(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属とＩＩＩ族金属との総量に対する前記アルカリ金属の量比を示す混合比に応じて決定され、かつ、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長または溶解させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力／温度相関図を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置であって、
所定の混合比で前記アルカリ金属と前記ＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する坩堝と、
前記坩堝内の前記混合融液に接する容器空間へ窒素原料ガスを供給して前記容器空間のガス圧力を所定の圧力に設定するガス供給装置と、
前記混合融液の温度を所定の温度に設定する加熱装置と、
複数の混合比に対応して設けられた複数の圧力／温度相関図から、前記所定の混合比に応じて決定された所定の圧力／温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する制御装置と、
前記混合融液における前記アルカリ金属と前記ＩＩＩ族金属との混合比を前記複数の混合比の範囲で変化する混合比変化手段と、
前記混合比変化手段によって変化された混合比に対応する圧力／温度相関図を前記所定の圧力／温度相関図として前記複数の圧力／温度相関図から選択する選択手段と、
を備え、
前記制御装置は、前記選択手段によって選択された圧力／温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する結晶成長装置。
【請求項２】
前記混合比変化手段は、前記混合融液への前記アルカリ金属の供給／停止を制御して前記混合比を変化する、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記混合比変化手段は、
前記容器空間に連通する外部容器空間に接してアルカリ金属融液を保持する外部容器と、
前記アルカリ金属融液から蒸発するアルカリ金属の第１の蒸気圧と前記混合融液から蒸発するアルカリ金属の第２の蒸気圧との相対関係を変化させて前記アルカリ金属の供給／停止を制御する蒸気圧制御器とを含む、請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
前記蒸気圧制御器は、前記アルカリ金属融液の温度を変えて前記第１の蒸気圧と前記第２の蒸気圧との相対関係を変化させる、請求項３に記載の結晶成長装置。
【請求項５】
前記複数の圧力／温度相関図は、
第１の混合比に応じて決定された第１の圧力／温度相関図と、
前記第１の混合比よりも大きい第２の混合比に応じて決定された第２の圧力／温度相関図と、
前記第２の混合比よりも大きい第３の混合比に応じて決定された第３の圧力／温度相関図とを含み、
前記所定の圧力／温度相関図は、前記第１から第３の圧力／温度相関図から前記所定の混合比の決定に応じて選択される、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項６】
前記第１の圧力／温度相関図は、種結晶からの前記ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長および柱状形状からなる前記ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図であり、
前記第２の圧力／温度相関図は、板状形状からなる前記ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図であり、
前記第３の圧力／温度相関図は、前記種結晶からの前記ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図である、請求項５に記載の結晶成長装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記柱状形状からなる前記ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる場合、前記第１の圧力／温度相関図に含まれる第１の所望の圧力および第１の所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する、請求項６に記載の結晶成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、ＧａＮ結晶を結晶成長する従来の結晶成長装置においては、金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比、窒素原料である窒素ガスのガス圧力および金属Ｎａと金属Ｇａとの混合融液の温度がＧａＮ結晶を結晶成長させるための主な条件であり、混合比、ガス圧力および温度を制御してＧａＮ結晶を結晶成長させることが困難であった。
【００１２】
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、混合比、ガス圧力および温度を制御してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明によれば、結晶成長装置は、アルカリ金属とＩＩＩ族金属との総量に対する前記アルカリ金属の量比を示す混合比に応じて決定され、かつ、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長または溶解させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力／温度相関図を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置であって、所定の混合比で前記アルカリ金属と前記ＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する坩堝と、前記坩堝内の前記混合融液に接する容器空間へ窒素原料ガスを供給して前記容器空間のガス圧力を所定の圧力に設定するガス供給装置と、前記混合融液の温度を所定の温度に設定する加熱装置と、複数の混合比に対応して設けられた複数の圧力／温度相関図から、前記所定の混合比に応じて決定された所定の圧力／温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する制御装置と、前記混合融液における前記アルカリ金属と前記ＩＩＩ族金属との混合比を前記複数の混合比の範囲で変化する混合比変化手段と、前記混合比変化手段によって変化された混合比に対応する圧力／温度相関図を前記所定の圧力／温度相関図として前記複数の圧力／温度相関図から選択する選択手段と、を備え、前記制御装置は、前記選択手段によって選択された圧力／温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に前記容器空間における前記窒素原料ガスのガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ設定するように前記ガス供給装置および前記加熱装置を制御する。
好ましくは、前記混合比変化手段は、前記混合融液への前記アルカリ金属の供給／停止を制御して前記混合比を変化する。
好ましくは、前記混合比変化手段は、前記容器空間に連通する外部容器空間に接してアルカリ金属融液を保持する外部容器と、前記アルカリ金属融液から蒸発するアルカリ金属の第１の蒸気圧と前記混合融液から蒸発するアルカリ金属の第２の蒸気圧との相対関係を変化させて前記アルカリ金属の供給／停止を制御する蒸気圧制御器とを含む。
好ましくは、前記蒸気圧制御器は、前記アルカリ金属融液の温度を変えて前記第１の蒸気圧と前記第２の蒸気圧との相対関係を変化させる。
【００１６】
好ましくは、複数の圧力／温度相関図は、第１から第３の圧力／温度相関図を含む。第１の圧力／温度相関図は、第１の混合比に応じて決定される。第２の圧力／温度相関図は、第１の混合比よりも大きい第２の混合比に応じて決定される。第３の圧力／温度相関図は、第２の混合比よりも大きい第３の混合比に応じて決定される。そして、所定の圧力／温度相関図は、第１から第３の圧力／温度相関図から所定の混合比の決定に応じて選択される。
【００１７】
好ましくは、第１の圧力／温度相関図は、種結晶からのＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長および柱状形状からなるＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図である。第２の圧力／温度相関図は、板状形状からなるＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図である。第３の圧力／温度相関図は、種結晶からのＩＩＩ族窒化物結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図である。
【００１８】
好ましくは、制御装置は、柱状形状からなるＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる場合、第１の圧力／温度相関図に含まれる第１の所望の圧力および第１の所望の温度に容器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設定するようにガス供給装置および加熱装置を制御する。
【発明の効果】
【００４０】
この発明においては、アルカリ金属とＩＩＩ族金属との量比を示す混合比が複数の混合比の範囲で決定され、その決定された混合比に応じた圧力／温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＩＩＩ族窒化物結晶が結晶成長される。
【００４１】
したがって、この発明によれば、混合比、ガス圧力および温度を制御してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、この発明の実施の形態１による結晶成長装置の概略断面図である。
【図２】図２は、図１に示す融液保持部材の斜視図である。
【図３】図３は、融液保持部材の配管への取付状態を示す平面図である。
【図４】図４は、ＧａＮ結晶を結晶成長させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力／温度相関図を金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比に対して示す図である。
