気相結晶作成装置
【課題】 ＧａＮなどの結晶の原料ガスとして原料酸化物と還元材との還元反応によって生成されたガスを用いる。
【解決手段】 酸化物原料と還元材との反応によって原料ガスを生成する還元反応部と、前記で生成された原料ガスと他の原料ガスとを反応させて結晶を生成し成長させる結晶成長反応部と、前記還元反応部および結晶成長反応部を内部に備える密閉反応容器１とを備え、還元反応部と前記結晶成長反応部とは、それぞれヒータ２ａ、２ｂなどによって独立して雰囲気温度が調整可能となっている。所望量の原料ガスを安価に安定して供給できる。結晶成長反応部では所望の結晶が効率よく生成・成長する。また、原料ガスの供給量を調整して、針状、羽毛状、板状、膜状の所望の形態の結晶を得ることができる。
【解決手段】 酸化物原料と還元材との反応によって原料ガスを生成する還元反応部と、前記で生成された原料ガスと他の原料ガスとを反応させて結晶を生成し成長させる結晶成長反応部と、前記還元反応部および結晶成長反応部を内部に備える密閉反応容器１とを備え、還元反応部と前記結晶成長反応部とは、それぞれヒータ２ａ、２ｂなどによって独立して雰囲気温度が調整可能となっている。所望量の原料ガスを安価に安定して供給できる。結晶成長反応部では所望の結晶が効率よく生成・成長する。また、原料ガスの供給量を調整して、針状、羽毛状、板状、膜状の所望の形態の結晶を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化物原料の還元反応により得られる原料ガスと他の原料ガスとの反応によってIII−Ｖ族化合物などの結晶を作成する気相結晶作成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体などに利用されるIII−Ｖ族化合物結晶は、例えばＧａＮのように優れた高温特性などを有し、電気光学材料などとして期待されている。このIII−Ｖ族化合物結晶などを作成する従来既知の方法として、有機金属気相結晶成長法（以下ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相成長法（以下ＨＶＰＥ）といった気相成長法が知られている。両者ともに、加熱可能な反応容器内に基板を設置した後、反応温度に維持した状態で２種類の原料ガスを容器内に導入すると、基板上に結晶が成長する、という方法である。以下ＧａＮを作成する場合を例にとり説明する。Ｇａ源ガスはＭＯＣＶＤではトリメチルガリウムやトリエチルガリウムなどの有機液体ガリウムにキャリアガスであるＨ２やＮ２を流すことで得る場合が多い。ＨＶＰＥではＧａＣｌをＧａ源ガスとし、金属ＧａとＨＣｌガスとの反応から得ている場合が多い。Ｎ源ガスは両方法ともにＮＨ３ガスが良く用いられている。
【０００３】
以下、各作成法の概略を添付図を用いてＧａＮを作成する場合について説明する。
図４に示すＭＯＣＶＤ装置は、その外周に電気炉などのヒータ２１を備えた密閉反応容器２０と、トリメチルガリウムなどの有機液体ガリウム２２をＨ２やＮ２などのキャリアガスで前記密閉反応容器２０に導入する系２３と、ＮＨ３などのＮ源ガスを密閉反応容器２０に導入する系２４と、密閉反応容器２０内に配置される基板支持台２５と、排ガスの排気系２６とで構成される。
上記基板支持台２５上には、表面に結晶を成長させる基板２７が置かれる。結晶作成に際しては、基板２７を目的とする結晶生成反応が起こる所望の温度になるようヒータ２１で調整する。キャリアガスおよびＮ源ガスをそれぞれ系２３、系２４を通して所望する流量で密閉反応容器２０内に流すことにより、基板２７上に目的とする結晶２８が成長する。
【０００４】
一方、図５に示すＨＶＰＥ装置は、その外周に電気炉などのヒータ２１を備えた密閉反応容器２０と、Ｎ２などのキャリアガスにＧａ金属と反応してＧａ源ガスＧａＣｌを生成するＨＣｌガスを混合した混合ガスを密閉反応容器２０内に導入する系３１と、ＮＨ３などのＮ源ガスを密閉反応容器２０に導入する系３２と、密閉反応容器２０内に配置される基板支持台３３と、排ガスの排気系３４とで構成される。混合ガスを導入する系３１が接続されている密閉反応容器２０の内部部分には原料搭載部３５が設けられ、この部分にＧａ金属３６が配置される。基板支持台３３上には表面に結晶を成長させる基板３７が置かれる。前記混合ガスとＮ源ガスとを系３１、３２を通して密閉反応容器２０内に導入するとともに基板３７が目的とする結晶生成反応が起こる所望の温度になるようヒータ２１で調整する。するとＧａ金属３６が反応してＧａ源ガスＧａＣｌが生成され、さらにＧａ源ガスＧａＣｌとＮ源ガスとの反応によって基板３７上に目的とする結晶３８が成長する。
【０００５】
また、Ｇａ２Ｏ３を出発原料として、ＮＨ３ガスを直接反応させてＧａＮを得るＧａＮ生成法が特許文献１に提案されている。しかし、この方法は、ＧａＮの形状が出発原料であるＧａ２Ｏ３の形状、形態によって決まり、気相結晶成長法のように条件によりさまざまな形状の結晶を作成することはできないという欠点がある。
さらに近年、所定比のＧａ２Ｏ３粉末とグラファイトの混合物を加熱することでＧａ２Ｏガスを得て、このガスとＮＨ３ガスとを反応させることで基板上にＧａＮ単結晶が得られるという報告がある（非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２９７１３号公報
【非特許文献１】日本セラミックス協会年会／２００３年３月、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、第２６３巻（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥに関する製法および装置は以上のように構成されているので、Ｇａ源ガスの供給量の調整が難しいという問題がある。すなわちＭＯＣＶＤ法では有機液体ガリウムの蒸気圧に基づき、温度やキャリアガスの流量などを制御しなければならない。またＨＶＰＥ法では気−固相反応を用いてＧａ源ガスを生成するため、所望の流量のＧａ源ガスを安定して供給するためには、金属Ｇａ搭載部の温度やキャリアガスとＨＣｌガスの混合比や混合ガスの総流量などを十分に制御する必要がある。特に温度に関しては、金属から原料ガスを生成する反応を起こす最適温度と結晶生成反応の最適温度とが大きい異なる場合にはその制御が大変困難になる。またＭＯＣＶＤ法においては有機液体金属は大変高価で有毒であることも問題である。
【０００７】
