窒化物単結晶の製造方法
【課題】フラックス法により、基板上に生成する単結晶の膜厚を種結晶全面に対して均一化することが可能な窒化物単結晶の育成方法を提供する。
【解決手段】育成容器１の底壁部１０に、相対的に高温の高温部１０ｂと相対的に低温の低温部１０ａとを設け、融液２内に種結晶基板５を浸漬し、種結晶基板５が高温部１０ｂ上に位置するように固定した状態で育成を開始する。高温部１０ｂ付近から矢印６のように種結晶基板の育成面５ａ（あるいは５ｂ）に添って上昇流が生じ、次いで気液界面の近くでは育成容器の外側へと向かって流れ、次いで矢印８のように育成容器の内壁面に添って下降流が生じる。このように、整流でかつ効率よく対流させることができるため、気液界面付近で窒素を融液に溶解させた後に、その融液を育成容器の全体にすみやかに供給することができ、種結晶基板の育成面にステップフロー成長がおこり、品質の良い平滑な窒化物単結晶が形成される。
【解決手段】育成容器１の底壁部１０に、相対的に高温の高温部１０ｂと相対的に低温の低温部１０ａとを設け、融液２内に種結晶基板５を浸漬し、種結晶基板５が高温部１０ｂ上に位置するように固定した状態で育成を開始する。高温部１０ｂ付近から矢印６のように種結晶基板の育成面５ａ（あるいは５ｂ）に添って上昇流が生じ、次いで気液界面の近くでは育成容器の外側へと向かって流れ、次いで矢印８のように育成容器の内壁面に添って下降流が生じる。このように、整流でかつ効率よく対流させることができるため、気液界面付近で窒素を融液に溶解させた後に、その融液を育成容器の全体にすみやかに供給することができ、種結晶基板の育成面にステップフロー成長がおこり、品質の良い平滑な窒化物単結晶が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系III-V窒化物は、優れた青色発光素子として注目を集めており、発光ダイオードや半導体レーザーダイオード用材料として実用化されている。特許文献１記載の方法では、フラックス法によってIII族窒化物単結晶を育成している。すなわち、均一に加熱したフラックス中に種結晶基板を配置し、単結晶を育成している。
【特許文献１】ＷＯ２００６−０３０７１８ Ａ１
【０００３】
原料ガスと接する気液界面から原料液内部に向かう流れが生じるように、装置を揺動及び、坩堝内に撹拌羽根の設置を行なう等の手法を組み合わせて、窒化物半導体を育成する方法が開示されている（特許文献２）。
【特許文献２】特開２００５−２６３６２２
【０００４】
また、特許文献３、４記載の方法では、坩堝（育成容器）の底部に低温部を設け、坩堝底部上に種結晶基板を固定し、種結晶基板の周辺を低温にすることによって、固液界面近傍の過飽和度を上げて結晶の成長を促進する。
【特許文献３】ＷＯ９６／１５２９７
【特許文献４】特許第３０８７０６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願人は、特許文献５、６において、坩堝内の融液に種結晶基板を垂直方向に浸漬し、フラックス法によって種結晶基板の表面に窒化物単結晶を成長させることを開示した。
【特許文献５】特願２００７−０８１４７６
【特許文献６】ＰＣＴ／２００７／０５３８５３
【０００６】
特許文献５、６では、坩堝内の融液の下部を高温にすることにより、上方へと向かう熱対流を発生させ、融液の攪拌を行っている。しかし、坩堝内に種結晶基板を固定することにより、種結晶基板が一種の邪魔板となってしまい、種結晶基板表面上での融液対流が未だ不十分な領域のあることが分かった。このため、基板上で横方向成長して平滑な表面を保ちつつ成長している箇所が限定されていた。
【０００７】
本発明の課題は、フラックス法によって窒化物単結晶を育成するのに際して、種結晶基板全面の表面近傍での融液の対流を促進し、品質の良い平滑な単結晶を生成させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る製造方法は、育成容器内でフラックスおよび単結晶原料を含む融液に種結晶基板を浸漬し、育成容器の底壁部に高温部と低温部とを設け、高温部上に種結晶基板を固定し、種結晶基板の育成面上に窒化物単結晶を育成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明者は、育成容器内の融液の底部を加熱する場合の融液の流れを種々検討した。育成容器の底部から加熱を行った場合には、融液の底部から上部へと向かって熱対流が生じ、融液が攪拌される。しかし、底部にある無秩序な起点から融液が熱対流によって、上へと向かって上昇するので、その流れは複雑となる。このため、融液と種結晶基板との接触は乱雑になり、単結晶膜が再現よく層状かつ規則的に成長しにくいと考えられる。この結果、得られた単結晶膜に膜厚不均一や欠陥が生じやすくなったものと考えられた。
【００１０】
本発明者は、この知見に基づき、図１（ａ）、（ｂ）に模式的に示すように、育成容器１の底壁部１０に、相対的に高温の高温部１０ｂと相対的に低温の低温部１０ａとの両方を生じさせた。そして、融液２内に種結晶基板５を浸漬する際に、種結晶基板５が高温部１０ｂ上に位置するように固定した。
【００１１】
これによって、高温部１０ｂ付近から矢印６のように種結晶基板の育成面５ａ（あるいは５ｂ）に添って上昇流が生じ、次いで気液界面の近くでは育成容器の外側へと向かって流れ、次いで矢印８のように育成容器の内壁面に添って下降流が生ずる。この場合、上下に温度勾配を設けたのみの場合と比べて、基板表面上の流れの方向が定まっており、整流になりやすい。しかも、効率よく対流させることができるため、気液界面付近で窒素を融液に溶解させた後に、その融液を育成容器の全体にすみやかに供給することができる。この結果として、種結晶基板の育成面にステップフロー成長がおこり、品質の良い平滑な窒化物単結晶を形成できることを見いだし、本発明に到達した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明においては、育成容器の底壁部に高温部と低温部とを設ける。底壁部の高温部の温度と低温部の温度とは、以下のようにして測定する。すなわち、育成容器１の底壁部１０に接触するように熱電対を設置し、この熱電対が示す温度を測定する。
【００１３】
育成容器の底壁部の高温部１０ｂにおける温度と低温部１０ａにおける温度との差は、本発明の効果という観点からは、3℃以上であることが好ましく、10℃以上であることが更に好ましい。また、この温度差が大きくなりすぎると、熱対流によって乱流が発生しやすくなり、窒化物単結晶の品質が低下する可能性があるので、50℃以下とすることが好ましく、30℃以下とすることが更に好ましい。
【００１４】
