(57)【要約】【課題】高圧の窒素含有ガスとＧａ溶媒を利用して、簡便かつ経済的にＧａＮ結晶を成長させ得る方法を提供する。【解決手段】高圧の窒素含有ガス（４）をＧａ溶媒（３）に溶解させ、基板（２）表面上でＧａ溶媒が接する領域にＧａＮ結晶（５）を成長させる方法において、窒素含有ガスの圧力が０．１〜２０％の範囲内で変動する環境下でＧａＮ結晶を成長させることを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧の窒素含有ガスをＧａ溶媒に溶解させ、基板表面上で前記溶媒が接する領域にＧａＮ結晶を成長させる方法において、前記窒素含有ガスの圧力が０．１〜２０％の範囲内で変動する環境下でＧａＮ結晶を成長させることを特徴とするＧａＮ結晶成長方法。
【請求項２】
前記窒素含有ガスの圧力が０．２〜５％の範囲内で変動する環境下でＧａＮ結晶を成長させることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ結晶成長方法。
【請求項３】
結晶成長温度の揺らぎをＫ単位で１％以下になるように制御することを特徴とする請求項１または２に記載のＧａＮ結晶成長方法。
【請求項４】
前記基板はＧａＮ以外の異種基板であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＧａＮ結晶成長方法。
【請求項５】
前記窒素含有ガスの圧力が１００気圧を超え２０００気圧以下の範囲内に制御されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＧａＮ結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＧａＮ結晶成長方法に関し、特にＧａ溶媒に加圧窒素含有ガスを溶解させて基板上にＧａＮ結晶を成長させるフラックス法の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、ＧａＮ結晶を成長させるフラックス法の原理を説明するための模式的断面図である。この図に示されているように、グラファイト坩堝１の底部においてエピタキシャル結晶成長用の基板２を設置し、その基板２がＧａ融液３で覆われる。そして、Ｇａ融液３内へ加圧窒素ガス４から窒素原子を溶解させる。そうすれば、融液３内でＧａ原子とＮ原子とが反応して、基板２の表面にＧａＮ結晶層５を成長させることができる。
【０００３】
非特許文献１では、高品質のＧａＮ結晶層を得るために、フラックス法において１万気圧の高圧と１５００℃の高温の条件下でＧａＮ結晶層を成長させている。この場合に、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させるための基板２として、サファイア下地基板とその上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）で形成されたＧａＮ基板層とを含む直径１ｃｍのテンプレート基板が用いられている。
【０００４】
また、非特許文献１においては、結晶成長速度を高めるために、基板表面に直交する方向に２０〜１４０℃／ｃｍの温度勾配を設定してＧａＮ結晶成長が実施されている。この場合に、１〜５μｍ／ｈの結晶成長速度が得られている。
【０００５】
そして、非特許文献１では、７×１０8〜１×１０9ｃｍ-2の転位密度を有するテンプレート基板を用いた場合に、２×１０7〜７×１０7ｃｍ-2の転位密度を有するＧａＮ結晶が得られたことが報告されている。
【非特許文献１】Ｊ．  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．２７４，（２００５），ｐｐ．５５−６４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１によるフラックス法は１万気圧もの高圧条件下におけるＧａＮ結晶成長法であるので、結晶成長のための設備が非常に高価であり、結晶成長の実施も困難である。
【０００７】
また、非特許文献１ではＧａＮ結晶成長に温度勾配を利用しているので、温度勾配の制御の必要性から、一つの結晶成長炉内で複数の基板上に結晶成長させることが困難であり、１枚の基板ごとに結晶成長を実施しなければならない。
【０００８】
すなわち、非特許文献１によるＧａＮ結晶成長方法は経済的でないし、工業的量産に適用するには適していない。
【０００９】