【図５】図５は、坩堝および反応容器の温度のタイミングチャートである。
【図６】図６は、図５に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝および反応容器内の状態を示す模式図である。
【図７】図７は、図１に示す結晶成長装置を用いて結晶成長または溶解させたＧａＮ結晶の模式図である。
【図８】図８は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。
【図９】図９は、圧力／温度相関図の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図８に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図１０は、圧力／温度相関図の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図８に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するための他のフローチャートである。
【図１１】図１１は、実施の形態２による結晶成長装置の概略断面図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す支持装置、配管および熱電対の拡大図である。
【図１３】図１３は、図１１に示す上下機構の構成を示す概略図である。
【図１４】図１４は、振動検出信号のタイミングチャートである。
【図１５】図１５は、坩堝および反応容器の温度の他のタイミングチャートである。
【図１６】図１６は、種結晶の温度と窒素ガスの流量との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、図１１に示す結晶成長装置を用いてＧａＮ結晶を製造する動作を説明するためのフローチャートである。
【図１８】図１８は、実施の形態３による結晶成長装置の概略断面図である。
【図１９】図１９は、混合融液中における金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比を制御する方法を説明するための概念図である。
【図２０】図２０は、図１８に示す制御装置の一部の構成を示すブロック図である。
【図２１】図２１は、混合比と圧力／温度相関図との関係を示す図である。
【図２２】図２２は、金属融液の温度と混合比との関係を示す図である。
【図２３】図２３は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態２におけるフローチャートである。
【図２４】図２４は、実施の形態３による結晶成長装置の他の概略断面図である。
【図２５】図２５は、図２４に示す結晶成長装置を用いてＧａＮ結晶を製造する動作を説明するためのフローチャートである。
【図２６】図２６は、この発明による融液保持部材の他の斜視図である。
【図２７】図２７は、図２６に示す融液保持部材の固定方法を説明するための断面図である。
【図２８】図２８は、この発明による融液保持部材のさらに他の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
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。
【００４４】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による結晶成長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による結晶成長装置１００は、坩堝１０と、反応容器２０と、配管３０と、融液保持部材６０と、加熱装置７０，８０と、温度センサー７１，８１と、ガス供給管９０，１１０と、バルブ１２０，１２１，１６０と、圧力調整器１３０と、ガスボンベ１４０と、排気管１５０と、真空ポンプ１７０と、圧力センサー１８０と、金属融液１９０と、制御装置３００と、圧力センサー３１０とを備える。
【００４５】
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とからなる。本体部２１および蓋部２２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。
【００４６】
配管３０は、重力方向ＤＲ１において、一方端が坩堝１０の下側で反応容器２０に連結され、他方端がガス供給管１１０に連結される。
【００４７】
融液保持部材６０は、たとえば、金属およびセラミック等からなり、反応容器２０と配管３０との連結部よりも下側の配管３０内に設置される。
【００４８】
加熱装置７０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８０は、反応容器２０の底面２０Ｂに対向して配置される。温度センサー７１，８１は、それぞれ、加熱装置７０，８０に近接して配置される。
【００４９】
ガス供給管９０は、一方端がバルブ１２０を介して反応容器２０に連結され、他方端が圧力調整器１３０を介してガスボンベ１４０に連結される。ガス供給管１１０は、一方端がバルブ１２１を介して配管３０に連結され、他方端がガス供給管９０に連結される。
【００５０】
バルブ１２０は、反応容器２０の近傍でガス供給管９０に装着される。圧力調整器１３０は、ガスボンベ１４０の近傍でガス供給管９０に装着される。ガスボンベ１４０は、ガス供給管９０に連結される。
【００５１】
排気管１５０は、一方端がバルブ１６０を介して反応容器２０に連結され、他方端が真空ポンプ１７０に連結される。バルブ１６０は、反応容器２０の近傍で排気管１５０に装着される。真空ポンプ１７０は、排気管１５０に連結される。
【００５２】
圧力センサー１８０は、反応容器２０に取り付けられる。金属融液１９０は、金属ナトリウム（金属Ｎａ）融液からなり、融液保持部材６０によって配管３０内に保持される。
【００５３】
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２９０を保持する。反応容器２０は、坩堝１０の周囲を覆う。配管３０は、金属融液１９０を保持する。
【００５４】
融液保持部材６０は、配管３０の内壁との間に数十μｍの孔が形成されるように外周面に凹凸構造を有し、配管３０内の空間３１へ供給された窒素ガスを金属融液１９０の方向へ通過させ、窒素ガスを金属融液１９０を介して空間２３内へ供給する。また、融液保持部材６０は、金属融液１９０の表面張力により金属融液１９０を配管３０内に保持する。
【００５５】
加熱装置７０は、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置７０は、制御装置３００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を結晶成長温度に加熱する。温度センサー７１は、加熱装置７０のヒーターの温度Ｔ１を検出し、その検出した温度Ｔ１を制御装置３００へ出力する。
【００５６】
加熱装置８０も、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置８０は、制御装置３００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を結晶成長温度に加熱する。温度センサー８１は、加熱装置８０のヒーターの温度Ｔ２を検出し、その検出した温度Ｔ２を制御装置３００へ出力する。
【００５７】
ガス供給管９０は、ガスボンベ１４０から圧力調整器１３０を介して供給された窒素ガスをバルブ１２０を介して反応容器２０内へ供給する。ガス供給管１１０は、ガスボンベ１４０から圧力調整器１３０を介して供給された窒素ガスをバルブ１２１を介して配管３０内へ供給する。
【００５８】
バルブ１２０は、ガス供給管９０内の窒素ガスを反応容器２０内へ供給し、または窒素ガスの反応容器２０内への供給を停止する。バルブ１２１は、ガス供給管１１０内の窒素ガスを配管３０内へ供給し、または窒素ガスの配管３０内への供給を停止する。圧力調整器１３０は、制御装置３００からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、ガスボンベ１４０からの窒素ガスを所定の圧力にしてガス供給管９０，１１０に供給する。
【００５９】
ガスボンベ１４０は、窒素ガスを保持する。排気管１５０は、反応容器２０内の気体を真空ポンプ１７０へ通過させる。バルブ１６０は、反応容器２０内と排気管１５０とを空間的に繋げ、または反応容器２０内と排気管１５０とを空間的に遮断する。真空ポンプ１７０は、排気管１５０およびバルブ１６０を介して反応容器２０内の真空引きを行なう。
【００６０】
圧力センサー１８０は、加熱装置７０によって加熱されていない反応容器２０内の圧力を検出する。窒素ガスは、金属融液１９０と融液保持部材６０を介して空間２３へ導入される。
【００６１】
制御装置３００は、温度Ｔ１，Ｔ２をそれぞれ温度センサー７１，８１から受け、その受けた温度Ｔ１，Ｔ２に基づいて、坩堝１０および反応容器２０の温度を所望の温度に設定するための制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２を生成する。そして、制御装置３００は、その生成した制御信号ＣＴＬ１，２をそれぞれ加熱装置７０，８０へ出力する。
【００６２】
また、制御装置３００は、圧力センサー３１０から静水圧Ｐｓを受け、その受けた静水圧Ｐｓに基づいて空間２３の圧力Ｐｉｎを求める。より具体的には、反応容器２０内の空間２３の圧力Ｐｉｎが相対的に高くなれば、金属融液１９０の静水圧Ｐｓは、圧力Ｐｉｎに比例して相対的に高くなる。また、反応容器２０内の空間２３の圧力Ｐｉｎが相対的に低くなれば、金属融液１９０の静水圧Ｐｓは、圧力Ｐｉｎに比例して相対的に低くなる。
【００６３】
このように、静水圧Ｐｓは、空間２３内の圧力Ｐｉｎに比例する。したがって、制御装置３００は、静水圧Ｐｓと圧力Ｐｉｎとの比例係数を保持しており、その保持している比例係数を静水圧Ｐｓに乗算することにより、静水圧Ｐｓに基づいて圧力Ｐｉｎを求める。
【００６４】
そして、制御装置３００は、空間２３の圧力Ｐｉｎを求めると、その求めた圧力Ｐｉｎを所望の圧力に設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ３を圧力調整器１３０へ出力する。
【００６５】