一方、Ｇａ２Ｏ３粉末とグラファイトからＧａ２Ｏガスを得て、ＮＨ３ガスと反応させてＧａＮを得る方法は、出発原料のＧａ２Ｏ３粉末および還元剤として働くグラファイトが有機液体ガリウムと比べてはるかに安価であるという利点を有している。しかし、Ｇａ２Ｏガスを得る反応と、Ｇａ２ＯガスとＮＨ３ガスとからＧａＮを得る反応の両方を的確に制御することが難しく、特にＧａ２Ｏガスを安定して供給することが難しく、所望とする結晶を得るのが大変困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、出発原料が比較的安価な固体材料を用いて原料ガスを安定して供給し、所望とする結晶を効率よく作成することが可能な気相結晶作成装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明の気相結晶作成装置のうち、請求項１記載の発明は、酸化物原料と還元材との反応によって原料ガスを生成する還元反応部と、前記で生成された原料ガスと他の原料ガスとを反応させて結晶を生成し成長させる結晶成長反応部と、前記還元反応部および結晶成長反応部を内部に備える密閉反応容器とを備え、前記還元反応部と前記結晶成長反応部とは、それぞれ独立して雰囲気温度が調整可能とされていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１記載の発明において、前記他の原料ガスが、前記密閉容器外部から供給されるものであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記還元反応部は、２以上の原料ガスを生成するものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部を２以上備え、各還元反応部には、異なる酸化物原料を用いて異なる原料ガスを生成するものを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部を加熱する加熱手段と、前記結晶成長反応部を加熱する加熱手段とを備え、各加熱手段はそれぞれ独立して加熱温度を制御可能であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部を加熱する加熱手段は、２以上の還元反応部のうち一部または全部に対し独立して加熱温度を制御可能であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部で生成された原料ガスを前記結晶成長反応部に移送するキャリアガスを、該還元反応部に導入するキャリアガス導入手段を備えており、該キャリアガス導入手段は、キャリアガスの流量を調整するキャリアガス流量調整手段を有していることを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部を加熱する加熱手段とキャリアガス流量調整手段とを制御して、前記結晶成長反応部に対する原料ガス供給量を調整する原料ガス供給量制御手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項８記載の発明において、前記原料ガス供給量に応じて前記結晶成長反応部の加熱温度を制御可能としたことを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部の少なくとも一つはＧａ系酸化物を前記原料酸化物としてＧａ２Ｏガスを生成し、前記結晶成長反応部は少なくとも前記Ｇａ２ＯガスとＮ源ガスとを原料ガスとしてＧａＮ系結晶を生成するものであることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１０記載の発明において、前記Ｇａ系酸化物がＧａ２Ｏ３であり、前記Ｎ源ガスがＮＨ３ガスであることを特徴とする。
【００２０】
すなわち、本発明によれば、還元反応部において独自に制御された温度で酸化物原料が還元材によって還元され、所望の原料ガスを所望の量で得ることができる。この原料ガスは、結晶成長反応部において独自に制御された温度で他の原料ガスと反応をして所望の結晶が生成され効率よく成長する。
【００２１】
還元反応部は、複数を備えるものであっても良く、それらの一部または全部では、異なる酸化物原料を用いて異なる原料ガスを生成するものであってもよい。この場合、異なる酸化物原料を用いて異なる原料ガスを生成する還元反応部では、必要に応じて他の還元反応部と独立して雰囲気温度が調整可能とされているものであってもよい。また、各還元反応部は全て独立して雰囲気温度が調整可能とされているものであってもよい。
上記酸化物原料としては、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３などが挙げられる。 該酸化物原料から生成される原料ガスとしては、Ｇａ２Ｏ３から生成されるＧａ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３から生成されるＩｎ２Ｏなどが挙げられる
また、還元材は原料酸化物とともに還元反応部に配置されるものであり、グラファイトなどの非金属や非金属のかわりにＧａ２Ｏ３に対するＩｎ、Ｉｎ２Ｏ３に対するＧａなどの金属を用いることができる。通常は固体として提供される。これら還元材によって酸化物原料が還元されて原料ガスが生成される。また、還元材が部分酸化されることにより生成されるガスを原料ガスの一部として含むものであっても良い。
また、上記還元反応によって得られる原料ガス以外の他の原料ガスとしては、Ｎ源ガス、Ａｓ源ガス、Ｐ源ガスなどが挙げられる。Ｎ源ガスとしては、ＮＨ３など、Ａｓ源ガスとしてはＡｓＨ５など、Ｐ源ガスとしてはＰＨ５などが挙げられる。
なお、酸化物原料とグラファイトとの反応によって得られる原料ガスは、キャリアガスによって結晶成長反応部に移送することができる。キャリアガスとしてはＮ２などを挙げることができる。
【００２２】
上記還元反応部を加熱する手段および結晶成長反応部を加熱する手段には、ヒータなどの既知のものを用いることができ、本発明としては、それぞれ独立して加熱温度の調整が可能であれば特定のものに限定されるものではない。
なお、上記各反応部の雰囲気温度調整は、予め設定した温度となるように定温制御するものであってもよく、また、還元反応による原料ガスの発生量が一定にするなどのフィードバック制御によって温度調整を行うなどの変温制御を行うものであってもよい。また、結晶成長の段階によって各反応部の雰囲気温度の調整を行うようにしてもよい。すなわち、本発明の装置では、これらの種々の要請に容易に応えて所望の結晶を容易に得ることができる。
【００２３】
また、還元反応によって生成される原料ガスを移送するためのキャリアガスの流量を調整する手段を設けることもできる。該手段としては流量制御弁などを用いることができる。
上記した還元反応部における温度調整と、キャリアガス流量調整とによって結晶成長反応部に移送する上記原料ガスの流量を調整することができ、還元反応による原料ガスの供給をより的確に行うことができる。
上記した各加熱手段の加熱制御や、キャリアガス流量調整手段の流量調整は、制御部によって行うことができ、該制御部は例えばＣＰＵとこれを制御するプログラムとにより構成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明の気相結晶作成装置によれば、酸化物原料と還元材との反応によって原料ガスを生成する還元反応部と、前記で生成された原料ガスと他の原料ガスとを反応させて結晶を生成し成長させる結晶成長反応部と、前記還元反応部および結晶成長反応部を内部に備える密閉反応容器とを備え、前記還元反応部と前記結晶成長反応部とは、それぞれ独立して雰囲気温度が調整可能とされているので、還元反応部で還元反応による原料ガスの供給が的確に行われ、原料ガスを安価にかつ安定して供給できる。そして、結晶成長反応部では所望の結晶が効率よく成長する。例えば異なる速度で原料ガスを供給して、針状、羽毛状、板状、膜状の所望の形態の結晶を効率よく成長させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