このような先行技術における状況に鑑み、本発明は、より簡便かつ経済的にＧａＮ結晶を成長させ得る方法を提供することを目的といている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、高圧の窒素含有ガスをＧａ溶媒に溶解させ、基板表面上でＧａ溶媒が接する領域にＧａＮ結晶を成長させる方法において、窒素含有ガスの圧力が０．１〜２０％の範囲内で変動する環境下でＧａＮ結晶を成長させることを特徴としている。
【００１１】
なお、窒素含有ガスの圧力は、０．２〜５％の範囲内で変動することがより好ましい。また、結晶成長温度の揺らぎは、Ｋ単位で１％以下になるように制御されることが好ましい。
【００１２】
基板は、ＧａＮ以外の異種基板であってもよい。窒素含有ガスの圧力は、１００気圧を超え２０００気圧以下の範囲内に制御されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上のような本発明によれば、フラックス法によって高品質のＧａＮ結晶を簡便かつ経済的に量産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
Ｇａを溶媒として窒素溶解を促進させるアルカリ金属（Ｎａなど）やアルカリ土類金属（Ｃａなど）を添加しない溶液法によるＧａＮ結晶成長方法では、１５００℃と２万気圧程度の高温高圧条件下でＧａＮ結晶が良好に成長し得る。しかし、このような高温高圧条件下での結晶成長は経済的でなく、また工業的量産に適用することが困難である。
【００１５】
他方、Ｎａなどを添加しないＧａ溶媒を用いる結晶成長法においても、１２００℃近辺の温度であれば２０００気圧以下の比較的低い窒素ガス圧下でＧａＮ結晶成長が可能である。一般的には、相対的に温度が低い場合に、窒素圧が相対的に低くてもＧａＮ結晶を成長させることができる。
【００１６】
ここで、ＧａＮ結晶成長中において、常識的には結晶成長圧力を変動させない方が好ましいと予想される。しかし、実際には結晶成長圧力を多少変動させた方が好ましい成長結果が得られることが、本発明者によって見出された。より具体的には、結晶成長圧力を所定の範囲内で変動させた場合に、基板全面にＧａＮ結晶が成長し、結晶が成長しない非成長部が生じにくくなることが見出された。非成長部が生じる現象は、特にＧａＮ以外の異種基板（例えばＡｌＮ基板）上にＧａＮ結晶を成長させたときに顕著になる。
【００１７】
この非成長部の発生の抑制には、圧力変動を０．１〜２０％程度与えれば効果が認められる。しかし、圧力変動が大きすぎればＧａＮ結晶成長層が多結晶化して異常成長を生じ、逆に非成長部が発生しやすくなる。このような多結晶化の発生を抑制するためには、圧力変動を５％以下に抑えることが好ましい。
【００１８】
また、温度変動が大きいければ多結晶化しやすくなるので、圧力変動を与える場合には温度変動をＫ単位で１％以下にすれば、多結晶化を防止しながら非成長部の発生を抑制する効果が実現され得る。
【００１９】
（実施例１）
本発明の実施例１によるＧａＮ結晶成長方法に関しても、図１を参照することができる。まず、坩堝１の底部に配置される基板２として、サファイア下地基板上にＭＯＣＶＤ法で成長されたＧａＮ結晶基板層を含むＧａＮテンプレート基板が用いられた。このＧａＮテンプレート基板は、直径２インチで厚さ４００μｍのサファイア下地基板と、その上の厚さ３μｍのＧａＮ基板層を含んでいた。このＧａＮ基板層の転位密度は、３×１０8〜５×１０8ｃｍ-2であった。また、本実施例１において、ＡｌＮテンプレート基板も用いられた。このＡｌＮテンプレート基板は、直径２インチで厚さ４００μｍのサファイア下地基板と、その上の厚さ３μｍのＡｌＮ基板層を含んでいた。このＡｌＮ基板層の転位密度は、５×１０8〜１０×１０8ｃｍ-2であった。これらのテンプレート基板を用いて、Ｇａを溶媒としたフラックス法でＧａＮ結晶成長を行った。この結晶成長方法は、より詳細には以下の通りである。
【００２０】
まず、内径６０ｍｍのカーボン坩堝１の底部に、テンプレート基板２が配置された。基板１上には、純度６ＮのＧａの１００ｇが配置された。この１００ｇのＧａは、その溶融時に基板１上で厚さ約５ｍｍの融液層を形成する量に相当している。
【００２１】
その後、坩堝１が結晶成長炉内に設置され、炉内を真空排気した後に１０気圧の窒素ガスが充填された。そして、炉内を所定温度（１２００℃）まで昇温させ、もちろんこの昇温によって基板１がＧａ融液３によって覆われる。その後、炉内および坩堝１内が、所定圧力（１９５０気圧）まで窒素ガス４で昇圧された。この状態を１０時間保持した後に、坩堝を降温させて、１００℃まで低下した段階で窒素ガスが排気された。
【００２２】