圧力センサー３１０は、金属融液１９０の静水圧Ｐｓを検出し、その検出した静水圧Ｐｓを制御創始３００へ出力する。
【００６６】
図２は、図１に示す融液保持部材６０の斜視図である。図２を参照して、融液保持部材６０は、栓６１と、凸部６２とを含む。栓６１は、略円柱形状からなる。凸部６２は、略半円形の断面形状を有し、栓６１の外周面に栓６１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。
【００６７】
図３は、融液保持部材６０の配管３０への取付状態を示す平面図である。図３を参照して、凸部６２は、栓６１の円周方向に複数個形成され、複数の凸部６２は、数十μｍの間隔ｄで形成される。また、凸部６２は、数十μｍの高さＨを有する。融液保持部材６０の複数の凸部６２は、配管３０の内壁３０Ａに接する。これにより、融液保持部材６０は、配管３０の内壁３０Ａに嵌合する。
【００６８】
凸部６２が数十μｍの高さＨを有し、数十μｍの間隔ｄで栓６１の外周面に配置される結果、融液保持部材６０が配管３０の内壁３０Ａに嵌合した状態では、融液保持部材６０と配管３０の内壁３０Ａとの間に、直径が略数十μｍである空隙６３が複数個形成される。
【００６９】
この空隙６３は、栓６１の長さ方向ＤＲ２に窒素ガスを通過させるとともに、金属融液１９０の表面張力によって金属融液１９０を保持し、金属融液１９０が栓６１の長さ方向ＤＲ２に通過するのを阻止する。
【００７０】
図４は、ＧａＮ結晶を結晶成長させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力／温度相関図を金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比に対して示す図である。なお、金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比ｒは、ｒ＝［金属Ｎａ］／（［金属Ｎａ］＋［金属Ｇａ］）によって定義される。［金属Ｎａ］および［金属Ｇａ］は、それぞれ、金属Ｎａのモル量および金属Ｇａのモル量である。
【００７１】
図４の（ａ）は、混合比ｒがｒ＝０．４である場合の圧力／温度相関図を示し、図４の（ｂ）は、混合比ｒがｒ＝０．７である場合の圧力／温度相関図を示し、図４の（ｃ）は、混合比ｒがｒ＝０．９５である場合の圧力／温度相関図を示す。
【００７２】
そして、図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）の各々において、縦軸は、反応容器２０内の空間２３における窒素ガスのガス圧力を表し、横軸は、坩堝１０および反応容器２０の温度（＝混合融液２９０の温度）の逆数（絶対温度の逆数）を表す。
【００７３】
図４の（ａ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ１は、領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３，ＲＥＧ１４を有する。領域ＲＥＧ１１は、直線ｋ１によって領域ＲＥＧ１２と仕切られ、領域ＲＥＧ１２は、直線ｋ２によって領域ＲＥＧ１３と仕切られ、領域ＲＥＧ１３は、直線ｋ３によって領域ＲＥＧ１４と仕切られる。
【００７４】
そして、領域ＲＥＧ１１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ１２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ１３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ１４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。
【００７５】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ１１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３，ＲＥＧ１４とからなる。
【００７６】
図４の（ｂ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ２は、領域ＲＥＧ２１，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４を有する。領域ＲＥＧ２１は、直線ｋ４によって領域ＲＥＧ２２と仕切られ、領域ＲＥＧ２２は、直線ｋ５によって領域ＲＥＧ２３と仕切られ、領域２３は、直線ｋ６によって領域ＲＥＧ２４と仕切られる。
【００７７】
そして、領域ＲＥＧ２１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ２２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ２３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ２４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。
【００７８】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ２も、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ２１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４とからなる。
【００７９】
図４の（ｃ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ３は、領域ＲＥＧ３１，ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４を有する。領域ＲＥＧ３１は、直線ｋ７によって領域ＲＥＧ３２と仕切られ、領域ＲＥＧ３２は、直線ｋ８によって領域ＲＥＧ３３と仕切られ、領域３３は、直線ｋ９によって領域ＲＥＧ３４と仕切られる。
【００８０】
そして、領域ＲＥＧ３１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ３２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ３３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ３４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。
【００８１】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ３も、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ３１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４とからなる。
【００８２】
上述したように、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の各々は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させる領域、柱状形状のＧａＮ結晶を結晶成長させる領域および板状形状のＧａＮ結晶を結晶成長させる領域からなるが、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３は、それぞれ、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３よりも広く、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２４は、圧力／温度相関図ＰＴ１，ＰＴ３の領域ＲＥＧ１４，ＲＥＧ３４よりも広く、圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３と同じ広さを有し、かつ、金属Ｇａを補充しながらＧａＮ結晶を結晶成長させる。
【００８３】
したがって、圧力／温度相関図ＰＴ１は、種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長および柱状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図であり、圧力／温度相関図ＰＴ２は、板状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図であり、圧力／温度相関図ＰＴ３は、種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長に適した領域である。
【００８４】
圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３が圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３と同じ広さを有するにも係わらず、圧力／温度相関図ＰＴ３が種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長だけに適しているのは、圧力／温度相関図ＰＴ３を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合、金属Ｇａを補充する必要があり、領域ＲＥＧ３２における結晶成長（種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長）の方が領域ＲＥＧ３３における結晶成長（柱状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長）よりも金属Ｇａの消費量が少ないからである。
【００８５】
この発明においては、混合比ｒに応じてＧａＮ結晶の結晶成長に用いる圧力／温度相関図を圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３から選択し、その選択した圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３におけるガス圧力および混合融液２９０の温度をそれぞれ設定してＧａＮ結晶を結晶成長する。
【００８６】
図５は、坩堝１０および反応容器２０の温度のタイミングチャートである。また、図６は、図５に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝１０および反応容器２０内の状態を示す模式図である。なお、図５において、直線ｋ１０は、坩堝１０および反応容器２０の温度を示す。