対流促進という観点からは、融液２の気液界面２ｂにおける温度と底壁部１０ｂにおける温度との差を0.5℃／ｃｍ以上とすることが更に好ましく、1℃／ｃｍ以上とすることが一層好ましい。また、上下方向の熱対流に起因する乱流の発生を抑制するという観点、かつ、気液界面の温度が低いことによる気液界面付近での雑晶発生を防止するという観点からは、融液２の気液界面２ａにおける温度と高温部１０ｂの温度との差は、10℃／ｃｍ以下とすることが好ましく、5℃／ｃｍ℃以下とすることが更に好ましい。
【００１５】
本発明において、育成容器の底壁部に相対的に高温な高温部を形成する方法は特に限定されない。例えば以下の方法を例示できる。
（１） 育成容器の下に支持板を設け、この支持板が高熱伝導部と低熱伝導部とを備えている。高熱伝導部上に高温部を設ける。
（２） 育成容器の下に支持板を設け、底壁部が肉厚部と肉薄部とを備えている。肉厚部上が高温部となる。
（３） 育成容器の下に熱制御板を設け、この熱制御板に貫通孔を形成する。貫通孔上に底壁部の高温部を設ける。
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態によって単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、種結晶基板５、支持板９、高温部９ｂ、低温部９ａの平面的な位置関係を示す模式図である。
【００１７】
本例では、育成容器の下に支持板を設け、この支持板が高熱伝導部と低熱伝導部とを備えている。本例では、育成容器１を柱状となっているが形は限定しない。例えば、円柱状である。育成容器１内に融液２が収容されており、融液２内に種結晶基板５が浸漬されている。育成容器１は、側壁部４と底壁部１０とからなる。底壁部１０の下には、支持板９が設置されており、底壁部１０と支持板９とは接触している。
【００１８】
支持板９の下の空間温度は、育成容器１の周辺温度よりも高くなっており、従って矢印Ｈのように熱が支持板９に向かって上昇してくる。ここで、支持板９には、高熱伝導部９ｂと低熱伝導部９ａとを設ける。高熱伝導部９ｂとは、支持板中で相対的に熱伝導率が高い材質からなる部分であり、低熱伝導部９ａとは、支持板中で相対的に熱伝導率が低い材質からなる部分である。この結果、低熱伝導部９ａ上には、底壁部９の低温部１０ａが位置し、高熱伝導部９ｂ上には、底壁部９の高温部１０ｂが位置する。
【００１９】
そして、高温部１０ｂ上に種結晶基板５を固定する。すると、高温部１０ｂから上方へと矢印６のように対流が生ずる。この流れは比較的整流である。そして、気液界面の付近を外側へと向かって流れ、側壁部４の近くを下方へと向かって矢印８のように下降する。
【００２０】
この場合、単純に上下に温度勾配を設けた場合と比べて、起点が決まるため、基板表面上の流れの方向が定まっており、整流になりやすい。しかも、効率よく対流させることができるため、気液界面付近で窒素を融液に溶解させた後に、その融液を育成容器の全体にすみやかに供給することができる。この結果として、種結晶基板の育成面においてステップ成長が起こりやすく、窒化物単結晶の広面積の膜厚を再現よく均一化しやすい。
【００２１】
本発明の観点からは、低熱伝導部９ａを構成する材質の熱伝導率と、高熱伝導部９ｂを構成する材質の熱伝導率との差は、１０W・ｍ−１・K−１以上とすることが好ましく、３０W・ｍ−１・K−１以上とすることが更に好ましい。また、低熱伝導部９ａを構成する材質の熱伝導率と、高熱伝導部９ｂを構成する材質の熱伝導率との差は、５００W・ｍ−１・K−１以下とすることが好ましく、３５０W・ｍ−１・K−１以下とすることが更に好ましい。
【００２２】
本発明においては、育成容器の底壁部の高温部上に種結晶基板を設置する。この際、種結晶基板の全体が高温部上空間Ｅ内に存在していることが好ましい。種結晶基板の全体が高温部上空間Ｅ内に存在していることは必須ではないが、種結晶基板の育成面の面積のうち３0％以上が空間Ｅ内に位置していることが好ましい。
【００２３】
図２は、他の実施形態において育成容器内で種結晶基板上に単結晶を育成している状態を模式的に示す斜視図であり、図３は、支持板９Ａ、育成容器２、高熱伝導部９ｂ、低熱伝導部９ａ、種結晶基板５の平面的位置関係を示す図である。
【００２４】
本例では、図１の例と同様に、育成容器１の下に支持板９Ａを設け、この支持板９Ａが高熱伝導部９ｂと低熱伝導部９ａとを備えている。育成容器１内に融液２が収容されており、融液２内に種結晶基板５が浸漬されている。育成容器１は、側壁部４と底壁部１０とからなる。底壁部１０の下には、支持板９Ａが設置されており、底壁部１０と支持板９Ａとは接触している。
【００２５】
支持板９Ａの下の空間温度は、育成容器１の周辺温度よりも高くなっており、熱が支持板９Ａに向かって上昇してくる。ここで、支持板９Ａには、高熱伝導部９ｂと低熱伝導部１０ａとを設ける。高熱伝導部９ｂとは、支持板中で相対的に熱伝導率が高い材質からなる部分であり、低熱伝導部９ａとは、支持板中で相対的に熱伝導率が低い材質からなる部分である。この結果、低熱伝導部９ａ上には、底壁部１０の低温部１０ａが位置し、高熱伝導部９ｂ上には、底壁部１０の高温部１０ｂが位置する。本例では、高熱伝導部９ｂが、支持板９Ａのほぼ対角線上に沿って延びている。
【００２６】
そして、高温部１０ｂ上に種結晶基板５を固定する。すると、高温部１０ｂから上方へと矢印６のように対流が生ずる。この流れは比較的整流である。そして、気液界面の付近を外側へと向かって流れ、側壁部４の近くを下方へと向かって矢印８のように流れる。
【００２７】
図４は、本発明の一実施形態によって単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。本例では、育成容器１Ａの下に支持板９Ｂを設け、底壁部１０が肉厚部１０ｂと肉薄部１０ａとを備えている。
【００２８】
育成容器１内に融液２が収容されており、融液２内に種結晶基板５が浸漬されている。育成容器１は、側壁部４と底壁部１０とからなる。底壁部１０の下には、支持板９Ｂが設置されており、底壁部１０と支持板９Ｂとは接触している。支持板９Ｂは本例では単一材料からなっていてよい。
【００２９】
支持板９Ｂの下の空間温度は、育成容器１の周辺温度よりも高くなっており、従って矢印Ｈのように熱が支持板９Ｂに向かって上昇してくる。ここで、底壁部１０の肉厚部１０ｂは支持板９Ｂに接触している。肉薄部１０ａは、支持板９Ｂに接触しておらず、両者の間には空隙１２が形成されている。支持板９Ｂの下から上昇してきた熱Ｈは、肉厚部１０ｂを優先的に熱伝導する。従って、肉厚部１０ｂは高温部となり、肉薄部１０ａは低温部となる。
【００３０】
そして、高温部１０ｂ上に種結晶基板５を固定する。すると、高温部１０ｂから上方へと不印６のように対流が生ずる。この流れは比較的整流である。そして、気液界面の付近を外側へと向かって流れ、側壁部４の近くを下方へと向かって矢印８のように流れる。
【００３１】