気相結晶作成装置は、筒型の密閉反応容器１を有しており、該密閉容器１は、小径部１ａと大径部１ｂとが軸方向に連なった形状を有し、前記小径部１ａ内に還元反応部、大径部１ｂ内に結晶成長反応部が設けられている。上記小径部１ａの外周部には、小径部１ａ内を加熱する電気炉などのヒータ２ａが配置され、上記大径部１ｂの外周部には、大径部１ｂ内を加熱するヒータ２ｂが配置されている。
該密閉反応容器１の小径部１ａ側の端部に、キャリアガス導入管３が接続され、大径部１ｂ側の端部にＮ源ガス導入管４が接続されている。これら導入管３、４には、それぞれ流量調整弁３ａ、４ａが介設されている。
【００２６】
上記キャリアガス導入管３が接続されている密閉反応容器１の内部には、キャリアガス導入管３に連通するガス流路５が設けられており、該ガス流路５は、小径部１ａが大径部１ｂに連なる位置にまで伸長している。また、該ガス流路５の中途の底部には、凹部形状とされた原料載置部６が設けられている。ガス流路５内の原料載置部６周辺が還元反応部に割り当てられる。
また、Ｎ源ガス導入管４が接続されている密閉反応容器１の内部には、Ｎ源ガス導入管４に連通するＮ源ガス流路７が設けられており、該Ｎ源ガス流路７は、大径部１ｂ内に伸長している。上記構成により、ガス流路５の端部とＮ源ガス流路７の端部とが略対向している。また、Ｎ源ガス導入管４が接続されている大径部１ｂの一端には、反応済みガスが排出される排ガス管８が接続されている。
【００２７】
大径部１ｂ内部には、基板支持台１０が設置されており、該基板支持台１０の周辺が結晶成長反応部となる。また、この気相結晶作成装置では、装置を制御する制御部１２を有しており、該制御部１２によって前記したヒータ２ａ、２ｂや流量調整弁３ａが制御されている。
【００２８】
次に、上記気相結晶作成装置の動作について説明する。
この実施形態の目標結晶はＧａＮであり、以下、該結晶を得るための動作について説明する。
原料搭載部６に、原料酸化物としてのＧａ２Ｏ３と還元材としてのグラファイトとが所定比からなる混合物１５を配置する。一方、基板支持台１０上には表面に結晶を成長させる基板１７を設置する。なお、基板１７の材質は特に限定されるものではなく、目的の結晶を成長させるのに最適な材質や結晶面をもてばよい。また基板の代わりに種結晶を置くことで種結晶の成長装置として使用することもできる。
ヒータ２ａ、２ｂは還元反応部（原料搭載部６周辺）と結晶成長反応部（基板１７周辺）が各々所望の温度になるように、制御部１２によって制御、動作させる。
原料搭載部６では、好適には９５０℃で加熱されて、Ｇａ２Ｏ３がグラファイトに還元され、原料ガスとしてＧａ源ガスＧａ２Ｏが発生する。この際に、制御部１２によって流量調整弁３ａが制御され、流量が調整されたキャリアガス（Ｎ２ガス）が、キャリアガス導入路３を通してガス流路５に導入され、上記で生成されたＧａ２Ｏガスが所望の供給量で結晶成長反応部へと移送される。
【００２９】
一方、Ｎ源ガス導入管４およびＮ源ガス流路７を通してＮ源ガスとしてＮＨ３ガスが結晶成長反応部に導入される。キャリアガスおよびＮ源ガスを所望する流量で流すことにより、それぞれのガスが交流して反応し基板１７上に目的とする結晶１８が成長する。
【００３０】
Ｇａ源ガスＧａ２ＯはＧａ２Ｏ３とグラファイトとの混合比および原料搭載部６の温度で定まる発生速度で安定して発生する。例えばＧａ２Ｏ３とグラファイトとの比が１:２０の混合物を９５０℃で保持したときの混合物の重量減少変化の様子を図２に示す。長時間にわたり一定の割合で重量変化している、すなわちＧａ２Ｏ３が還元されＧａ２Ｏが一定の速度で発生していることがわかる。密閉反応容器１内へのＧａ源ガスＧａ２Ｏ供給量はこのような発生速度とキャリアガスの流量とを調整することで容易に定められる。該調整は、上記したように制御部１２を通して容易に行うことができる。すなわち、制御部１２は、本発明の原料ガス供給量制御手段としても機能する。
また、結晶成長反応部では、供給される原料ガスの流量などに従って適切な温度（例えば８００〜１２００℃、好適には１１００℃）で加熱することで所望の結晶を効率的に生成・生長させることができる。該温度の調整も制御部１２を通して容易に行うことができる。
【００３１】
なお、それぞれが独立に温度制御されるヒータの個数は原料搭載部加熱用と基板加熱用の２つに限定されない。還元反応と結晶成長反応との各々の最適温度が大きく異なる場合にその間をある温度に制御するなど３ヶ所以上の温度制御が必要となる場合がある。
また、この実施形態では、キャリアガスを密閉反応容器１に導入する系とＮ源ガスを密閉反応容器１に導入する系とが密閉反応容器１の反対側から平行に配置されている構成を示したが、それぞれが密閉反応容器の同一側にあるものであってもよい。本発明では、単結晶や多結晶、薄膜状や柱状といった目的の結晶を得るのに最適な気流が生じるようこれらを配置すればよく、特定の配置方法に限定されない。
【００３２】
また、この実施形態では、２元系であるＧａＮを例としているが、ＧａＸＩｎ１−ＸＮなど３元系以上の多元系を目的の結晶とする場合には、反応の温度に差がなく原料ガスの制御が可能ならば、複数の酸化物をグラファイトと混合する。また温度が異なり、複数を混合することでは安定して原料ガスを供給できない場合には、還元反応部を複数にしたり、原料ガスを導入する系を複数にするといった構成にし、さらに上述したように必要に応じた箇所の温度制御を行う。
また、ここではＧａＮを例に挙げて説明したが、本装置で生成される結晶はＧａＮにかぎらない。すなわち以下の反応式(１)および反応式(２)が成り立つ元素ならばよい
ＡＸＯｙ ＋ グラファイト → ＡｚＯ ＋ ＣＯ ・・・ （１）
ＡｚＯ ＋ ＢＨｖ → ＡＢ ＋ Ｈ２ ・・・ （２）
例えばＩｎＮ、ＧａｘＩｎ1-ｘＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどである。また、ＧａＮ以外の結晶は、上記のように３元系以上からなるものであってもよい。
【００３３】
（実施形態２）
次に、他の実施形態を説明する。この実施形態は、３元系の結晶を作成するための装置を示すものである。なお、この実施形態で、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
この実施形態では、密閉反応容器１００は三又の筒形状からなり、２つの小径部１００ａ、１１０ａと大径部１ｂとで構成されている。前記小径部１００ａ、１１０ａには、それぞれ異なる原料酸化物によって異なる原料ガスを生成する還元反応部が設けられ、大径部１ｂ内に結晶成長反応部が設けられている。上記小径部１００ａの外周部に、小径部１００ａ内を加熱する電気炉などのヒータ２００ａが配置され、小径部１１０ａの外周部に、小径部１１０ａ内を加熱するヒータ２１０ａが配置され、上記大径部１ｂの外周部には、大径部１ｂ内を加熱するヒータ２ｂが配置されている。
該密閉反応容器１００の小径部１００ａ側の端部に、キャリアガス導入管３００が接続され、小径部１１０ａ側の端部に、キャリアガス導入管３１０が接続され、大径部１ｂ側の端部にＮ源ガス導入管４が接続されている。これら導入管３００、３１０、４には、それぞれ流量調整弁３００ａ、３１０ａ、４ａが介設されている。