【００８７】
図５を参照して、加熱装置７０，８０は、直線ｋ１０に従って温度が上昇し、かつ、７２５℃に保持されるように坩堝１０および反応容器２０を加熱する。加熱装置７０，８０が坩堝１０および反応容器２０を加熱し始めると、坩堝１０および反応容器２０の温度は、上昇し始め、タイミングｔ１において９８℃に達し、タイミングｔ２で７２５℃に達する。
【００８８】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０が７２５℃まで昇温される過程で、融液保持部材６０よりも上側の配管３０の温度が９８℃以上に上昇され、配管３０内に保持された金属Ｎａは溶け、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）が配管３０内に生成される。また、坩堝１０中の金属Ｎａおよび金属Ｇａは溶け、混合融液２９０が坩堝１０中で生成される。
【００８９】
その結果、空間２３内の窒素ガス４は、金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）および融液保持部材６０を介して配管３０内の空間３１へ拡散することができず、空間２３内に閉じ込められる（図６参照）。
【００９０】
この場合、金属融液１９０に接する配管３０の部分は、金属融液１９０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａが混合融液２９０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａ−Ｇａに略一致する温度に加熱装置８０によって昇温される。すなわち、金属融液１９０に接する配管３０の部分は、金属融液１９０からの金属Ｎａの蒸発と、混合融液２９０からの金属Ｎａの蒸発とが略平衡になる温度に加熱装置８０によって昇温される。
【００９１】
したがって、金属融液１９０から混合融液２９０への金属Ｎａの移動と、混合融液２９０から金属融液１９０への金属Ｎａの移動とが略平衡になり、見かけ上、金属融液１９０と混合融液２９０との間で金属Ｎａの移動が停止される。その結果、金属融液１９０および混合融液２９０からの金属Ｎａの蒸発による混合融液２９０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比の変動が抑制される。ここで言う金属Ｎａの移動とは、気相輸送のことである。
【００９２】
このように、坩堝１０および反応容器２０が７２５℃に加熱されると、金属融液１９０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａが混合融液２９０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａ−Ｇａに略一致し、空間２３内には、窒素ガス４と金属Ｎａ蒸気５とが混在する。
【００９３】
そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が７２５℃程度の高温状態では、空間２３内の窒素ガス４は、金属Ｎａを媒介として混合融液２９０中に取り込まれる。そして、坩堝１０の側壁および底面からＧａＮ結晶が結晶成長する。
【００９４】
その後、ＧａＮ結晶の結晶成長の進行に伴って、空間２３内の窒素ガスが消費されると、空間２３の圧力Ｐ１が配管３０内の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなる。そうすると、空間２３の圧力Ｐ１と空間３１の圧力Ｐ２との圧力差に応じて、窒素ガスが空間３１から空間２３へ補給される。この場合、融液保持部材６０は、空間３１の窒素ガスを金属融液１９０へ透過させ、金属融液１９０は、窒素ガスを泡１９１として空間２３へ導く。そして、空間２３の圧力Ｐ１が空間３１の圧力Ｐ２と同程度に上昇すると、空間３１から空間２３への窒素ガスの補給は停止される。
【００９５】
図７は、図１に示す結晶成長装置１００を用いて結晶成長または溶解させたＧａＮ結晶の模式図である。図７の（ａ）は、図４に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示し、図７の（ｂ）は、図４に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示す。
【００９６】
また、図７の（ｃ）は、図４に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示し、図７の（ｄ）は、図４に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を溶解させた場合を示す。
【００９７】
図７の（ａ）を参照して、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、複数のＧａＮ結晶６が坩堝１０の底面１１から結晶成長する。そして、複数のＧａＮ結晶６の各々は、尖った先端が坩堝１０の底面１１に接触し、ｃ軸（＜０００１＞）方向へ結晶成長した柱状形状からなる。また、複数のＧａＮ結晶６は、その大きさが相互に異なり、坩堝１０の底面１１に対して相互に異なる方向へ結晶成長する。
【００９８】
図７の（ｂ）を参照して、領域ＲＥＧ１４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、複数のＧａＮ結晶７が坩堝１０内で結晶成長する。そして、複数のＧａＮ結晶７の各々は、ｃ面（（０００１））方向（ｃ軸に垂直な方向）に結晶成長した板状形状からなる。また、複数のＧａＮ結晶７は、その大きさが相互に異なる。
【００９９】
図７の（ｃ）を参照して、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、種結晶６ＡからＧａＮ結晶８が結晶成長する。種結晶６Ａは、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて結晶成長された複数のＧａＮ結晶６（図７の（ａ）参照）のうちの１個のＧａＮ結晶からなる。この場合、複数のＧａＮ結晶６のうち、不要なＧａＮ結晶を除去し、坩堝１０の底面１１に対して略垂直に結晶成長したＧａＮ結晶６を種結晶６Ａとして底面１１に残す。これによって、坩堝１０の底面１１に固定された種結晶６Ａを容易に作製できる。
【０１００】
上述したように、複数のＧａＮ結晶６は、ｃ軸方向へ結晶成長するので、種結晶６Ａもｃ軸方向へ結晶成長したＧａＮ結晶からなる。したがって、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶６Ａから結晶成長したＧａＮ結晶８もｃ軸方向へ結晶成長する。このとき、種結晶６Ａが結晶成長して大きくなるため、ｃ軸およびｃ面方向にも結晶サイズは拡大する。そして、領域ＲＥ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いたＧａＮ結晶の結晶成長においては、坩堝１０の側壁および底面１１における核の発生が抑制されるため、大きなサイズのＧａＮ結晶８を結晶成長できる。
【０１０１】
図７の（ｄ）を参照して、領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を処理すると、ＧａＮ結晶９が溶解され、ＧａＮ結晶９Ａが坩堝１０の底面１１に残る。
【０１０２】
なお、図４に示す圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ２２および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４，ＲＥＧ３２は、それぞれ、図７の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すＧａＮ結晶６，７，８を結晶成長させ、温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２１および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３１は、図７の（ｄ）に示すＧａＮ結晶９を溶解させる。
【０１０３】
図８は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。図８を参照して、一連の動作が開始されると、Ａｒガスが充填されたグローブボックス内へ坩堝１０、反応容器２０および配管３０を入れる。そして、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを配管３０内に入れる（ステップＳ１）。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）。
【０１０４】
その後、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを所定の混合比ｒで坩堝１０に入れる（ステップＳ２）。この場合、たとえば、混合比ｒ＝０．４で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れる。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内に設置する。
【０１０５】
引続いて、グローブボックスから坩堝１０と反応容器２０および配管３０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を結晶成長装置１００に設定する。そして、バルブ１６０を開け、真空ポンプ１７０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１７０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１６０を閉じ、バルブ１２０，１２１を開けて窒素ガスをガスボンベ１４０からガス供給管９０，１１０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１３０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。
【０１０６】
そして、圧力センサー１８０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１２０，１２１を閉じ、バルブ１６０を開けて真空ポンプ１７０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１７０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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