図５は、本発明の一実施形態によって単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。本例では、育成容器１の下に熱制御板９Ｃを設け、この熱制御板９Ｃに貫通孔１８を形成する。貫通孔１８上に底壁部１０の高温部１０ｂを設ける。
【００３２】
育成容器１内に融液２が収容されており、融液２内に種結晶基板５が浸漬されている。育成容器１は、側壁部４と底壁部１０とからなる。底壁部１０と熱制御板９Ｃとは、接触していてよく、接触していなくともよい。熱制御板９Ｃは本例では単一材料からなっていてよい。
【００３３】
熱制御板９Ｃの下の空間温度は、育成容器１の周辺温度よりも高くなっており、従って矢印Ｈのように熱が板９Ｃに向かって上昇してくる。ここで、貫通孔１８では熱が優先的に通過し、底壁部１０に向かって伝達されやすい。この結果、貫通孔１８上は高温部１０ｂとなり、その他は低温部１０ａとなる。
【００３４】
そして、高温部１０ｂ上に種結晶基板５を固定する。すると、高温部１０ｂから上方へと矢印６のように対流が生ずる。この流れは比較的整流である。そして、気液界面の付近を外側へと向かって流れ、側壁部４の近くを下方へと向かって矢印８のように流れる。
【００３５】
本発明では、図６に示すように、種結晶基板を傾斜させた状態で設置してもよい。好適な実施形態においては、融液の気液界面２ａと種結晶基板５の育成面５ａとがなす角度θを３０°以上、１５０°以下とする。好ましくは、θを６０°以上、１２０°以下とする。特に好ましくは、融液の気液界面と種結晶の成長面とをほぼ垂直とする。これによって、雑晶が一層単結晶に対して付着しにくくなる。
【００３６】
好適な実施形態においては、図７に模式的に示すように、複数の発熱体２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅ、２６Ｆ、２６Ｇを上下方向、水平方向に設置し、発熱体ごとに発熱量を独立して制御する。つまり、上下方向、水平方向へと向かって多ゾーン制御を行なう。各発熱体を発熱させ、気体タンク２１、圧力制御装置２２、配管２３を通して、雰囲気制御用容器１４内の育成容器１へと窒素含有雰囲気を流し、加熱および加圧すると、育成容器内で混合原料がすべて溶解し、融液を生成する。
【００３７】
本発明において、発熱体の材質は特に限定されないが、鉄-クロム-アルミ系、ニッケル-クロム系などの合金発熱体、白金、モリブデン、タンタル、タングステンなどの高融点金属発熱体、炭化珪素、モリブデンシリサイト、カーボンなどの非金属発熱体を例示できる。
【００３８】
本発明の単結晶育成装置において、原料混合物を加熱して融液を生成させるための装置は特に限定されない。この装置は熱間等方圧プレス装置が好ましいが、それ以外の雰囲気加圧型加熱炉であってもよい。
【００３９】
融液を生成するためのフラックスは特に限定されないが、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属またはその合金が好ましい。この金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムが例示でき、リチウム、ナトリウム、カルシウムが特に好ましく、ナトリウムが最も好ましい。
【００４０】
また、上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属と合金を形成する物質としては、以下の金属を例示できる。
ガリウム、アルミニウム、インジウム、ホウ素、亜鉛、ケイ素、錫、アンチモン、ビスマス。
【００４１】
本発明の育成方法によって、例えば以下の単結晶を好適に育成できる。
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、これらの混晶（ＡｌＧａＩｎＮ）、ＢＮ。
【００４２】
単結晶育成工程における加熱温度、圧力は、単結晶の種類によって選択するので特に限定されない。加熱温度は例えば８００〜１５００℃とすることができる。好ましくは８００〜１２００℃であり、更に好ましくは８００〜１１００℃である。圧力も特に限定されないが、圧力は１ＭＰａ以上であることが好ましく、２ＭＰａ以上であることが更に好ましい。圧力の上限は特に規定しないが、例えば２００ＭＰａ以下とすることができ、１００ＭＰａ以下が好ましい。
【００４３】
反応を行なうための育成容器の材質は特に限定されず、目的とする加熱および加圧条件において耐久性のある材料であればよい。こうした材料としては、金属タンタル、タングステン、モリブデンなどの高融点金属、アルミナ、サファイア、イットリアなどの酸化物、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ホウ素などの窒化物セラミックス、タングステンカーバイド、タンタルカーバイドなどの高融点金属の炭化物、ｐ−BN（パイロリティックBN）、ｐ−Gr（パイロリティックグラファイト）などの熱分解生成体が挙げられる。
【００４４】
以下、更に具体的な単結晶およびその育成手順について例示する。
（窒化ガリウム単結晶の育成例）
本発明を利用し、少なくともナトリウム金属を含むフラックスを使用して窒化ガリウム単結晶を育成できる。このフラックスには、ガリウム原料物質を溶解させる。ガリウム原料物質としては、ガリウム単体金属、ガリウム合金、ガリウム化合物を適用できるが、ガリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。
【００４５】
このフラックスには、ナトリウム以外の金属、例えばリチウムを含有させることができる。ガリウム原料物質とナトリウムなどのフラックス原料物質との使用割合は、適宜であってよいが、一般的には、ナトリウム過剰量を用いることが考慮される。もちろん、このことは限定的ではない。
【００４６】
この実施形態においては、窒素ガスを含む混合ガスからなる雰囲気下で、全圧１ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下の圧力下で窒化ガリウム単結晶を育成する。全圧を１ＭＰａ以上とすることによって、例えば８００℃以上の高温領域において、更に好ましくは９００℃以上の高温領域において、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。
【００４７】
好適な実施形態においては、育成時雰囲気中の窒素分圧を１ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下とする。この窒素分圧を１ＭＰａ以上とすることによって、例えば８００℃以上の高温領域において、フラックス中への窒素の溶解を促進し、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。この観点からは、雰囲気の窒素分圧を２ＭＰａ以上とすることが更に好ましい。また、窒素分圧は実用的には１００ＭＰａ以下とすることが好ましい。
【００４８】
