合有形２７０が生成されるので、フローティングカバー３００は、支持装置４０の周囲の混合融液２７０上に浮くことになる。
When the
フローティングカバー３００が浮いた状態で、反応容器２０内の空間２４の窒素ガスは、支持装置４０とフローティングカバー３００との間の隙間を介して混合融液２７０中に溶け込み、複数の結晶核５が発生し、その後、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が製造される。そして、複数の結晶核５の形成からＧａＮ結晶６の製造終了までの期間、支持装置４０の周囲の混合融液２７０の表面は、フローティングカバー３００によって覆われているので、混合融液２７０の表面における雑結晶の発生を抑制でき、より大きなサイズを有するＧａＮ結晶を製造できる。
In a state where the floating
その他は、実施の形態１と同じである。 Others are the same as in the first embodiment.
上述した実施の形態１および実施の形態２においては、結晶成長温度は、７５０℃または８００℃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、図５に示す領域ＲＥＧ２，ＲＥＧ３に含まれる結晶成長温度であればよい。また、窒素ガス圧力は、図５に示す領域ＲＥＧ２，ＲＥＧ３に含まれる圧力であればよい。
In
また、この発明による結晶製造装置は、結晶製造装置１００，１００Ａから振動印加装置２３０、上下機構２４０および振動検出装置２５０を削除したものであってもよい。この場合、ＧａＮ結晶６は、上下方向へ移動されないが、坩堝１０内に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａが融けた状態で支持装置４０の底面４１Ｂが混合融液２７０に接触するように支持装置４０がセットされる。したがって、複数の結晶核５が支持装置４０の底面４１Ｂに発生し、その後、複数の結晶核５を有するＧａＮ結晶６が結晶成長する。その結果、大きいサイズのＧａＮ結晶を製造できる。
Moreover, the crystal manufacturing apparatus according to the present invention may be one in which the
さらに、この発明による結晶製造装置は、結晶製造装置１００，１００Ａから配管１８０、熱電対１９０、ガス供給管２００、流量計２１０およびガスボンベ２２０を削除したものであってもよい。この場合、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ５は、ＧａＮ結晶の結晶成長中、混合融液２７０の温度よりも低温に制御されないが、ＧａＮ結晶６は、支持装置４０によって混合融液２７０に接触されるので、ＧａＮ結晶６は、混合融液２７０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比の変動が抑制された状態で１つの結晶核から成長する。その結果、大きなサイズのＧａＮ結晶を製造できる。
Furthermore, the crystal manufacturing apparatus according to the present invention may be one in which the
さらに、この発明による結晶製造装置は、結晶製造装置１００，１００Ａから配管１８０、熱電対１９０、ガス供給管２００、流量計２１０、ガスボンベ２２０、振動印加装置２３０、上下機構２４０および振動検出装置２５０を削除したものであってもよい。この場合、ＧａＮ結晶６は、上下方向へ移動されず、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ５は、混合融液２７０の温度よりも低い温度に制御されないが、坩堝１０内に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａが融けた状態で混合融液２７０に接触するようにＧａＮ結晶６が支持装置４０によって支持される。したがって、ＧａＮ結晶６は、混合融液２７０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比の変動が抑制された状態で１つの結晶核から成長する。その結果、大きいサイズのＧａＮ結晶を製造できる。
Furthermore, the crystal manufacturing apparatus according to the present invention includes a
さらに、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 the metal Na and the metal Ga are put into 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２７０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製造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 manufacturing 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製造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 manufacturing apparatus or 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.
なお、支持装置４０は、「結晶保持棒」を構成し、ガス供給管９０、圧力調整器１２０およびガスボンベ１３０は、「ガス供給手段」を構成する。
The
また、坩堝１０および反応容器２０の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる温度に設定する加熱装置５０，６０および温度制御装置２６０と、反応容器２０内の窒素ガス圧を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力に設定する圧力調整器１２０とは、「核形成手段」を構成する。
Further, the
さらに、坩堝１０および反応容器２０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる温度に設定する加熱装置５０，６０および温度制御装置２６０と、反応容器２０内の窒素ガス圧を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力に設定する圧力調整器１２０とは、「結晶形成手段」を構成する。
Furthermore, the
さらに、フローティングカバー３００は、「カバー部材」を構成する。
Further, the floating
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、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な結晶製造装置に適用される。また、この発明は、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な製造方法に適用される。さらに、この発明は、簡易な工程を経て製造されたＩＩＩ族窒化物結晶に適用される。 The present invention is applied to a crystal manufacturing apparatus capable of manufacturing a group III nitride crystal through a simple process. Further, the present invention is applied to a manufacturing method capable of manufacturing a group III nitride crystal through a simple process. Furthermore, the present invention is applied to a group III nitride crystal manufactured through a simple process.