その後、真空ポンプ１７０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１６０を閉じ、バルブ１２０，１２１を開けて窒素ガスを坩堝１０および反応容器２０の空間２３へ供給する（ステップＳ３）。
【０１０９】
その後、制御装置３００は、混合比ｒ＝０．４に応じて決定された圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３を用いたＧａＮ結晶の結晶成長が行なわれる場合、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を外部から受ける。たとえば、制御装置３００は、５．０５ＭＰａの圧力および７２５℃の温度をそれぞれ領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度として外部から受ける。
【０１１０】
そうすると、制御装置３００は、坩堝１０および反応容器２０の温度を所望の温度（＝７２５℃）に設定するための制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２をそれぞれ加熱装置７０，８０へ出力するとともに、空間２３の窒素ガスのガス圧力を所望の圧力（＝５．０５ＭＰａ）に設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ３を圧力調整器１３０へ出力する。
【０１１１】
そして、加熱装置７０は、制御装置３００からの制御信号ＣＴＬ１に応じて、坩堝１０および反応容器２０を外周面２０Ａから７２５℃に加熱し、加熱装置８０は、制御装置３００からの制御信号ＣＴＬ２に応じて、坩堝１０および反応容器２０を底面２０Ｂから７２５℃に加熱する。また、圧力調整器１３０は、制御装置３００からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、空間２３の圧力が５．０５ＭＰａになるように窒素ガスをガス供給管９０，１１０、配管３０および融液保持部材６０を介して空間２３へ供給する。
【０１１２】
すなわち、所定の混合比ｒに応じて決定された圧力／温度相関図ＰＴ１に含まれる所望の圧力（＝５．０５ＭＰａ）および所望の温度（＝７２５℃）に空間２３における窒素ガスの圧力および坩堝１０の温度を設定する（ステップＳ４）。
【０１１３】
そして、所定の時間、所望の圧力および所望の温度が保持され（ステップＳ５）、所定の時間が経過すると、坩堝１０および反応容器２０の温度が降温される（ステップＳ６）。これにより、柱状形状からなるＧａＮ結晶が製造され、一連の動作が終了する。
【０１１４】
なお、上記においては、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合について説明したが、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１４および圧力／温度相関図ＰＴ２，ＰＴ３の領域ＲＥＧ２１，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ３１，ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長またはＧａＮ結晶を溶解させる動作も、図８に示すフリーチャートに従って実行される。
【０１１５】
このように、この発明においては、複数の混合比（ｒ＝０．４，０．７，０．９５）に対応して複数の圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３が設けられており、所定の混合比ｒに応じて決定された圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）を用いてＧａＮ結晶が結晶成長または溶解される。
【０１１６】
したがって、この発明によれば、混合比ｒ、ガス圧力および温度を制御してＧａＮ結晶を結晶成長または溶解できる。
【０１１７】
上記においては、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の１つの領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長または溶解させる場合について説明したが、この発明においては、これに限らず、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させてもよい。この場合、図８に示すフローチャートのステップＳ４は、複数のステップからなる。
【０１１８】
図９は、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図８に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。
【０１１９】
図９を参照して、図８に示すステップＳ３が終了すると、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４１）、ＧａＮ結晶を結晶成長する。これにより、柱状形状からなる複数のＧａＮ結晶が坩堝１０の底面１１に形成される。
【０１２０】
その後、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４２）、ステップＳ４１において結晶成長したＧａＮ結晶を溶解する。これによって、サイズが小さいＧａＮ結晶が溶解され、サイズの大きいＧａＮ結晶が坩堝１０の底面１１に残る。そして、坩堝１０の底面１１に残ったＧａＮ結晶が種結晶となる。
【０１２１】
引き続き、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４３）、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させる。
【０１２２】
その後、一連の動作は、図８に示すステップＳ５へ移行する。
【０１２３】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３、領域ＲＥＧ１１および領域ＲＥＧ１２に含まれる複数の所望の圧力および複数の所望の温度を順次用いることによって、柱状形状からなる複数のＧａＮ結晶６を坩堝１０の底面１１に結晶成長させ、その結晶成長させた複数のＧａＮ結晶６の一部を溶解して種結晶を作製し、さらに、その作製した種結晶からＧａＮ結晶８を結晶成長できる。この結果、少数の柱状結晶を種結晶として結晶を大きくすることができ、原料効率を上げて大型の結晶を成長することが可能となる。さらには、種結晶を外に取り出すことなく、結晶成長を行なうことができ、種結晶の清浄表面に結晶を成長させることができる。この結果、ＧａＮ結晶を成長させることが可能となる。
【０１２４】
図１０は、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図８に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するための他のフローチャートである。
【０１２５】
なお、図１０に示すフローチャートは、種結晶が予め坩堝１０の底面１１に設置されている場合のフローチャートである。
【０１２６】
図１０を参照して、図８に示すステップＳ３が終了すると、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４１Ａ）、種結晶を溶解する。
【０１２７】
その後、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４２Ａ）、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させる。
【０１２８】
その後、一連の動作は、図８に示すステップＳ５へ移行する。
【０１２９】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１および領域ＲＥＧ１２に含まれる複数の所望の圧力および複数の所望の温度を順次用いることによって、種結晶の一部を溶解し、その溶解した種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長できる。
【０１３０】
種結晶を予め坩堝１０の底面１１に設置し、その設置した種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させる場合、種結晶の表面が酸化されたり、種結晶の表面に水分等の不純物が付着しているので、領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定して種結晶の一部を溶解させることで、結晶の清浄表面を出すことができる。その後、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定して溶解後の種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させることにしたものである。これにより、高品質なＧａＮ結晶を種結晶から連続的に結晶成長させることができる。
【０１３１】
［実施の形態２］
実施の形態２においては、ＧａＮ結晶は、９５０℃の温度および５ＭＰａの窒素圧力が用いられて結晶成長される。この９５０℃の温度、５ＭＰａの窒素圧力は、図４の（ａ）に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の種結晶成長条件（領域ＲＥＧ１２に含まれる）となっている。
【０１３２】
図１１は、実施の形態２による結晶成長装置の概略断面図である。図１１を参照して、実施の形態２による結晶成長装置１００Ａは、図１に示す結晶成長装置１００にベローズ４０、支持装置５０、配管２００、熱電対２１０、上下機構２２０、振動印加装置２３０
振動検出装置２４０、ガス供給管２５０、流量計２６０、ガスボンベ２７０および温度制御装置２８０を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００と同じである。
【０１３３】
なお、結晶成長装置１００Ａにおいては、温度センサー７１は、検出した温度Ｔ１を温度制御装置２８０および制御装置３００へ出力し、温度センサー８１は、検出した温度Ｔ２を温度制御装置２８０および制御装置３００へ出力する。