【００３４】
上記キャリアガス導入管３００が接続されている小径部１００ａの内部に、キャリアガス導入管３００に連通するガス流路５００が設けられており、該ガス流路５００は、大径部１ｂに連続する端部にまで伸長している。また、該ガス流路５００の中途の底部には、凹部形状とされた原料載置部６００が設けられている。ガス流路５００内の原料載置部６００周辺が還元反応部に割り当てられる。
また同じくキャリアガス導入管３１０が接続されている小径部１１０ａの内部にも同様にガス流路５１０が設けられ、該ガス流路５１０の中途の底部に、凹部形状とされた原料載置部６１０が設けられている。ガス流路５１０内の原料載置部６１０周辺が還元反応部に割り当てられる。
【００３５】
大径部１ｂ内部では、前記実施形態１と同様に基板支持台１０が設置され、該基板支持台１０の周辺が結晶成長反応部となっている。
また、この気相結晶作成装置では、装置を制御する制御部１２を有しており、該制御部１２によって前記したヒータ２００ａ、２１０ａ、２ｂ、流量調整弁３００ａ、３１０ａが制御されている。
【００３６】
次に、上記気相結晶作成装置の動作について説明する。
この実施形態の目標結晶はＧａＩｎＮであり、以下、該結晶を得るための動作について説明する。
原料搭載部６００に、原料酸化物としての所定比のＧａ２Ｏ３とグラファイトの混合物１５を配置し、 原料搭載部６１０に、原料酸化物としての所定比のＩｎ２Ｏ３とグラファイトの混合物１６を配置する。一方、基板支持台１０上には表面に結晶を成長させる基板１７を設置する。
ヒーター２００ａ、２１０ａ、２ｂは還元反応部（原料搭載部６００、６１０周辺）と結晶成長反応部（基板１７周辺）が各々所望の温度になるように、制御部１２によって制御、動作させる。
原料搭載部６００では、Ｇａ２Ｏ３がグラファイトに還元されて、原料ガスとしてＧａ源ガスＧａ２Ｏが発生する。この際に、制御部１２によって流量調整弁３００ａが制御されたキャリアガス導入路３００を通してガス流路５００にキャリアガスとしてＮ２ガスが導入され、上記で生成されたＧａ２Ｏガスが所望の供給量で結晶成長反応部へと移送される。また、 原料搭載部６１０では、Ｉｎ２Ｏ３がグラファイトに還元されて、原料ガスとしてＩｎ２Ｏが発生する。この際に、制御部１２によって流量調整弁３１０ａが制御されたキャリアガス導入路３１０を通してガス流路５１０にキャリアガスとしてＮ２ガスが導入され、上記で生成されたＩｎ２Ｏガスが所望の供給量で結晶成長反応部へと移送される。
【００３７】
結晶成長反応部にはＮ源ガスとしてのＮＨ３ガスが導入される。キャリアガスおよびＮ源ガスを所望する流量で流すことにより、基板１７上に目的とする結晶１８が成長する。Ｇａ源ガスＧａ２ＯはＧａ２Ｏ３とグラファイトとの混合比および原料搭載部６００の温度で定まる発生速度で安定して発生し、Ｉｎ源ガスＩｎ２ＯはＩｎ２Ｏ３とグラファイトとの混合比および原料搭載部６１０の温度で定まる発生速度で安定して発生する。
密閉反応容器１００内への還元反応によるこれらの原料ガス供給量は上記発生速度とキャリアガスの流量とを調整することで容易に定められる。該調整は、上記したように制御部１２を通して容易に行うことができる。
また、結晶成長反応部では、供給される原料ガスの流量などに従って適切な温度で加熱することで所望の結晶を効率的に生成・生長する。
【００３８】
以上本発明について上記実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態の説明に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の気相結晶作成装置の概略正面断面図である。
【図２】同じく、還元反応による原料酸化物の経時的な重量変化を示すグラフである。
【図３】本発明の他の実施形態の気相結晶作成装置の概略平面断面図である。
【図４】従来のＭＯＣＶＤ装置の概略を示す正面断面図である。
【図５】同じく、従来のＨＶＰＥ装置の概略を示す正面断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１、１００ 密閉反応容器
１ａ、１００ａ、１１０ａ 小径部
１ｂ 大径部
２ａ、２００ａ、２１０ａ、２ｂ ヒータ
３、３００ａ、３１０ａ キャリアガス導入管
４、４００ａ、４１０ａ Ｎ源ガス導入管
５、５００ａ、５１０ａ ガス流路
１７ 基板
１８ 結晶
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化物原料の還元反応により得られる原料ガスと他の原料ガスとの反応によってIII−Ｖ族化合物などの結晶を作成する気相結晶作成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体などに利用されるIII−Ｖ族化合物結晶は、例えばＧａＮのように優れた高温特性などを有し、電気光学材料などとして期待されている。このIII−Ｖ族化合物結晶などを作成する従来既知の方法として、有機金属気相結晶成長法（以下ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相成長法（以下ＨＶＰＥ）といった気相成長法が知られている。両者ともに、加熱可能な反応容器内に基板を設置した後、反応温度に維持した状態で２種類の原料ガスを容器内に導入すると、基板上に結晶が成長する、という方法である。以下ＧａＮを作成する場合を例にとり説明する。Ｇａ源ガスはＭＯＣＶＤではトリメチルガリウムやトリエチルガリウムなどの有機液体ガリウムにキャリアガスであるＨ２やＮ２を流すことで得る場合が多い。ＨＶＰＥではＧａＣｌをＧａ源ガスとし、金属ＧａとＨＣｌガスとの反応から得ている場合が多い。Ｎ源ガスは両方法ともにＮＨ３ガスが良く用いられている。
【０００３】
以下、各作成法の概略を添付図を用いてＧａＮを作成する場合について説明する。
図４に示すＭＯＣＶＤ装置は、その外周に電気炉などのヒータ２１を備えた密閉反応容器２０と、トリメチルガリウムなどの有機液体ガリウム２２をＨ２やＮ２などのキャリアガスで前記密閉反応容器２０に導入する系２３と、ＮＨ３などのＮ源ガスを密閉反応容器２０に導入する系２４と、密閉反応容器２０内に配置される基板支持台２５と、排ガスの排気系２６とで構成される。
上記基板支持台２５上には、表面に結晶を成長させる基板２７が置かれる。結晶作成に際しては、基板２７を目的とする結晶生成反応が起こる所望の温度になるようヒータ２１で調整する。キャリアガスおよびＮ源ガスをそれぞれ系２３、系２４を通して所望する流量で密閉反応容器２０内に流すことにより、基板２７上に目的とする結晶２８が成長する。
【０００４】