雰囲気中の窒素以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。窒素以外のガスの分圧は、全圧から窒素ガス分圧を除いた値である。
好適な実施形態においては、窒化ガリウム単結晶の育成温度は、８００℃以上であり、８００℃以上とすることが好ましく、１０００℃以上とすることが更に好ましい。このような高温領域においても良質な窒化ガリウム単結晶が育成可能である。また、高温・高圧での育成により、生産性を向上させ得る可能性がある。
【００４９】
窒化ガリウム単結晶の育成温度の上限は特にないが、育成温度が高すぎると結晶が成長しにくくなるので、１５００℃以下とすることが好ましく、この観点からは、１２００℃以下とすることが更に好ましい。
【００５０】
窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させるための育成用基板の材質は限定されないが、サファイア、ＡｌＮテンプレート、ＧａＮテンプレート、シリコン単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＭｇＯ単結晶、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ2、ＬａＡｌＯ３，ＬａＧａＯ３，ＮｄＧａＯ３等のペロブスカイト型複合酸化物を例示できる。また組成式〔Ａ１−ｙ（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）ｙ〕〔（Ａｌ１−ｚＧａｚ）１−ｕ・Ｄｕ〕Ｏ３（Ａは、希土類元素である；Ｄは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である；ｙ＝０．３〜０．９８；ｘ＝０〜１；ｚ＝０〜１；ｕ＝０．１５〜０．４９；ｘ＋ｚ＝０．１〜２）の立方晶系のペロブスカイト構造複合酸化物も使用できる。また、SCAM（ScAlMgO４）も使用できる。
【００５１】
（ＡｌＮ単結晶の育成例）
本発明は、少なくともアルミニウムとアルカリ土類を含むフラックスを含む融液を特定の条件下で窒素含有雰囲気中で加圧することによって、ＡｌＮ単結晶を育成する場合にも有効であることが確認できた。
【実施例】
【００５２】
（予備実験）
図２、図３に示すような育成装置を作成し、図７に示すような装置内に設置した。育成容器の寸法は３５ｍｍ×４０ｍｍ×７０ｍｍとした。種結晶基板の寸法はφ２インチとした。育成容器内に水を収容し、トレーサーとしてのポリエステルを添加した。下部から育成容器を加熱することにより、水内に対流を発生させた。レーザー光を側壁から照射することによって対流を可視化させたところ、図２、図３に示すような所望の対流が観測された。
【００５３】
（実施例１）
図２、図３を参照しつつ説明した前記方法に従い、Naフラックス法によりＧａＮ単結晶を育成した。具体的には、金属Na74 ｇ、金属Ga50 ｇ、添加物として炭素１00mgを真空グローブボックス内で秤量し、内径幅16×奥行き55mm×高さ75mmのアルミナルツボ１に入れた。種結晶基板５として、直径２インチのＧａＮテンプレート基板を用い、ルツボの対角線上に略垂直〜水平から80度くらいの角度に立てかけた。ルツボ１を、図７に示す容器１４内に収容した。このとき、図２、３のように、高温部９ｂの材質を窒化アルミニウムセラミックスとし、低温部９ａの材質をアルミナセラミックスとした。窒化アルミニウムセラミックスの熱伝導率は150W・ｍ−１・K−１であり、アルミナセラミックスの熱伝導率は32W・ｍ−１・K−１である。
【００５４】
次いで、窒素ガスにて４．５ＭＰａに加圧し、炉内を８５０ ℃まで４５分で昇温し、８５０°Ｃで２００時間保持し結晶育成を行った。この期間中、容器の底部は８８０℃になるように、別系統のヒーターで加熱制御した。その後室温まで冷却した。エタノールにてフラックスを処理し、結晶を取り出したところ、種基板上に厚さ約１ｍｍのGaN結晶が成長していた。結晶の表面は種基板上で全面的に平滑であり、ステップが観察された。不純物帯発光が少なく、結晶の色はほぼ無色透明であった。
【００５５】
（比較例１）
実施例１と同様にＧａＮ単結晶を育成した。ただし、ルツボ１の下に支持板９Ａを設置しなかった。この結果、種結晶基板上に約1mmの結晶が成長したが、結晶の表面は平滑であったが、三次元成長している部分が所々に存在した。また、その部分では結晶は茶色〜黒色に着色しており、不純物帯発光も強く観察された。これは、種結晶基板５上での融液の対流が不十分であったことを示唆する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態において単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、種結晶基板５、支持板９、高熱伝導部９ｂおよび低熱伝導部９ａの平面的位置関係を模式的に示す図である。
【図２】他の実施形態において単結晶を育成している状態を模式的に示す斜視図である。
【図３】図２において、育成容器１、種結晶基板５、高熱伝導部９ｂおよび低熱伝導部９ａの平面的位置関係を模式的に示す図である。
【図４】更に他の実施形態において単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。
【図５】更に他の実施形態において単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。
【図６】種結晶を縦に置いたときの溶質対流を示す模式図である。
【図７】本発明で使用可能な育成装置の模式図である。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ 育成容器 ２ 融液 ２ａ 気液界面 ２ｂ 融液の底部 ４ 側壁部 ５ 種結晶基板 ５ａ 育成面 ６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ 高温部からの上昇流 ８ 下降流 ９、９Ａ，９Ｂ、９Ｃ 支持板 ９ａ 低熱伝導部 ９ｂ 高熱伝導部 １０ 底壁部 １０ａ 低温部 １０ｂ 高温部 １２ 空隙 Ｅ 高温部上の領域 Ｈ 熱の流れ θ 育成面と気液界面とがなす角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系III-V窒化物は、優れた青色発光素子として注目を集めており、発光ダイオードや半導体レーザーダイオード用材料として実用化されている。特許文献１記載の方法では、フラックス法によってIII族窒化物単結晶を育成している。すなわち、均一に加熱したフラックス中に種結晶基板を配置し、単結晶を育成している。
【特許文献１】ＷＯ２００６−０３０７１８ Ａ１
【０００３】
原料ガスと接する気液界面から原料液内部に向かう流れが生じるように、装置を揺動及び、坩堝内に撹拌羽根の設置を行なう等の手法を組み合わせて、窒化物半導体を育成する方法が開示されている（特許文献２）。