【０１３４】
ベローズ４０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５０は、中空の円筒形状からなり、一部がベローズ４０を介して反応容器２０の空間２３内へ挿入される。
【０１３５】
配管２００および熱電対２１０は、支持装置５０の内部に挿入される。上下機構２２０は、ベローズ４０よりも上側において支持装置５０に取り付けられる。ガス供給管２５０は、一方端が配管２００に連結され、他方端が流量計２６０を介してガスボンベ２７０に連結される。流量計２６０は、ガスボンベ２７０の近傍でガス供給管２５０に装着される。ガスボンベ２７０は、ガス供給管２５０に連結される。
【０１３６】
ベローズ４０は、支持装置５０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４０は、支持装置５０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５０は、反応容器２０内に挿入された一方端にＧａＮ結晶からなる種結晶６Ｂを支持する。
【０１３７】
配管２００は、ガス供給管２５０から供給された窒素ガスを一方端から支持装置５０内へ放出して種結晶６Ｂを冷却する。熱電対２１０は、種結晶６Ｂの温度Ｔ３を検出し、その検出した温度Ｔ３を温度制御装置２８０へ出力する。
【０１３８】
上下機構２２０は、振動検出装置２４０からの振動検出信号ＢＤＳに応じて、後述する方法によって、種結晶６Ｂが空間２３と混合融液２９０との気液界面３に接するように支持装置５０を上下する。
【０１３９】
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５０に印加する。振動検出装置２４０は、たとえば、加速度ピックアップからなり、支持装置５０の振動を検出するとともに、支持装置５０の振動を示す振動検出信号ＢＤＳを上下機構２２０へ出力する。
【０１４０】
ガス供給管２５０は、ガスボンベ２７０から流量計２６０を介して供給された窒素ガスを配管２００へ供給する。流量計２６０は、温度制御装置２８０からの制御信号ＣＴＬ４に応じて、ガスボンベ２７０から供給された窒素ガスの流量を調整してガス供給管２５０へ供給する。ガスボンベ２７０は、窒素ガスを保持する。
【０１４１】
温度制御装置２８０は、温度センサー７１，８１からそれぞれ温度Ｔ１，Ｔ２を受け、熱電対２１０から温度Ｔ３を受ける。そして、温度制御装置２８０は、温度センサー７１，８１から受けた温度Ｔ１，Ｔ２が坩堝１０および反応容器２０の温度を９５０℃に設定する９５０＋α℃になると、種結晶６Ｂの温度である温度Ｔ３を９５０℃から低下させるための制御信号ＣＴＬ４を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ４を流量計２６０へ出力する。
【０１４２】
坩堝１０および反応容器２０の温度は、加熱装置７０，８０のヒーターの温度と所定の温度差αを有するため、加熱装置７０，８０のヒーターの温度が９５０＋α℃になると、坩堝１０および反応容器２０の温度は、９５０℃に設定される。また、混合融液２９０の温度は、坩堝１０および反応容器２０の温度に等しく、混合融液２９０に接触している種結晶６Ｂの温度は、混合融液２９０の温度に等しい。
【０１４３】
したがって、温度制御装置２８０は、温度センサー７１，８１からそれぞれ受けた温度Ｔ１，Ｔ２が９５０＋α℃になると、坩堝１０および反応容器２０の温度、すなわち、混合融液２９０に接触した種結晶６Ｂの温度が９５０℃に設定されたと判定し、種結晶６Ｂの温度を９５０℃から低下させるための制御信号ＣＴＬ４を生成して流量計２６０へ出力することにしたものである。
【０１４４】
図１２は、図１１に示す支持装置５０、配管２００および熱電対２１０の拡大図である。図１２を参照して、支持装置５０は、筒状部材５１と、固定部材５２，５３とを含む。筒状部材５１は、略円形の断面形状を有する。固定部材５２は、略Ｌ字形状の断面形状を有し、筒状部材５１の一方端５１１側において筒状部材５１の外周面５１Ａおよび底面５１Ｂに固定される。また、固定部材５３は、略Ｌ字形状の断面形状を有し、筒状部材５１の一方端５１１側において固定部材５２と対称に配置されるように筒状部材５１の外周面５１Ａおよび底面５１Ｂに固定される。その結果、筒状部材５１および固定部材５２，５３によって囲まれた領域には、空間部５４が形成される。
【０１４５】
配管２００は、略円形の断面形状を有し、筒状部材５１の内部に配置される。この場合、配管２００の底面２００Ａは、筒状部材５１の底面５１Ｂに対向するように配置される。そして、配管２００の底面２００Ａには、複数の空孔２０１が形成される。配管２００内へ供給された窒素ガスは、複数の空孔２０１を介して筒状部材５１の底面５１Ｂに吹き付けられる。
【０１４６】
熱電対２１０は、一方端２１０Ａが筒状部材５１の底面５１Ｂに接するように筒状部材５１の内部に配置される（図１２の（ａ）参照）。
【０１４７】
そして、種結晶６Ｂは、空間部５４に嵌合する形状を有し、空間部５４に嵌合することにより支持装置５０によって支持される。この場合、種結晶６Ｂは、筒状部材５１の底面５１Ｂに接する（図１２の（ｂ）参照）。
【０１４８】
したがって、種結晶６Ｂと筒状部材５１との間の熱伝導率が高くなる。その結果、熱電対２１０によって種結晶６Ｂの温度を検出できるとともに、配管２００から筒状部材５１の底面５１Ｂに吹き付けられた窒素ガスによって種結晶６Ｂを容易に冷却できる。
【０１４９】
実施の形態２においては、種結晶自体が種結晶６Ｂのように嵌合可能な形状であるが、支持装置５０と接する構造であれば、種結晶６Ｂの形状のアダプターを介して六角柱状の種結晶が保持されていてもよい。
【０１５０】
図１３は、図１１に示す上下機構２２０の構成を示す概略図である。図１３を参照して、上下機構２２０は、凹凸部材２２１と、歯車２２２と、軸部材２２３と、モータ２２４と、制御部２２５とを含む。
【０１５１】
凹凸部材２２１は、略三角形状の断面形状からなり、筒状部材５１の外周面５１Ａに固定される。歯車２２２は、軸部材２２３の一方端に固定され、凹凸部材２２１と噛み合う。軸部材２２３は、その一方端が歯車２２２に連結され、他方端がモータ２２４のシャフト（図示せず）に連結される。
【０１５２】
モータ２２４は、制御部２２５からの制御に従って歯車２２２を矢印２２６または２２７の方向へ回転させる。制御部２２５は、振動検出装置２４０からの振動検出信号ＢＤＳに基づいて、歯車２２２を矢印２２６または２２７の方向へ回転させるようにモータ２２４を制御する。
【０１５３】
歯車２２２が矢印２２６の方向へ回転すれば、支持装置５０は、重力方向ＤＲ１において上方向へ移動し、歯車２２２が矢印２２７の方向へ回転すれば、支持装置５０は、重力方向ＤＲ１において下方向へ移動する。
【０１５４】
したがって、歯車２２２を矢印２２６または２２７の方向へ回転させることは、支持装置５０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２２１の重力方向ＤＲ１の長さは、支持装置５０を上下させる距離に相当する長さである。
【０１５５】
図１４は、振動検出信号ＢＤＳのタイミングチャートである。図１４を参照して、振動検出装置２４０によって検出される振動検出信号ＢＤＳは、種結晶６Ｂが混合融液２９０に接していないとき、信号成分ＳＳ１からなり、種結晶６Ｂが混合融液２９０に接しているとき、信号成分ＳＳ２からなり、種結晶６Ｂが混合融液２９０に浸漬されているとき、信号成分ＳＳ３からなる。
【０１５６】
種結晶６Ｂが混合融液２９０に接していないとき、種結晶６Ｂ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、種結晶６Ｂが混合融液２９０に接しているとき、種結晶６Ｂは、振動印加装置２３０から振動が印加されても、混合融液２９０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、種結晶６Ｂが混合融液２９０に浸漬されているとき、種結晶６Ｂは、振動印加装置２３０から振動が印加されても、混合融液２９０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、信号成分ＳＳ２よりも振幅が小さい信号成分ＳＳ３からなる。
【０１５７】
再び、図１３を参照して、制御部２２５は、振動検出装置２４０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２２５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になるまで、支持装置５０を重力方向ＤＲ１において降下させるようにモータ２２４を制御する。
【０１５８】
より具体的には、制御部２２５は、歯車２２２を矢印２２７の方向へ回転させるようにモータ２２４を制御し、モータ２２４は、制御部２２５からの制御に従って歯車２２２を軸部材２２３を介して矢印２２７の方向へ回転させる。これによって、支持装置５０は、重力方向ＤＲ１において下方向へ移動する。
【０１５９】
そして、制御部２２５は、振動検出装置２４０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へ切換わると、歯車２２２の回転を停止するようにモータ２２４を制御し、モータ２２４は、制御部２２５からの制御に従って歯車２２２の回転を停止させる。これによって、支持装置５０は、移動を停止し、種結晶６Ｂを気液界面３に保持する。
【０１６０】
また、制御部２２５は、信号成分ＳＳ２からなる振動検出信号ＢＤＳを振動検出装置２４０から受けたとき、支持装置５０の移動を停止するようにモータ２２４を制御する。この場合は、種結晶６Ｂが混合融液２９０に既に接触しているからである。
【０１６１】
さらに、制御部２２５は、信号成分ＳＳ３からなる振動検出信号ＢＤＳを振動検出装置２４０から受けたとき、振動検出信号ＢＤＳの信号成分が信号成分ＳＳ２になるまで、支持装置５０を重力方向ＤＲ１において上昇させるようにモータ２２４を制御する。
【０１６２】
より具体的には、制御部２２５は、歯車２２２を矢印２２６の方向へ回転させるようにモータ２２４を制御し、モータ２２４は、制御部２２５からの制御に従って歯車２２２を軸部材２２３を介して矢印２２６の方向へ回転させる。これによって、支持装置５０は、重力方向ＤＲ１において上方向へ移動する。
【０１６３】