一方、図５に示すＨＶＰＥ装置は、その外周に電気炉などのヒータ２１を備えた密閉反応容器２０と、Ｎ２などのキャリアガスにＧａ金属と反応してＧａ源ガスＧａＣｌを生成するＨＣｌガスを混合した混合ガスを密閉反応容器２０内に導入する系３１と、ＮＨ３などのＮ源ガスを密閉反応容器２０に導入する系３２と、密閉反応容器２０内に配置される基板支持台３３と、排ガスの排気系３４とで構成される。混合ガスを導入する系３１が接続されている密閉反応容器２０の内部部分には原料搭載部３５が設けられ、この部分にＧａ金属３６が配置される。基板支持台３３上には表面に結晶を成長させる基板３７が置かれる。前記混合ガスとＮ源ガスとを系３１、３２を通して密閉反応容器２０内に導入するとともに基板３７が目的とする結晶生成反応が起こる所望の温度になるようヒータ２１で調整する。するとＧａ金属３６が反応してＧａ源ガスＧａＣｌが生成され、さらにＧａ源ガスＧａＣｌとＮ源ガスとの反応によって基板３７上に目的とする結晶３８が成長する。
【０００５】
また、Ｇａ２Ｏ３を出発原料として、ＮＨ３ガスを直接反応させてＧａＮを得るＧａＮ生成法が特許文献１に提案されている。しかし、この方法は、ＧａＮの形状が出発原料であるＧａ２Ｏ３の形状、形態によって決まり、気相結晶成長法のように条件によりさまざまな形状の結晶を作成することはできないという欠点がある。
さらに近年、所定比のＧａ２Ｏ３粉末とグラファイトの混合物を加熱することでＧａ２Ｏガスを得て、このガスとＮＨ３ガスとを反応させることで基板上にＧａＮ単結晶が得られるという報告がある（非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２９７１３号公報
【非特許文献１】日本セラミックス協会年会／２００３年３月、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、第２６３巻（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥに関する製法および装置は以上のように構成されているので、Ｇａ源ガスの供給量の調整が難しいという問題がある。すなわちＭＯＣＶＤ法では有機液体ガリウムの蒸気圧に基づき、温度やキャリアガスの流量などを制御しなければならない。またＨＶＰＥ法では気−固相反応を用いてＧａ源ガスを生成するため、所望の流量のＧａ源ガスを安定して供給するためには、金属Ｇａ搭載部の温度やキャリアガスとＨＣｌガスの混合比や混合ガスの総流量などを十分に制御する必要がある。特に温度に関しては、金属から原料ガスを生成する反応を起こす最適温度と結晶生成反応の最適温度とが大きい異なる場合にはその制御が大変困難になる。またＭＯＣＶＤ法においては有機液体金属は大変高価で有毒であることも問題である。
【０００７】
一方、Ｇａ２Ｏ３粉末とグラファイトからＧａ２Ｏガスを得て、ＮＨ３ガスと反応させてＧａＮを得る方法は、出発原料のＧａ２Ｏ３粉末および還元剤として働くグラファイトが有機液体ガリウムと比べてはるかに安価であるという利点を有している。しかし、Ｇａ２Ｏガスを得る反応と、Ｇａ２ＯガスとＮＨ３ガスとからＧａＮを得る反応の両方を的確に制御することが難しく、特にＧａ２Ｏガスを安定して供給することが難しく、所望とする結晶を得るのが大変困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、出発原料が比較的安価な固体材料を用いて原料ガスを安定して供給し、所望とする結晶を効率よく作成することが可能な気相結晶作成装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明の気相結晶作成装置のうち、請求項１記載の発明は、酸化物原料と還元材との反応によって原料ガスを生成する還元反応部と、前記で生成された原料ガスと他の原料ガスとを反応させて結晶を生成し成長させる結晶成長反応部と、前記還元反応部および結晶成長反応部を内部に備える密閉反応容器とを備え、前記還元反応部と前記結晶成長反応部とは、それぞれ独立して雰囲気温度が調整可能とされていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１記載の発明において、前記他の原料ガスが、前記密閉容器外部から供給されるものであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記還元反応部は、２以上の原料ガスを生成するものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部を２以上備え、各還元反応部には、異なる酸化物原料を用いて異なる原料ガスを生成するものを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部を加熱する加熱手段と、前記結晶成長反応部を加熱する加熱手段とを備え、各加熱手段はそれぞれ独立して加熱温度を制御可能であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部を加熱する加熱手段は、２以上の還元反応部のうち一部または全部に対し独立して加熱温度を制御可能であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部で生成された原料ガスを前記結晶成長反応部に移送するキャリアガスを、該還元反応部に導入するキャリアガス導入手段を備えており、該キャリアガス導入手段は、キャリアガスの流量を調整するキャリアガス流量調整手段を有していることを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部を加熱する加熱手段とキャリアガス流量調整手段とを制御して、前記結晶成長反応部に対する原料ガス供給量を調整する原料ガス供給量制御手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項８記載の発明において、前記原料ガス供給量に応じて前記結晶成長反応部の加熱温度を制御可能としたことを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の発明において、前記還元反応部の少なくとも一つはＧａ系酸化物を前記原料酸化物としてＧａ２Ｏガスを生成し、前記結晶成長反応部は少なくとも前記Ｇａ２ＯガスとＮ源ガスとを原料ガスとしてＧａＮ系結晶を生成するものであることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１記載の気相結晶作成装置の発明は、請求項１０記載の発明において、前記Ｇａ系酸化物がＧａ２Ｏ３であり、前記Ｎ源ガスがＮＨ３ガスであることを特徴とする。
【００２０】
すなわち、本発明によれば、還元反応部において独自に制御された温度で酸化物原料が還元材によって還元され、所望の原料ガスを所望の量で得ることができる。この原料ガスは、結晶成長反応部において独自に制御された温度で他の原料ガスと反応をして所望の結晶が生成され効率よく成長する。
【００２１】
還元反応部は、複数を備えるものであっても良く、それらの一部または全部では、異なる酸化物原料を用いて異なる原料ガスを生成するものであってもよい。この場合、異なる酸化物原料を用いて異なる原料ガスを生成する還元反応部では、必要に応じて他の還元反応部と独立して雰囲気温度が調整可能とされているものであってもよい。また、各還元反応部は全て独立して雰囲気温度が調整可能とされているものであってもよい。
上記酸化物原料としては、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３などが挙げられる。 該酸化物原料から生成される原料ガスとしては、Ｇａ２Ｏ３から生成されるＧａ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３から生成されるＩｎ２Ｏなどが挙げられる