【特許文献２】特開２００５−２６３６２２
【０００４】
また、特許文献３、４記載の方法では、坩堝（育成容器）の底部に低温部を設け、坩堝底部上に種結晶基板を固定し、種結晶基板の周辺を低温にすることによって、固液界面近傍の過飽和度を上げて結晶の成長を促進する。
【特許文献３】ＷＯ９６／１５２９７
【特許文献４】特許第３０８７０６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願人は、特許文献５、６において、坩堝内の融液に種結晶基板を垂直方向に浸漬し、フラックス法によって種結晶基板の表面に窒化物単結晶を成長させることを開示した。
【特許文献５】特願２００７−０８１４７６
【特許文献６】ＰＣＴ／２００７／０５３８５３
【０００６】
特許文献５、６では、坩堝内の融液の下部を高温にすることにより、上方へと向かう熱対流を発生させ、融液の攪拌を行っている。しかし、坩堝内に種結晶基板を固定することにより、種結晶基板が一種の邪魔板となってしまい、種結晶基板表面上での融液対流が未だ不十分な領域のあることが分かった。このため、基板上で横方向成長して平滑な表面を保ちつつ成長している箇所が限定されていた。
【０００７】
本発明の課題は、フラックス法によって窒化物単結晶を育成するのに際して、種結晶基板全面の表面近傍での融液の対流を促進し、品質の良い平滑な単結晶を生成させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る製造方法は、育成容器内でフラックスおよび単結晶原料を含む融液に種結晶基板を浸漬し、育成容器の底壁部に高温部と低温部とを設け、高温部上に種結晶基板を固定し、種結晶基板の育成面上に窒化物単結晶を育成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明者は、育成容器内の融液の底部を加熱する場合の融液の流れを種々検討した。育成容器の底部から加熱を行った場合には、融液の底部から上部へと向かって熱対流が生じ、融液が攪拌される。しかし、底部にある無秩序な起点から融液が熱対流によって、上へと向かって上昇するので、その流れは複雑となる。このため、融液と種結晶基板との接触は乱雑になり、単結晶膜が再現よく層状かつ規則的に成長しにくいと考えられる。この結果、得られた単結晶膜に膜厚不均一や欠陥が生じやすくなったものと考えられた。
【００１０】
本発明者は、この知見に基づき、図１（ａ）、（ｂ）に模式的に示すように、育成容器１の底壁部１０に、相対的に高温の高温部１０ｂと相対的に低温の低温部１０ａとの両方を生じさせた。そして、融液２内に種結晶基板５を浸漬する際に、種結晶基板５が高温部１０ｂ上に位置するように固定した。
【００１１】
これによって、高温部１０ｂ付近から矢印６のように種結晶基板の育成面５ａ（あるいは５ｂ）に添って上昇流が生じ、次いで気液界面の近くでは育成容器の外側へと向かって流れ、次いで矢印８のように育成容器の内壁面に添って下降流が生ずる。この場合、上下に温度勾配を設けたのみの場合と比べて、基板表面上の流れの方向が定まっており、整流になりやすい。しかも、効率よく対流させることができるため、気液界面付近で窒素を融液に溶解させた後に、その融液を育成容器の全体にすみやかに供給することができる。この結果として、種結晶基板の育成面にステップフロー成長がおこり、品質の良い平滑な窒化物単結晶を形成できることを見いだし、本発明に到達した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明においては、育成容器の底壁部に高温部と低温部とを設ける。底壁部の高温部の温度と低温部の温度とは、以下のようにして測定する。すなわち、育成容器１の底壁部１０に接触するように熱電対を設置し、この熱電対が示す温度を測定する。
【００１３】
育成容器の底壁部の高温部１０ｂにおける温度と低温部１０ａにおける温度との差は、本発明の効果という観点からは、3℃以上であることが好ましく、10℃以上であることが更に好ましい。また、この温度差が大きくなりすぎると、熱対流によって乱流が発生しやすくなり、窒化物単結晶の品質が低下する可能性があるので、50℃以下とすることが好ましく、30℃以下とすることが更に好ましい。
【００１４】
対流促進という観点からは、融液２の気液界面２ｂにおける温度と底壁部１０ｂにおける温度との差を0.5℃／ｃｍ以上とすることが更に好ましく、1℃／ｃｍ以上とすることが一層好ましい。また、上下方向の熱対流に起因する乱流の発生を抑制するという観点、かつ、気液界面の温度が低いことによる気液界面付近での雑晶発生を防止するという観点からは、融液２の気液界面２ａにおける温度と高温部１０ｂの温度との差は、10℃／ｃｍ以下とすることが好ましく、5℃／ｃｍ℃以下とすることが更に好ましい。
【００１５】
本発明において、育成容器の底壁部に相対的に高温な高温部を形成する方法は特に限定されない。例えば以下の方法を例示できる。
（１） 育成容器の下に支持板を設け、この支持板が高熱伝導部と低熱伝導部とを備えている。高熱伝導部上に高温部を設ける。
（２） 育成容器の下に支持板を設け、底壁部が肉厚部と肉薄部とを備えている。肉厚部上が高温部となる。
（３） 育成容器の下に熱制御板を設け、この熱制御板に貫通孔を形成する。貫通孔上に底壁部の高温部を設ける。
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態によって単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、種結晶基板５、支持板９、高温部９ｂ、低温部９ａの平面的な位置関係を示す模式図である。
【００１７】
本例では、育成容器の下に支持板を設け、この支持板が高熱伝導部と低熱伝導部とを備えている。本例では、育成容器１を柱状となっているが形は限定しない。例えば、円柱状である。育成容器１内に融液２が収容されており、融液２内に種結晶基板５が浸漬されている。育成容器１は、側壁部４と底壁部１０とからなる。底壁部１０の下には、支持板９が設置されており、底壁部１０と支持板９とは接触している。
【００１８】
支持板９の下の空間温度は、育成容器１の周辺温度よりも高くなっており、従って矢印Ｈのように熱が支持板９に向かって上昇してくる。ここで、支持板９には、高熱伝導部９ｂと低熱伝導部９ａとを設ける。高熱伝導部９ｂとは、支持板中で相対的に熱伝導率が高い材質からなる部分であり、低熱伝導部９ａとは、支持板中で相対的に熱伝導率が低い材質からなる部分である。この結果、低熱伝導部９ａ上には、底壁部９の低温部１０ａが位置し、高熱伝導部９ｂ上には、底壁部９の高温部１０ｂが位置する。
【００１９】