そして、制御部２２５は、振動検出装置２４０から受ける振動検出信号ＢＤＳの信号成分が信号成分ＳＳ３から信号成分ＳＳ２へ切換わると、歯車２２２の回転を停止するようにモータ２２４を制御し、モータ２２４は、制御部２２５からの制御に従って歯車２２２の回転を停止させる。これによって、支持装置５０は、移動を停止し、種結晶６Ｂを気液界面３に保持する。
【０１６４】
このように、上下機構２２０は、振動検出装置２４０が検出する振動検出信号ＢＤＳに基づいて、種結晶６Ｂが混合融液２９０に接するように支持装置５０を重力方向ＤＲ１に移動させる。
【０１６５】
図１５は、坩堝１０および反応容器２０の温度の他のタイミングチャートである。また、図１６は、種結晶６Ｂの温度と窒素ガスの流量との関係を示す図である。
【０１６６】
なお、図１５において、直線ｋ１１は、坩堝１０および反応容器２０の温度を示し、曲線ｋ１２および直線ｋ１３は、種結晶６Ｂの温度を示す。
【０１６７】
図１５を参照して、加熱装置７０，８０が坩堝１０および反応容器２０を加熱し始めると、坩堝１０および反応容器２０の温度は、上昇し始め、タイミングｔ１において９８℃に達し、タイミングｔ２で９５０℃に達する。
【０１６８】
そうすると、図５において説明したように、窒素４および金属Ｎａ蒸気５が空間２３内に閉じ込められる（図６参照）。
【０１６９】
そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が９５０℃に達するタイミングｔ２で、上下機構２２０は、振動検出装置２４０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５０を上下し、種結晶６Ｂを混合融液２９０に接触させる。
【０１７０】
そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が９５０℃程度の高温状態では、空間２３内の窒素ガス４は、金属Ｎａを媒介として混合融液２９０中に取り込まれる。この場合、混合融液２９０中の窒素濃度またはＧａｘＮｙ（ｘ，ｙは実数）の濃度は、空間２３と混合融液２９０との気液界面３付近において最も高いため、ＧａＮ結晶が気液界面３に接している種結晶６Ｂから成長し始める。
【０１７１】
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。
【０１７２】
窒素ガスを配管２００内へ供給しない場合、種結晶６Ｂの温度Ｔ３は、混合融液２９０の温度と同じ９５０℃であるが、実施の形態２においては、種結晶６Ｂ付近の混合融液２９０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２００内へ窒素ガスを供給して種結晶６Ｂを冷却し、種結晶６Ｂの温度Ｔ３を混合融液２９０の温度よりも低くする。
【０１７３】
より具体的には、種結晶６Ｂの温度Ｔ３は、タイミングｔ２以降、曲線ｋ１２に従って９５０℃よりも低い温度Ｔｓ１に設定される。この温度Ｔｓ１は、例えば、９００℃である。種結晶６Ｂの温度Ｔ３を温度Ｔｓ１に設定する方法について説明する。
【０１７４】
温度制御装置２８０は、温度センサー７１，８１からそれぞれ受けた温度Ｔ１，Ｔ２が９５０＋α℃に達すると、種結晶６Ｂの温度が９５０℃に設定されたと判定し、種結晶６Ｂの温度Ｔ３を温度Ｔｓ１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２６０へ出力する。
【０１７５】
そうすると、流量計２６０は、制御信号ＣＴＬ４に応じて、温度Ｔ３を温度Ｔｓ１に設定する流量からなる窒素ガスをガスボンベ２７０からガス供給管２５０を介して配管２００内へ流す。種結晶６Ｂの温度は、窒素ガスの流量に略比例して９５０℃から低下し、窒素ガスの流量が流量ｆｒ１（ｓｃｃｍ）になると、種結晶６Ｂの温度Ｔ３は、温度Ｔｓ１に設定される（図１６参照）。
【０１７６】
したがって、流量計２６０は、流量ｆｒ１からなる窒素ガスを配管２００内へ流す。そして、配管２００内へ供給された窒素ガスは、配管２００の複数の空孔２０１から筒状部材５１の底面５１Ｂに吹き付けられる。
【０１７７】
これによって、種結晶６Ｂは、筒状部材５１の底面５１Ｂを介して冷却され、種結晶６Ｂの温度Ｔ３は、タイミングｔ４で温度Ｔｓ１に低下し、その後、タイミングｔ３まで温度Ｔｓ１に保持される。
【０１７８】
なお、実施の形態２においては、好ましくは、種結晶６Ｂの温度Ｔ３は、タイミングｔ２以降、直線ｋ１３に従って低下するように制御される。すなわち、種結晶６Ｂの温度Ｔ３は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間で９５０℃から温度Ｔｓ２（＜Ｔｓ１）まで低下される。この場合、流量計２６０は、温度制御装置２８０からの制御信号ＣＴＬ４に基づいて、直線ｋ１４に従って配管２００内へ流す窒素ガスの流量を０から流量ｆｒ２まで増加する。窒素ガスの流量が流量ｆｒ２になると、種結晶６Ｂの温度Ｔ３は、温度Ｔｓ１よりも低い温度Ｔｓ２に設定される。そして、温度Ｔｓ２は、たとえば、８５０℃である。
【０１７９】
このように、混合融液２９０の温度（＝９５０℃）と種結晶６Ｂの温度Ｔ３との差を徐々に大きくするのは、次の２つの理由による。
【０１８０】
１つ目の理由は、ＧａＮ結晶の結晶成長の進行とともに、種結晶６Ｂには、ＧａＮ結晶が付着するので、種結晶６Ｂの温度を徐々に低下させないと、種結晶６Ｂから結晶成長したＧａＮ結晶の温度を混合融液２９０の温度よりも低い温度に設定し難くなるからである。
【０１８１】
２つ目の理由は、ＧａＮ結晶の結晶成長の進行とともに、混合融液２９０中のＧａが消費され、混合比ｒが大きくなり、混合融液２９０中の窒素濃度またはＩＩＩ族窒化物濃度の過飽和度が小さくなるので、種結晶６Ｂの温度を徐々に低下させないと、混合融液２９０中の窒素濃度またはＩＩＩ族窒化物濃度を過飽和に保持し難くなるからである。
【０１８２】
したがって、ＧａＮ結晶の結晶成長の進行とともに、種結晶６Ｂの温度を徐々に低下させることによって、種結晶６Ｂ付近の混合融液２９０中の窒素またはＩＩＩ族窒化物の過飽和度が徐々に大きくなり、ＧａＮ結晶の結晶成長を少なくとも保持できる。その結果、ＧａＮ結晶のサイズを拡大できる。
【０１８３】
図１７は、図１１に示す結晶成長装置１００Ａを用いてＧａＮ結晶を製造する動作を説明するためのフローチャートである。図１７に示すフローチャートは、図８に示すフローチャートのステップＳ２とステップＳ３との間にステップＳ２Ａを挿入し、ステップＳ４とステップＳ５との間にステップＳ４Ａを挿入し、ステップＳ５とステップＳ６との間にステップＳ５Ａ，５Ｂを挿入したものであり、その他は、図８に示すフローチャートと同じである。
【０１８４】
図１７を参照して、上述したステップＳ２が終了すると、Ａｒガス雰囲気中で種結晶６Ｂを坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａの上側に設定する（ステップＳ２Ａ）。より具体的には、種結晶６Ｂを支持装置５０の一方端５１１側に形成された空間５４へ嵌合することによって（図１２の（ｂ）参照）、種結晶６Ｂを坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａの上側に設定する。
【０１８５】
その後、上述したステップＳ３，Ｓ４が実行される。この場合、ステップＳ４において、窒素ガスの圧力が５ＭＰａに設定され、坩堝１０および反応容器２０の温度が９５０℃に設定される。そして、ステップＳ４の後、坩堝１０および反応容器２０が所望の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２９０が坩堝１０内で発生する。そして、上下機構２２０は、上述した方法によって、種結晶６Ｂを混合融液２９０に接触させる（ステップＳ４Ａ）。
【０１８６】
その後、坩堝１０および反応容器２０の温度が９５０℃の高温状態では、空間２３内の窒素ガスが金属Ｎａを媒介として混合融液２９０中へ取り込まれ、種結晶６ＢからＧａＮ結晶が成長し始める。
【０１８７】
そして、上述したステップＳ５が実行され、種結晶６Ｂの温度Ｔ３が上述した方法によって混合融液２９０の温度（＝９５０℃）よりも低い温度Ｔｓ１（または温度Ｔｓ２）に設定される（ステップＳ５Ａ）。
【０１８８】
そして、ＧａＮ結晶の成長が進行すると、空間２３内の窒素ガスが消費され、空間２３内の窒素ガスが減少する。そうすると、空間２３内の圧力Ｐ１が配管３０内の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなり（Ｐ１＜Ｐ２）、空間２３内と空間３１内との間に差圧が発生し、空間３１の窒素ガスは、融液保持部材６０および金属融液１９０（＝金属Ｎａ融液）を介して空間２３内へ順次補給される。
【０１８９】
その後、種結晶６Ｂが混合融液２９０に接触するように、上述した方法によって種結晶６Ｂを降下させる（ステップＳ５Ｂ）。これによって、大きなサイズのＧａＮ結晶が成長する。そして、上述したステップＳ６が実行され、種結晶６ＢからのＧａＮ結晶の製造が終了する。
【０１９０】
なお、図１７に示すフローチャートにおいては、坩堝１０および反応容器２０が９５０℃に加熱されると、種結晶６Ｂを金属Ｎａおよび金属Ｇａとの混合融液２９０に接触させると説明したが（ステップＳ４，Ｓ４Ａ参照）、この発明においては、これに限らず、坩堝１０および反応容器２０が９５０℃に加熱されると（ステップＳ４参照）、ステップＳ４Ａにおいて、種結晶６Ｂを金属Ｎａおよび金属Ｇａとの混合融液２９０中に保持するようにしてもよい。つまり、坩堝１０および反応容器２０が９５０℃に加熱されると、種結晶６Ｂを混合融液２９０に浸漬して種結晶６ＢからＧａＮ結晶を結晶成長させるようにしてもよい。
【０１９１】
そして、種結晶６Ｂを混合融液２９０に接触させる動作は、振動印加装置２３０によって支持装置５０に振動を印加し、支持装置５０の振動を示す振動検出信号ＢＤＳを検出するステップＡと、検出された振動検出信号ＢＤＳが、種結晶６Ｂが混合融液２９０に接したときの振動検出信号（振動検出信号ＢＤＳの成分ＳＳ２）になるように支持装置５０を上下機構２２０によって移動させるステップＢとからなる。
【０１９２】
また、種結晶６Ｂを混合融液２９０中に保持する動作は、振動印加装置２３０によって支持装置５０に振動を印加し、支持装置５０の振動を示す振動検出信号ＢＤＳを検出するステップＡと、検出された振動検出信号ＢＤＳが、種結晶６Ｂが混合融液２９０中に浸漬されたときの振動検出信号（振動検出信号ＢＤＳの成分ＳＳ３）になるように支持装置５０を上下機構２２０によって移動させるステップＣとからなる。
【０１９３】