また、還元材は原料酸化物とともに還元反応部に配置されるものであり、グラファイトなどの非金属や非金属のかわりにＧａ２Ｏ３に対するＩｎ、Ｉｎ２Ｏ３に対するＧａなどの金属を用いることができる。通常は固体として提供される。これら還元材によって酸化物原料が還元されて原料ガスが生成される。また、還元材が部分酸化されることにより生成されるガスを原料ガスの一部として含むものであっても良い。
また、上記還元反応によって得られる原料ガス以外の他の原料ガスとしては、Ｎ源ガス、Ａｓ源ガス、Ｐ源ガスなどが挙げられる。Ｎ源ガスとしては、ＮＨ３など、Ａｓ源ガスとしてはＡｓＨ５など、Ｐ源ガスとしてはＰＨ５などが挙げられる。
なお、酸化物原料とグラファイトとの反応によって得られる原料ガスは、キャリアガスによって結晶成長反応部に移送することができる。キャリアガスとしてはＮ２などを挙げることができる。
【００２２】
上記還元反応部を加熱する手段および結晶成長反応部を加熱する手段には、ヒータなどの既知のものを用いることができ、本発明としては、それぞれ独立して加熱温度の調整が可能であれば特定のものに限定されるものではない。
なお、上記各反応部の雰囲気温度調整は、予め設定した温度となるように定温制御するものであってもよく、また、還元反応による原料ガスの発生量が一定にするなどのフィードバック制御によって温度調整を行うなどの変温制御を行うものであってもよい。また、結晶成長の段階によって各反応部の雰囲気温度の調整を行うようにしてもよい。すなわち、本発明の装置では、これらの種々の要請に容易に応えて所望の結晶を容易に得ることができる。
【００２３】
また、還元反応によって生成される原料ガスを移送するためのキャリアガスの流量を調整する手段を設けることもできる。該手段としては流量制御弁などを用いることができる。
上記した還元反応部における温度調整と、キャリアガス流量調整とによって結晶成長反応部に移送する上記原料ガスの流量を調整することができ、還元反応による原料ガスの供給をより的確に行うことができる。
上記した各加熱手段の加熱制御や、キャリアガス流量調整手段の流量調整は、制御部によって行うことができ、該制御部は例えばＣＰＵとこれを制御するプログラムとにより構成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明の気相結晶作成装置によれば、酸化物原料と還元材との反応によって原料ガスを生成する還元反応部と、前記で生成された原料ガスと他の原料ガスとを反応させて結晶を生成し成長させる結晶成長反応部と、前記還元反応部および結晶成長反応部を内部に備える密閉反応容器とを備え、前記還元反応部と前記結晶成長反応部とは、それぞれ独立して雰囲気温度が調整可能とされているので、還元反応部で還元反応による原料ガスの供給が的確に行われ、原料ガスを安価にかつ安定して供給できる。そして、結晶成長反応部では所望の結晶が効率よく成長する。例えば異なる速度で原料ガスを供給して、針状、羽毛状、板状、膜状の所望の形態の結晶を効率よく成長させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
気相結晶作成装置は、筒型の密閉反応容器１を有しており、該密閉容器１は、小径部１ａと大径部１ｂとが軸方向に連なった形状を有し、前記小径部１ａ内に還元反応部、大径部１ｂ内に結晶成長反応部が設けられている。上記小径部１ａの外周部には、小径部１ａ内を加熱する電気炉などのヒータ２ａが配置され、上記大径部１ｂの外周部には、大径部１ｂ内を加熱するヒータ２ｂが配置されている。
該密閉反応容器１の小径部１ａ側の端部に、キャリアガス導入管３が接続され、大径部１ｂ側の端部にＮ源ガス導入管４が接続されている。これら導入管３、４には、それぞれ流量調整弁３ａ、４ａが介設されている。
【００２６】
上記キャリアガス導入管３が接続されている密閉反応容器１の内部には、キャリアガス導入管３に連通するガス流路５が設けられており、該ガス流路５は、小径部１ａが大径部１ｂに連なる位置にまで伸長している。また、該ガス流路５の中途の底部には、凹部形状とされた原料載置部６が設けられている。ガス流路５内の原料載置部６周辺が還元反応部に割り当てられる。
また、Ｎ源ガス導入管４が接続されている密閉反応容器１の内部には、Ｎ源ガス導入管４に連通するＮ源ガス流路７が設けられており、該Ｎ源ガス流路７は、大径部１ｂ内に伸長している。上記構成により、ガス流路５の端部とＮ源ガス流路７の端部とが略対向している。また、Ｎ源ガス導入管４が接続されている大径部１ｂの一端には、反応済みガスが排出される排ガス管８が接続されている。
【００２７】
大径部１ｂ内部には、基板支持台１０が設置されており、該基板支持台１０の周辺が結晶成長反応部となる。また、この気相結晶作成装置では、装置を制御する制御部１２を有しており、該制御部１２によって前記したヒータ２ａ、２ｂや流量調整弁３ａが制御されている。
【００２８】
次に、上記気相結晶作成装置の動作について説明する。
この実施形態の目標結晶はＧａＮであり、以下、該結晶を得るための動作について説明する。
原料搭載部６に、原料酸化物としてのＧａ２Ｏ３と還元材としてのグラファイトとが所定比からなる混合物１５を配置する。一方、基板支持台１０上には表面に結晶を成長させる基板１７を設置する。なお、基板１７の材質は特に限定されるものではなく、目的の結晶を成長させるのに最適な材質や結晶面をもてばよい。また基板の代わりに種結晶を置くことで種結晶の成長装置として使用することもできる。
ヒータ２ａ、２ｂは還元反応部（原料搭載部６周辺）と結晶成長反応部（基板１７周辺）が各々所望の温度になるように、制御部１２によって制御、動作させる。
原料搭載部６では、好適には９５０℃で加熱されて、Ｇａ２Ｏ３がグラファイトに還元され、原料ガスとしてＧａ源ガスＧａ２Ｏが発生する。この際に、制御部１２によって流量調整弁３ａが制御され、流量が調整されたキャリアガス（Ｎ２ガス）が、キャリアガス導入路３を通してガス流路５に導入され、上記で生成されたＧａ２Ｏガスが所望の供給量で結晶成長反応部へと移送される。
【００２９】
一方、Ｎ源ガス導入管４およびＮ源ガス流路７を通してＮ源ガスとしてＮＨ３ガスが結晶成長反応部に導入される。キャリアガスおよびＮ源ガスを所望する流量で流すことにより、それぞれのガスが交流して反応し基板１７上に目的とする結晶１８が成長する。
【００３０】
Ｇａ源ガスＧａ２ＯはＧａ２Ｏ３とグラファイトとの混合比および原料搭載部６の温度で定まる発生速度で安定して発生する。例えばＧａ２Ｏ３とグラファイトとの比が１:２０の混合物を９５０℃で保持したときの混合物の重量減少変化の様子を図２に示す。長時間にわたり一定の割合で重量変化している、すなわちＧａ２Ｏ３が還元されＧａ２Ｏが一定の速度で発生していることがわかる。密閉反応容器１内へのＧａ源ガスＧａ２Ｏ供給量はこのような発生速度とキャリアガスの流量とを調整することで容易に定められる。該調整は、上記したように制御部１２を通して容易に行うことができる。すなわち、制御部１２は、本発明の原料ガス供給量制御手段としても機能する。