そして、高温部１０ｂ上に種結晶基板５を固定する。すると、高温部１０ｂから上方へと矢印６のように対流が生ずる。この流れは比較的整流である。そして、気液界面の付近を外側へと向かって流れ、側壁部４の近くを下方へと向かって矢印８のように下降する。
【００２０】
この場合、単純に上下に温度勾配を設けた場合と比べて、起点が決まるため、基板表面上の流れの方向が定まっており、整流になりやすい。しかも、効率よく対流させることができるため、気液界面付近で窒素を融液に溶解させた後に、その融液を育成容器の全体にすみやかに供給することができる。この結果として、種結晶基板の育成面においてステップ成長が起こりやすく、窒化物単結晶の広面積の膜厚を再現よく均一化しやすい。
【００２１】
本発明の観点からは、低熱伝導部９ａを構成する材質の熱伝導率と、高熱伝導部９ｂを構成する材質の熱伝導率との差は、１０W・ｍ−１・K−１以上とすることが好ましく、３０W・ｍ−１・K−１以上とすることが更に好ましい。また、低熱伝導部９ａを構成する材質の熱伝導率と、高熱伝導部９ｂを構成する材質の熱伝導率との差は、５００W・ｍ−１・K−１以下とすることが好ましく、３５０W・ｍ−１・K−１以下とすることが更に好ましい。
【００２２】
本発明においては、育成容器の底壁部の高温部上に種結晶基板を設置する。この際、種結晶基板の全体が高温部上空間Ｅ内に存在していることが好ましい。種結晶基板の全体が高温部上空間Ｅ内に存在していることは必須ではないが、種結晶基板の育成面の面積のうち３0％以上が空間Ｅ内に位置していることが好ましい。
【００２３】
図２は、他の実施形態において育成容器内で種結晶基板上に単結晶を育成している状態を模式的に示す斜視図であり、図３は、支持板９Ａ、育成容器２、高熱伝導部９ｂ、低熱伝導部９ａ、種結晶基板５の平面的位置関係を示す図である。
【００２４】
本例では、図１の例と同様に、育成容器１の下に支持板９Ａを設け、この支持板９Ａが高熱伝導部９ｂと低熱伝導部９ａとを備えている。育成容器１内に融液２が収容されており、融液２内に種結晶基板５が浸漬されている。育成容器１は、側壁部４と底壁部１０とからなる。底壁部１０の下には、支持板９Ａが設置されており、底壁部１０と支持板９Ａとは接触している。
【００２５】
支持板９Ａの下の空間温度は、育成容器１の周辺温度よりも高くなっており、熱が支持板９Ａに向かって上昇してくる。ここで、支持板９Ａには、高熱伝導部９ｂと低熱伝導部１０ａとを設ける。高熱伝導部９ｂとは、支持板中で相対的に熱伝導率が高い材質からなる部分であり、低熱伝導部９ａとは、支持板中で相対的に熱伝導率が低い材質からなる部分である。この結果、低熱伝導部９ａ上には、底壁部１０の低温部１０ａが位置し、高熱伝導部９ｂ上には、底壁部１０の高温部１０ｂが位置する。本例では、高熱伝導部９ｂが、支持板９Ａのほぼ対角線上に沿って延びている。
【００２６】
そして、高温部１０ｂ上に種結晶基板５を固定する。すると、高温部１０ｂから上方へと矢印６のように対流が生ずる。この流れは比較的整流である。そして、気液界面の付近を外側へと向かって流れ、側壁部４の近くを下方へと向かって矢印８のように流れる。
【００２７】
図４は、本発明の一実施形態によって単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。本例では、育成容器１Ａの下に支持板９Ｂを設け、底壁部１０が肉厚部１０ｂと肉薄部１０ａとを備えている。
【００２８】
育成容器１内に融液２が収容されており、融液２内に種結晶基板５が浸漬されている。育成容器１は、側壁部４と底壁部１０とからなる。底壁部１０の下には、支持板９Ｂが設置されており、底壁部１０と支持板９Ｂとは接触している。支持板９Ｂは本例では単一材料からなっていてよい。
【００２９】
支持板９Ｂの下の空間温度は、育成容器１の周辺温度よりも高くなっており、従って矢印Ｈのように熱が支持板９Ｂに向かって上昇してくる。ここで、底壁部１０の肉厚部１０ｂは支持板９Ｂに接触している。肉薄部１０ａは、支持板９Ｂに接触しておらず、両者の間には空隙１２が形成されている。支持板９Ｂの下から上昇してきた熱Ｈは、肉厚部１０ｂを優先的に熱伝導する。従って、肉厚部１０ｂは高温部となり、肉薄部１０ａは低温部となる。
【００３０】
そして、高温部１０ｂ上に種結晶基板５を固定する。すると、高温部１０ｂから上方へと不印６のように対流が生ずる。この流れは比較的整流である。そして、気液界面の付近を外側へと向かって流れ、側壁部４の近くを下方へと向かって矢印８のように流れる。
【００３１】
図５は、本発明の一実施形態によって単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。本例では、育成容器１の下に熱制御板９Ｃを設け、この熱制御板９Ｃに貫通孔１８を形成する。貫通孔１８上に底壁部１０の高温部１０ｂを設ける。
【００３２】
育成容器１内に融液２が収容されており、融液２内に種結晶基板５が浸漬されている。育成容器１は、側壁部４と底壁部１０とからなる。底壁部１０と熱制御板９Ｃとは、接触していてよく、接触していなくともよい。熱制御板９Ｃは本例では単一材料からなっていてよい。
【００３３】
熱制御板９Ｃの下の空間温度は、育成容器１の周辺温度よりも高くなっており、従って矢印Ｈのように熱が板９Ｃに向かって上昇してくる。ここで、貫通孔１８では熱が優先的に通過し、底壁部１０に向かって伝達されやすい。この結果、貫通孔１８上は高温部１０ｂとなり、その他は低温部１０ａとなる。
【００３４】
そして、高温部１０ｂ上に種結晶基板５を固定する。すると、高温部１０ｂから上方へと矢印６のように対流が生ずる。この流れは比較的整流である。そして、気液界面の付近を外側へと向かって流れ、側壁部４の近くを下方へと向かって矢印８のように流れる。
【００３５】
本発明では、図６に示すように、種結晶基板を傾斜させた状態で設置してもよい。好適な実施形態においては、融液の気液界面２ａと種結晶基板５の育成面５ａとがなす角度θを３０°以上、１５０°以下とする。好ましくは、θを６０°以上、１２０°以下とする。特に好ましくは、融液の気液界面と種結晶の成長面とをほぼ垂直とする。これによって、雑晶が一層単結晶に対して付着しにくくなる。
【００３６】
好適な実施形態においては、図７に模式的に示すように、複数の発熱体２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅ、２６Ｆ、２６Ｇを上下方向、水平方向に設置し、発熱体ごとに発熱量を独立して制御する。つまり、上下方向、水平方向へと向かって多ゾーン制御を行なう。各発熱体を発熱させ、気体タンク２１、圧力制御装置２２、配管２３を通して、雰囲気制御用容器１４内の育成容器１へと窒素含有雰囲気を流し、加熱および加圧すると、育成容器内で混合原料がすべて溶解し、融液を生成する。
【００３７】
本発明において、発熱体の材質は特に限定されないが、鉄-クロム-アルミ系、ニッケル-クロム系などの合金発熱体、白金、モリブデン、タンタル、タングステンなどの高融点金属発熱体、炭化珪素、モリブデンシリサイト、カーボンなどの非金属発熱体を例示できる。