結晶成長炉の加熱は、カーボンヒータを使用した抵抗加熱によって行なわれた。炉内の加圧は、コンプレッサーによって昇圧した窒素ガスを導入することによって行なわれた。ここで、成長炉におけるＯリングによるシール部の締め込みを調整することによって、炉内圧力が１気圧／分程度の一定割合で低下するように窒素ガスのリークを意図的に発生させた。これとは別に、炉内の圧力低下を所定の範囲内に制限するために、加圧窒素ガスが断続的に炉内に導入された。
【００２３】
この加圧窒素ガスの導入タイミングを調整することによって、炉内圧力の周期的変動を生じさせた。例えば、炉内圧力の意図的変動範囲を４気圧に設定する場合、炉内圧力は意図的リークによって１気圧／分の割合で低下するので、４気圧分だけ低下するまで４分間を要する。その後、それ以上の圧力低下を防止して元の圧力に戻すように、加圧窒素ガスが炉内に導入される。したがって、炉内の意図的圧力変動範囲を４気圧に設定する場合には、その圧力変動周期は約４分少々になる。なお、本実施例１では、結晶成長温度の変動幅は、２０℃程度の範囲内に収まるように制御された。
【００２４】
本実施例１によるＧａＮ結晶成長の結果が、表１において要約されて示されている。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１から分かるように、結晶成長炉内の圧力変動が小さい場合には基板１上に非成長部が形成されてＧａＮ連続膜が形成されなかった。しかし、圧力変動を０．１％（より好ましくは０．２％）より大きくした場合には、そのような非成長部は発生し難くなっている。特に、圧力変動が０．１％の場合でも、ＧａＮテンプレート基板上には非成長部が形成されなくなった。
【００２７】
他方、結晶成長炉内の圧力変動が５％を超えて大きくされれば、基板上の結晶成長が一部多結晶化し始める。また、その圧力変動を１５％より大きくすれば、基板上において多結晶化に加えて非成長部が発生する。
【００２８】
以上のように、結晶成長炉内で適当な圧力変動を与えることによって、基板上で非成長部を発生させることなく、基板１上にＧａＮ結晶の連続膜５を成長させ得ることが本発明者によって見出された。なお、基板上に結晶が成長した領域における膜厚は、いずれの成長においても、異常部（非成長部、多結晶部）を除けば５〜８μｍであった。
【００２９】
（実施例２）
本発明の実施例１によるＧａＮ結晶成長方法は、実施例１に比べて、結晶成長温度の制御精度を高くして、温度変動幅が１０℃程度の範囲内に収まるように制御されたことのみにおいて異なっていた。本実施例２によるＧａＮ結晶成長の結果が、表２において要約されて示されている。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表２と表１との対比から分かるように、本実施例２におけるＧａＮ結晶成長の結果の基本的な傾向は、実施例１の場合と同様である。しかし、表２と表１との対比から、結晶成長温度の変動を小さくした場合には、結晶成長炉内の圧力変動が大きな成長条件において多結晶化しにくくなる傾向が見出された。なお、本実施形態２におけるＧａＮ成長膜の厚は、いずれの成長でも、実施例１の場合と同様であった。
【００３２】
以上のように、本発明は、結晶成長炉内に圧力変動を与えることによって、基板上で非成長部の発生を抑制しＧａＮ結晶の連続膜の成長を可能にし得るものである。なお、Ｇａ融液を強制的に攪拌することによっても、基板上で非成長部の発生を抑制することが可能である。しかし、例えば１００気圧を超えるような高圧を利用する結晶成長炉内に強制攪拌機構を設けることは困難であり、そのような強制攪拌機構を要しない本発明のＧａＮ結晶成長方法の利点が顕著となる。また、本発明では結晶成長炉内に多数の坩堝を配置して多数枚のＧａＮ結晶層を同時に成長させることが容易である。しかし、上述の強制対流を利用する方式では、多数枚のＧａＮ結晶層を同時に成長させるには困難が伴う。なお、１００気圧程度の圧力条件は、９００℃程度の温度条件下におけるＧａＮ結晶成長において採用され得る。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように、本発明によれば、フラックス法によって高品質のＧａＮ結晶を簡便かつ経済的に量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ＧａＮ結晶を成長させるフラックス法の原理を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  坩堝、２  基板、３  Ｇａ溶媒、４  窒素ガス、５  ＧａＮ結晶。
【図１】
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