また、結晶成長反応部では、供給される原料ガスの流量などに従って適切な温度（例えば８００〜１２００℃、好適には１１００℃）で加熱することで所望の結晶を効率的に生成・生長させることができる。該温度の調整も制御部１２を通して容易に行うことができる。
【００３１】
なお、それぞれが独立に温度制御されるヒータの個数は原料搭載部加熱用と基板加熱用の２つに限定されない。還元反応と結晶成長反応との各々の最適温度が大きく異なる場合にその間をある温度に制御するなど３ヶ所以上の温度制御が必要となる場合がある。
また、この実施形態では、キャリアガスを密閉反応容器１に導入する系とＮ源ガスを密閉反応容器１に導入する系とが密閉反応容器１の反対側から平行に配置されている構成を示したが、それぞれが密閉反応容器の同一側にあるものであってもよい。本発明では、単結晶や多結晶、薄膜状や柱状といった目的の結晶を得るのに最適な気流が生じるようこれらを配置すればよく、特定の配置方法に限定されない。
【００３２】
また、この実施形態では、２元系であるＧａＮを例としているが、ＧａＸＩｎ１−ＸＮなど３元系以上の多元系を目的の結晶とする場合には、反応の温度に差がなく原料ガスの制御が可能ならば、複数の酸化物をグラファイトと混合する。また温度が異なり、複数を混合することでは安定して原料ガスを供給できない場合には、還元反応部を複数にしたり、原料ガスを導入する系を複数にするといった構成にし、さらに上述したように必要に応じた箇所の温度制御を行う。
また、ここではＧａＮを例に挙げて説明したが、本装置で生成される結晶はＧａＮにかぎらない。すなわち以下の反応式(１)および反応式(２)が成り立つ元素ならばよい
ＡＸＯｙ ＋ グラファイト → ＡｚＯ ＋ ＣＯ ・・・ （１）
ＡｚＯ ＋ ＢＨｖ → ＡＢ ＋ Ｈ２ ・・・ （２）
例えばＩｎＮ、ＧａｘＩｎ1-ｘＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどである。また、ＧａＮ以外の結晶は、上記のように３元系以上からなるものであってもよい。
【００３３】
（実施形態２）
次に、他の実施形態を説明する。この実施形態は、３元系の結晶を作成するための装置を示すものである。なお、この実施形態で、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
この実施形態では、密閉反応容器１００は三又の筒形状からなり、２つの小径部１００ａ、１１０ａと大径部１ｂとで構成されている。前記小径部１００ａ、１１０ａには、それぞれ異なる原料酸化物によって異なる原料ガスを生成する還元反応部が設けられ、大径部１ｂ内に結晶成長反応部が設けられている。上記小径部１００ａの外周部に、小径部１００ａ内を加熱する電気炉などのヒータ２００ａが配置され、小径部１１０ａの外周部に、小径部１１０ａ内を加熱するヒータ２１０ａが配置され、上記大径部１ｂの外周部には、大径部１ｂ内を加熱するヒータ２ｂが配置されている。
該密閉反応容器１００の小径部１００ａ側の端部に、キャリアガス導入管３００が接続され、小径部１１０ａ側の端部に、キャリアガス導入管３１０が接続され、大径部１ｂ側の端部にＮ源ガス導入管４が接続されている。これら導入管３００、３１０、４には、それぞれ流量調整弁３００ａ、３１０ａ、４ａが介設されている。
【００３４】
上記キャリアガス導入管３００が接続されている小径部１００ａの内部に、キャリアガス導入管３００に連通するガス流路５００が設けられており、該ガス流路５００は、大径部１ｂに連続する端部にまで伸長している。また、該ガス流路５００の中途の底部には、凹部形状とされた原料載置部６００が設けられている。ガス流路５００内の原料載置部６００周辺が還元反応部に割り当てられる。
また同じくキャリアガス導入管３１０が接続されている小径部１１０ａの内部にも同様にガス流路５１０が設けられ、該ガス流路５１０の中途の底部に、凹部形状とされた原料載置部６１０が設けられている。ガス流路５１０内の原料載置部６１０周辺が還元反応部に割り当てられる。
【００３５】
大径部１ｂ内部では、前記実施形態１と同様に基板支持台１０が設置され、該基板支持台１０の周辺が結晶成長反応部となっている。
また、この気相結晶作成装置では、装置を制御する制御部１２を有しており、該制御部１２によって前記したヒータ２００ａ、２１０ａ、２ｂ、流量調整弁３００ａ、３１０ａが制御されている。
【００３６】
次に、上記気相結晶作成装置の動作について説明する。
この実施形態の目標結晶はＧａＩｎＮであり、以下、該結晶を得るための動作について説明する。
原料搭載部６００に、原料酸化物としての所定比のＧａ２Ｏ３とグラファイトの混合物１５を配置し、 原料搭載部６１０に、原料酸化物としての所定比のＩｎ２Ｏ３とグラファイトの混合物１６を配置する。一方、基板支持台１０上には表面に結晶を成長させる基板１７を設置する。
ヒーター２００ａ、２１０ａ、２ｂは還元反応部（原料搭載部６００、６１０周辺）と結晶成長反応部（基板１７周辺）が各々所望の温度になるように、制御部１２によって制御、動作させる。
原料搭載部６００では、Ｇａ２Ｏ３がグラファイトに還元されて、原料ガスとしてＧａ源ガスＧａ２Ｏが発生する。この際に、制御部１２によって流量調整弁３００ａが制御されたキャリアガス導入路３００を通してガス流路５００にキャリアガスとしてＮ２ガスが導入され、上記で生成されたＧａ２Ｏガスが所望の供給量で結晶成長反応部へと移送される。また、 原料搭載部６１０では、Ｉｎ２Ｏ３がグラファイトに還元されて、原料ガスとしてＩｎ２Ｏが発生する。この際に、制御部１２によって流量調整弁３１０ａが制御されたキャリアガス導入路３１０を通してガス流路５１０にキャリアガスとしてＮ２ガスが導入され、上記で生成されたＩｎ２Ｏガスが所望の供給量で結晶成長反応部へと移送される。
【００３７】
結晶成長反応部にはＮ源ガスとしてのＮＨ３ガスが導入される。キャリアガスおよびＮ源ガスを所望する流量で流すことにより、基板１７上に目的とする結晶１８が成長する。Ｇａ源ガスＧａ２ＯはＧａ２Ｏ３とグラファイトとの混合比および原料搭載部６００の温度で定まる発生速度で安定して発生し、Ｉｎ源ガスＩｎ２ＯはＩｎ２Ｏ３とグラファイトとの混合比および原料搭載部６１０の温度で定まる発生速度で安定して発生する。
密閉反応容器１００内への還元反応によるこれらの原料ガス供給量は上記発生速度とキャリアガスの流量とを調整することで容易に定められる。該調整は、上記したように制御部１２を通して容易に行うことができる。
また、結晶成長反応部では、供給される原料ガスの流量などに従って適切な温度で加熱することで所望の結晶を効率的に生成・生長する。
【００３８】
以上本発明について上記実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態の説明に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の気相結晶作成装置の概略正面断面図である。
【図２】同じく、還元反応による原料酸化物の経時的な重量変化を示すグラフである。
【図３】本発明の他の実施形態の気相結晶作成装置の概略平面断面図である。
【図４】従来のＭＯＣＶＤ装置の概略を示す正面断面図である。