【００３８】
本発明の単結晶育成装置において、原料混合物を加熱して融液を生成させるための装置は特に限定されない。この装置は熱間等方圧プレス装置が好ましいが、それ以外の雰囲気加圧型加熱炉であってもよい。
【００３９】
融液を生成するためのフラックスは特に限定されないが、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属またはその合金が好ましい。この金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムが例示でき、リチウム、ナトリウム、カルシウムが特に好ましく、ナトリウムが最も好ましい。
【００４０】
また、上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれた一種以上の金属と合金を形成する物質としては、以下の金属を例示できる。
ガリウム、アルミニウム、インジウム、ホウ素、亜鉛、ケイ素、錫、アンチモン、ビスマス。
【００４１】
本発明の育成方法によって、例えば以下の単結晶を好適に育成できる。
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、これらの混晶（ＡｌＧａＩｎＮ）、ＢＮ。
【００４２】
単結晶育成工程における加熱温度、圧力は、単結晶の種類によって選択するので特に限定されない。加熱温度は例えば８００〜１５００℃とすることができる。好ましくは８００〜１２００℃であり、更に好ましくは８００〜１１００℃である。圧力も特に限定されないが、圧力は１ＭＰａ以上であることが好ましく、２ＭＰａ以上であることが更に好ましい。圧力の上限は特に規定しないが、例えば２００ＭＰａ以下とすることができ、１００ＭＰａ以下が好ましい。
【００４３】
反応を行なうための育成容器の材質は特に限定されず、目的とする加熱および加圧条件において耐久性のある材料であればよい。こうした材料としては、金属タンタル、タングステン、モリブデンなどの高融点金属、アルミナ、サファイア、イットリアなどの酸化物、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ホウ素などの窒化物セラミックス、タングステンカーバイド、タンタルカーバイドなどの高融点金属の炭化物、ｐ−BN（パイロリティックBN）、ｐ−Gr（パイロリティックグラファイト）などの熱分解生成体が挙げられる。
【００４４】
以下、更に具体的な単結晶およびその育成手順について例示する。
（窒化ガリウム単結晶の育成例）
本発明を利用し、少なくともナトリウム金属を含むフラックスを使用して窒化ガリウム単結晶を育成できる。このフラックスには、ガリウム原料物質を溶解させる。ガリウム原料物質としては、ガリウム単体金属、ガリウム合金、ガリウム化合物を適用できるが、ガリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。
【００４５】
このフラックスには、ナトリウム以外の金属、例えばリチウムを含有させることができる。ガリウム原料物質とナトリウムなどのフラックス原料物質との使用割合は、適宜であってよいが、一般的には、ナトリウム過剰量を用いることが考慮される。もちろん、このことは限定的ではない。
【００４６】
この実施形態においては、窒素ガスを含む混合ガスからなる雰囲気下で、全圧１ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下の圧力下で窒化ガリウム単結晶を育成する。全圧を１ＭＰａ以上とすることによって、例えば８００℃以上の高温領域において、更に好ましくは９００℃以上の高温領域において、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。
【００４７】
好適な実施形態においては、育成時雰囲気中の窒素分圧を１ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下とする。この窒素分圧を１ＭＰａ以上とすることによって、例えば８００℃以上の高温領域において、フラックス中への窒素の溶解を促進し、良質の窒化ガリウム単結晶を育成可能であった。この観点からは、雰囲気の窒素分圧を２ＭＰａ以上とすることが更に好ましい。また、窒素分圧は実用的には１００ＭＰａ以下とすることが好ましい。
【００４８】
雰囲気中の窒素以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。窒素以外のガスの分圧は、全圧から窒素ガス分圧を除いた値である。
好適な実施形態においては、窒化ガリウム単結晶の育成温度は、８００℃以上であり、８００℃以上とすることが好ましく、１０００℃以上とすることが更に好ましい。このような高温領域においても良質な窒化ガリウム単結晶が育成可能である。また、高温・高圧での育成により、生産性を向上させ得る可能性がある。
【００４９】
窒化ガリウム単結晶の育成温度の上限は特にないが、育成温度が高すぎると結晶が成長しにくくなるので、１５００℃以下とすることが好ましく、この観点からは、１２００℃以下とすることが更に好ましい。
【００５０】
窒化ガリウム結晶をエピタキシャル成長させるための育成用基板の材質は限定されないが、サファイア、ＡｌＮテンプレート、ＧａＮテンプレート、シリコン単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＭｇＯ単結晶、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ2、ＬａＡｌＯ３，ＬａＧａＯ３，ＮｄＧａＯ３等のペロブスカイト型複合酸化物を例示できる。また組成式〔Ａ１−ｙ（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）ｙ〕〔（Ａｌ１−ｚＧａｚ）１−ｕ・Ｄｕ〕Ｏ３（Ａは、希土類元素である；Ｄは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である；ｙ＝０．３〜０．９８；ｘ＝０〜１；ｚ＝０〜１；ｕ＝０．１５〜０．４９；ｘ＋ｚ＝０．１〜２）の立方晶系のペロブスカイト構造複合酸化物も使用できる。また、SCAM（ScAlMgO４）も使用できる。
【００５１】
（ＡｌＮ単結晶の育成例）
本発明は、少なくともアルミニウムとアルカリ土類を含むフラックスを含む融液を特定の条件下で窒素含有雰囲気中で加圧することによって、ＡｌＮ単結晶を育成する場合にも有効であることが確認できた。
【実施例】
【００５２】
（予備実験）