１〜３ 気液界面、４ 窒素ガス、５ 結晶核、６ ＧａＮ結晶、１０ 坩堝、２０ 反応容器、２０Ａ，４１Ａ 外周面、２０Ｂ，４１Ｂ，１８０Ａ 底面、２１，３０１ 本体部、２２ 蓋部、２３ 配管接続部、２４ 空間、３０ ベローズ、４０ 支持装置、４１ 筒状部材、５０，６０，７０ 加熱装置、５１，６１，７１ 温度センサー、９０，２００ ガス供給管、１００，１００Ａ 結晶製造装置、１１０，１５０ バルブ、１２０ 圧力調整器、１３０，２２０ ガスボンベ、１４０ 排気管、１６０ 真空ポンプ、１７０ 圧力センサー、１８０ 配管、１８１ 空孔、１９０ 熱電対、１９０Ａ，２１０ 流量計、２３０ 振動印加装置、２４０ 上下機構、２４１ 凹凸部材、２４２ 歯車、２４３ 軸部材、２４４ モータ、２４５ 制御部、２４６，２４７ 矢印、２５０ 振動検出装置、２６０ 温度制御装置、２７０ 混合融液、２８０ アルカリ金属融液。 1 to 3 gas-liquid interface, 4 nitrogen gas, 5 crystal nucleus, 6 GaN crystal, 10 crucible, 20 reaction vessel, 20A, 41A outer peripheral surface, 20B, 41B, 180A bottom surface, 21,301 body portion, 22 lid portion, 23 Pipe connection part, 24 spaces, 30 bellows, 40 support device, 41 cylindrical member, 50, 60, 70 heating device, 51, 61, 71 temperature sensor, 90, 200 gas supply pipe, 100, 100A crystal production device, 110 , 150 valve, 120 pressure regulator, 130, 220 gas cylinder, 140 exhaust pipe, 160 vacuum pump, 170 pressure sensor, 180 piping, 181 air hole, 190 thermocouple, 190A, 210 flow meter, 230 vibration applicator, 240 up and down Mechanism, 241 uneven member, 242 gear, 243 shaft member, 244 motor, 245 control , 246, 247 arrows, 250 vibration detection device, 260 a temperature controller, 270 melt mixture, 280 alkali metal melt.
Claims (5)
外部から前記坩堝内へ窒素原料ガスを供給するガス供給手段と、
一方端が前記混合融液に浸漬された結晶保持棒と、
複数の結晶核を前記結晶保持棒の前記一方端に形成する核形成手段と、
前記複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶を形成する結晶形成手段とを備え、
前記結晶保持棒は、筒状部材の内部に前記窒素原料ガスを流す配管が配置され、前記配管の底面と前記筒状部材の底面とが対向して配置され、前記配管の底面には複数の空孔を有するとともに前記複数の空孔を介して前記筒状部材の底面に前記窒素原料ガスが吹き付けられるように構成されたことを特徴とする結晶製造装置。 A crucible for holding a mixed melt containing a Group III metal and an alkali metal;
Gas supply means for supplying nitrogen source gas into the crucible from outside;
A crystal holding rod having one end immersed in the mixed melt;
Nucleation means for forming a plurality of crystal nuclei at the one end of the crystal holding rod;
Crystal forming means for forming a group III nitride crystal containing the plurality of crystal nuclei ,
The crystal holding rod has a pipe for flowing the nitrogen source gas inside a cylindrical member, and a bottom surface of the pipe and a bottom surface of the cylindrical member are arranged to face each other. A crystal manufacturing apparatus characterized in that the nitrogen source gas is blown to the bottom surface of the cylindrical member through the plurality of holes while having holes .
前記結晶形成手段は、前記ガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ前記複数の結晶核を種結晶として前記ＩＩＩ族窒化物結晶が結晶成長する圧力および温度に設定して前記ＩＩＩ族窒化物結晶を形成する、請求項１または請求項２に記載の結晶製造装置。 The nucleation means sets the gas pressure of the nitrogen source gas and the temperature of the mixed melt in a space in contact with the mixed melt in the crucible to a pressure and a temperature at which a plurality of nuclei are generated, respectively. Crystal nuclei of
The crystal forming means sets the gas pressure and the temperature of the mixed melt to the pressure and temperature at which the group III nitride crystal grows using the plurality of crystal nuclei as seed crystals, respectively. The crystal manufacturing apparatus according to claim 1 or 2, which forms a crystal.
前記坩堝と前記反応容器との間に配置されたアルカリ金属融液とをさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の結晶製造装置。 A reaction vessel covering the crucible;
The crystal production apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising an alkali metal melt disposed between the crucible and the reaction vessel.
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