【図５】同じく、従来のＨＶＰＥ装置の概略を示す正面断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１、１００ 密閉反応容器
１ａ、１００ａ、１１０ａ 小径部
１ｂ 大径部
２ａ、２００ａ、２１０ａ、２ｂ ヒータ
３、３００ａ、３１０ａ キャリアガス導入管
４、４００ａ、４１０ａ Ｎ源ガス導入管
５、５００ａ、５１０ａ ガス流路
１７ 基板
１８ 結晶
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物原料と還元材との反応によって原料ガスを生成する還元反応部と、前記で生成された原料ガスと他の原料ガスとを反応させて結晶を生成し成長させる結晶成長反応部と、前記還元反応部および結晶成長反応部を内部に備える密閉反応容器とを備え、前記還元反応部と前記結晶成長反応部とは、それぞれ独立して雰囲気温度が調整可能とされていることを特徴とする気相結晶作成装置。
【請求項２】
前記他の原料ガスが、前記密閉容器外部から供給されるものであることを特徴とする請求項１記載の気相結晶作成装置。
【請求項３】
前記還元反応部は、２以上の原料ガスを生成するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の気相結晶作成装置。
【請求項４】
前記還元反応部を２以上備え、各還元反応部には、異なる酸化物原料を用いて異なる原料ガスを生成するものを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項５】
前記還元反応部を加熱する加熱手段と、前記結晶成長反応部を加熱する加熱手段とを備え、各加熱手段はそれぞれ独立して加熱温度を制御可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項６】
前記還元反応部を加熱する加熱手段は、２以上の還元反応部のうち一部または全部に対し独立して加熱温度を制御可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項７】
前記還元反応部で生成された原料ガスを前記結晶成長反応部に移送するキャリアガスを、該還元反応部に導入するキャリアガス導入手段を備えており、該キャリアガス導入手段は、キャリアガスの流量を調整するキャリアガス流量調整手段を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項８】
前記還元反応部を加熱する加熱手段とキャリアガス流量調整手段とを制御して、前記結晶成長反応部に対する原料ガス供給量を調整する原料ガス供給量制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項９】
前記原料ガス供給量に応じて前記結晶成長反応部の加熱温度を制御可能としたことを特徴とする請求項８記載の気相結晶作成装置。
【請求項１０】
前記還元反応部の少なくとも一つはＧａ系酸化物を前記原料酸化物としてＧａ２Ｏガスを生成し、前記結晶成長反応部は少なくとも前記Ｇａ２ＯガスとＮ源ガスとを原料ガスとしてＧａＮ系結晶を生成するものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項１１】
前記Ｇａ系酸化物がＧａ２Ｏ３であり、前記Ｎ源ガスがＮＨ３ガスであることを特徴とする請求項１０記載の気相結晶作成装置。
【請求項１】
酸化物原料と還元材との反応によって原料ガスを生成する還元反応部と、前記で生成された原料ガスと他の原料ガスとを反応させて結晶を生成し成長させる結晶成長反応部と、前記還元反応部および結晶成長反応部を内部に備える密閉反応容器とを備え、前記還元反応部と前記結晶成長反応部とは、それぞれ独立して雰囲気温度が調整可能とされていることを特徴とする気相結晶作成装置。
【請求項２】
前記他の原料ガスが、前記密閉容器外部から供給されるものであることを特徴とする請求項１記載の気相結晶作成装置。
【請求項３】
前記還元反応部は、２以上の原料ガスを生成するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の気相結晶作成装置。
【請求項４】
前記還元反応部を２以上備え、各還元反応部には、異なる酸化物原料を用いて異なる原料ガスを生成するものを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項５】
前記還元反応部を加熱する加熱手段と、前記結晶成長反応部を加熱する加熱手段とを備え、各加熱手段はそれぞれ独立して加熱温度を制御可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項６】
前記還元反応部を加熱する加熱手段は、２以上の還元反応部のうち一部または全部に対し独立して加熱温度を制御可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項７】
前記還元反応部で生成された原料ガスを前記結晶成長反応部に移送するキャリアガスを、該還元反応部に導入するキャリアガス導入手段を備えており、該キャリアガス導入手段は、キャリアガスの流量を調整するキャリアガス流量調整手段を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項８】
前記還元反応部を加熱する加熱手段とキャリアガス流量調整手段とを制御して、前記結晶成長反応部に対する原料ガス供給量を調整する原料ガス供給量制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項９】
前記原料ガス供給量に応じて前記結晶成長反応部の加熱温度を制御可能としたことを特徴とする請求項８記載の気相結晶作成装置。
【請求項１０】
前記還元反応部の少なくとも一つはＧａ系酸化物を前記原料酸化物としてＧａ２Ｏガスを生成し、前記結晶成長反応部は少なくとも前記Ｇａ２ＯガスとＮ源ガスとを原料ガスとしてＧａＮ系結晶を生成するものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の気相結晶作成装置。
【請求項１１】
前記Ｇａ系酸化物がＧａ２Ｏ３であり、前記Ｎ源ガスがＮＨ３ガスであることを特徴とする請求項１０記載の気相結晶作成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−８９８１１（Ｐ２００６−８９８１１Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７７２７０（Ｐ２００４−２７７２７０）
【出願日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人 北海道大学 (971)
【出願人】（０００００４２１５）株式会社日本製鋼所 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人 北海道大学 (971)
【出願人】（０００００４２１５）株式会社日本製鋼所 (840)
【Ｆターム（参考）】
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