図２、図３に示すような育成装置を作成し、図７に示すような装置内に設置した。育成容器の寸法は３５ｍｍ×４０ｍｍ×７０ｍｍとした。種結晶基板の寸法はφ２インチとした。育成容器内に水を収容し、トレーサーとしてのポリエステルを添加した。下部から育成容器を加熱することにより、水内に対流を発生させた。レーザー光を側壁から照射することによって対流を可視化させたところ、図２、図３に示すような所望の対流が観測された。
【００５３】
（実施例１）
図２、図３を参照しつつ説明した前記方法に従い、Naフラックス法によりＧａＮ単結晶を育成した。具体的には、金属Na74 ｇ、金属Ga50 ｇ、添加物として炭素１00mgを真空グローブボックス内で秤量し、内径幅16×奥行き55mm×高さ75mmのアルミナルツボ１に入れた。種結晶基板５として、直径２インチのＧａＮテンプレート基板を用い、ルツボの対角線上に略垂直〜水平から80度くらいの角度に立てかけた。ルツボ１を、図７に示す容器１４内に収容した。このとき、図２、３のように、高温部９ｂの材質を窒化アルミニウムセラミックスとし、低温部９ａの材質をアルミナセラミックスとした。窒化アルミニウムセラミックスの熱伝導率は150W・ｍ−１・K−１であり、アルミナセラミックスの熱伝導率は32W・ｍ−１・K−１である。
【００５４】
次いで、窒素ガスにて４．５ＭＰａに加圧し、炉内を８５０ ℃まで４５分で昇温し、８５０°Ｃで２００時間保持し結晶育成を行った。この期間中、容器の底部は８８０℃になるように、別系統のヒーターで加熱制御した。その後室温まで冷却した。エタノールにてフラックスを処理し、結晶を取り出したところ、種基板上に厚さ約１ｍｍのGaN結晶が成長していた。結晶の表面は種基板上で全面的に平滑であり、ステップが観察された。不純物帯発光が少なく、結晶の色はほぼ無色透明であった。
【００５５】
（比較例１）
実施例１と同様にＧａＮ単結晶を育成した。ただし、ルツボ１の下に支持板９Ａを設置しなかった。この結果、種結晶基板上に約1mmの結晶が成長したが、結晶の表面は平滑であったが、三次元成長している部分が所々に存在した。また、その部分では結晶は茶色〜黒色に着色しており、不純物帯発光も強く観察された。これは、種結晶基板５上での融液の対流が不十分であったことを示唆する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態において単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、種結晶基板５、支持板９、高熱伝導部９ｂおよび低熱伝導部９ａの平面的位置関係を模式的に示す図である。
【図２】他の実施形態において単結晶を育成している状態を模式的に示す斜視図である。
【図３】図２において、育成容器１、種結晶基板５、高熱伝導部９ｂおよび低熱伝導部９ａの平面的位置関係を模式的に示す図である。
【図４】更に他の実施形態において単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。
【図５】更に他の実施形態において単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図である。
【図６】種結晶を縦に置いたときの溶質対流を示す模式図である。
【図７】本発明で使用可能な育成装置の模式図である。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ 育成容器 ２ 融液 ２ａ 気液界面 ２ｂ 融液の底部 ４ 側壁部 ５ 種結晶基板 ５ａ 育成面 ６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ 高温部からの上昇流 ８ 下降流 ９、９Ａ，９Ｂ、９Ｃ 支持板 ９ａ 低熱伝導部 ９ｂ 高熱伝導部 １０ 底壁部 １０ａ 低温部 １０ｂ 高温部 １２ 空隙 Ｅ 高温部上の領域 Ｈ 熱の流れ θ 育成面と気液界面とがなす角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
育成容器内でフラックスおよび単結晶原料を含む融液に種結晶基板を浸漬し、前記育成容器の底壁部に高温部と低温部とを設け、前記高温部上に前記種結晶基板を固定し、前記種結晶基板の育成面上に窒化物単結晶を育成することを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記育成容器の下に支持板を設け、この支持板が高熱伝導部と低熱伝導部とを備えており、前記高熱伝導部上に前記底壁部の前記高温部が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記育成容器の下に支持板を設け、前記底壁部が肉厚部と肉薄部とを備えており、前記肉厚部が前記高温部をなしていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記育成容器の下に熱制御板を設け、この熱制御板に貫通孔が形成されており、この貫通孔上に前記育成容器の前記高温部が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記融液の気液界面と前記種結晶基板の育成面とがなす角度を３０°以上、１５０°以下とすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項１】
育成容器内でフラックスおよび単結晶原料を含む融液に種結晶基板を浸漬し、前記育成容器の底壁部に高温部と低温部とを設け、前記高温部上に前記種結晶基板を固定し、前記種結晶基板の育成面上に窒化物単結晶を育成することを特徴とする、窒化物単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記育成容器の下に支持板を設け、この支持板が高熱伝導部と低熱伝導部とを備えており、前記高熱伝導部上に前記底壁部の前記高温部が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記育成容器の下に支持板を設け、前記底壁部が肉厚部と肉薄部とを備えており、前記肉厚部が前記高温部をなしていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記育成容器の下に熱制御板を設け、この熱制御板に貫通孔が形成されており、この貫通孔上に前記育成容器の前記高温部が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記融液の気液界面と前記種結晶基板の育成面とがなす角度を３０°以上、１５０°以下とすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２２７５３９（Ｐ２００９−２２７５３９Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７７５９２（Ｐ２００８−７７５９２）
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]