ステップＢおよびステップＣにおいて、支持装置５０を上下機構２２０によって移動させるとしているのは、坩堝１０の容積と、坩堝１０に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａの全体量との関係によって、坩堝１０内で生成された混合融液２９０の液面（＝気液界面３）の位置が変動し、坩堝１０内で混合融液２９０が生成された時点で、種結晶６Ｂが混合融液２９０に浸漬されていることもあれば、種結晶６Ｂが空間２３に保持されていることもあるので、種結晶６Ｂを混合融液２９０に接触または種結晶６Ｂを混合融液２９０に浸漬するには、種結晶６Ｂを重力方向ＤＲ１において上下動させる必要があるからである。
【０１９４】
また、図１７に示すフローチャートのステップＳ５Ｂにおいては、種結晶６Ｂが混合融液２９０に接触するように種結晶６Ｂを降下させると説明したが、この発明においては、図１７に示すフローチャートのステップＳ５Ｂは、一般的には、ＧａＮ結晶の結晶成長中、種結晶６Ｂから結晶成長したＧａＮ結晶が混合融液２９０に接するように支持装置５０を上下機構２２０によって移動させるステップＤからなる。
【０１９５】
ＧａＮ結晶の結晶成長とともに、混合融液２９０中のＧａが消費されて混合融液２９０の液面（＝気液界面３）が低下するが、この液面（＝気液界面３）が低下する速度と、ＧａＮ結晶の結晶成長速度との関係によって種結晶６Ｂから結晶成長したＧａＮ結晶を上方向へ移動させる場合もあれば、種結晶６Ｂから結晶成長したＧａＮ結晶を下方向へ移動させる場合もあるからである。
【０１９６】
すなわち、液面（＝気液界面３）の低下速度がＧａＮ結晶の結晶成長速度よりも速い場合、種結晶６Ｂから結晶成長したＧａＮ結晶を下方向へ移動させてＧａＮ結晶を混合融液２９０の液面（＝気液界面３）に接触させる。一方、液面（＝気液界面３）の低下速度がＧａＮ結晶の結晶成長速度よりも遅い場合、種結晶６Ｂから結晶成長したＧａＮ結晶を上方向へ移動させてＧａＮ結晶を混合融液２９０の液面（＝気液界面３）に接触させる。
【０１９７】
このように、液面（＝気液界面３）の低下速度とＧａＮ結晶の結晶成長速度との関係によって、種結晶６Ｂから結晶成長したＧａＮ結晶を重力方向ＤＲ１において上下動させる必要があるので、ステップＤにおいては、「上下機構２２０によって支持装置５０を移動させる」としたものである。
【０１９８】
そして、ステップＤにおいて、種結晶６Ｂから結晶成長したＧａＮ結晶を混合融液２９０に接触させる動作は、上述したステップＡおよびステップＢからなる。
【０１９９】
結晶成長装置１００Ａにおいては、種結晶６Ｂは、グローボックス中で反応容器２０内に設置されるので、ステップＳ４の詳細な動作は、図１０に示すフローチャートからなる。
【０２００】
このように、種結晶６Ｂを空間２３と混合融液２９０との気液界面３に接触させて種結晶６ＢからＧａＮ結晶を結晶成長する場合にも、混合比ｒに応じて決定された圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）を用いてＧａＮ結晶が結晶成長される。
【０２０１】
なお、ガスボンベ１４０、圧力調整器１３０、ガス供給管９０，１１０、バルブ１２１、配管３０、融液保持部材６０および金属融液１９０は、「ガス供給装置」を構成する。
【０２０２】
［実施の形態３］
図１８は、実施の形態３による結晶成長装置の概略断面図である。図１８を参照して、実施の形態３による結晶成長装置１００Ｂは、図１に示す結晶成長装置１００に配管３２０，３３０、加熱装置３５０，３６０，３７０および温度センサー３５１を追加し、金属融液１９０を金属融液３４０に代え、制御装置３００を制御装置３００Ａに代えたものであり、その他は、結晶成長装置１００と同じである。
【０２０３】
なお、結晶成長装置１００Ｂにおいては、融液保持部材６０は、配管３２０内に設置され、圧力センサー３１０は、配管３２０に取り付けられる。
【０２０４】
配管３２０は、一方端がガス供給管１１０に連結され、他方端が配管３３０の一方端に連結される。配管３３０は、一方端が配管３２０の他方端に連結され、他方端が反応容器２０に連結される。
【０２０５】
金属融液３４０は、融液保持部材６０によって配管３２０内に保持される。加熱装置３５０は、金属融液３４０に対向する位置に設置され、温度センサー３５１は、加熱装置３５０に近接して配置される。また、加熱装置３６０は、配管３２０の空間３２２に対向して設置され、加熱装置３７０は、配管３３０に対向して設置される。
【０２０６】
加熱装置３５０は、ヒーターと電流源とからなる。そして、加熱装置３５０は、制御装置３００Ａからの制御信号ＣＴＬ５に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、金属融液３４０の温度を所定の温度に設定する。温度センサー３５１は、加熱装置３５０のヒーターの温度Ｔ４を検出し、その検出した温度Ｔ４を制御装置３００Ａへ出力する。
【０２０７】
加熱装置３６０は、配管３２０の空間３２２を結晶成長温度（＝７２５℃）に加熱し、加熱装置３７０は、配管３３０の空間３３１を結晶成長温度（＝７２５℃）に加熱する。
【０２０８】
制御装置３００Ａは、温度センサー７１，８１，３５１からそれぞれ温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ４を受け、圧力センサー３１０から静水圧Ｐｓを受ける。そして、制御装置３００Ａは、温度センサー３５１から受けた温度Ｔ４に基づいて、金属融液３４０の温度を所定の温度に設定するための制御信号ＣＴＬ５を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ５を加熱装置３５０へ出力する。
【０２０９】
加熱装置３５０のヒーターの温度は、金属融液３４０の温度と所定の温度差βを有する。加熱装置３５０のヒーターの温度がＴｍ＋β℃であるとき、金属融液３４０の温度が温度Ｔｍに設定される。
【０２１０】
したがって、制御装置３００Ａは、温度センサー３５１からの温度Ｔ４をＴｍ＋β℃に設定するための制御信号ＣＴＬ５を生成して加熱装置３５０へ出力し、金属融液３４０の温度を所定の温度Ｔｍに設定する。制御装置３００Ａは、その他、制御装置３００と同じ機能を果たす。
【０２１１】
図１９は、混合融液２９０中における金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比ｒを制御する方法を説明するための概念図である。図１９の（ａ）は、金属融液３４０（＝金属Ｎａ融液）から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａが混合融液２９０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａ−Ｇａに略等しい場合を示し、図１９の（ｂ）は、蒸気圧ＰＮａが蒸気圧ＰＮａ−Ｇａよりも高い場合を示し、図１９の（ｃ）は、蒸気圧ＰＮａが蒸気圧ＰＮａ−Ｇａよりも低い場合を示す。
【０２１２】
金属融液３４０の温度が混合融液２９０の温度と等しい場合、蒸気圧ＰＮａは、蒸気圧ＰＮａ−Ｇａよりも高い。したがって、金属融液３４０の温度が混合融液２９０の温度（＝７２５℃）よりも低い温度に設定されると、蒸気圧ＰＮａが蒸気圧ＰＮａ−Ｇａに略等しくなり、金属融液３４０と混合融液２９０との間における金属Ｎａの気相輸送が、見かけ上、なくなる（図１９の（ａ）参照）。その結果、混合融液２９０および金属融液３４０の量は、ほぼ一定に保持される。
【０２１３】
蒸気圧ＰＮａが蒸気圧ＰＮａ−Ｇａよりも高い場合、金属Ｎａが金属融液３４０から混合融液２９０へ気相輸送され、金属融液３４０は減少し、混合融液２９０は増加する（図１９の（ｂ）参照）。その結果、混合比ｒが大きくなる。
【０２１４】
蒸気圧ＰＮａが蒸気圧ＰＮａ−Ｇａよりも低い場合、金属Ｎａが混合融液２９０から金属融液３４０へ気相輸送され、混合融液２９０は減少し、金属融液３４０は増加する（図１９の（ｃ）参照）。その結果、混合比ｒが小さくなる。
【０２１５】
このように、蒸気圧ＰＮａと蒸気圧ＰＮａ−Ｇａとの関係によって、混合融液２９０および金属融液３４０の量が保持されたり、増減したりする。
【０２１６】
図２０は、図１８に示す制御装置３００Ａの一部の構成を示すブロック図である。図２０を参照して、制御装置３００Ａは、入力ボタン３０１〜３０７と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）３０８と、メモリ３０９とを含む。
【０２１７】
入力ボタン３０１は、混合比ｒを“０．４”に設定するためのボタンであり、入力ボタン３０２は、混合比ｒを“０．７”に設定するためのボタンであり、入力ボタン３０３は、混合比ｒを“０．９５”に設定するためのボタンである。
【０２１８】
また、入力ボタン３０４は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２１および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３１のいずれかを指定するためのボタンであり、入力ボタン３０５は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２２および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３２のいずれかを指定するためのボタンであり、入力ボタン３０６は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２３および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３３のいずれかを指定するためのボタンであり、入力ボタン３０７は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１４、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２４および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３４のいずれかを指定するためのボタンである。
【０２１９】
入力ボタン３０１，３０４を連続して押すと、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１を指定したことになる。そして、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３，ＲＥＧ１４および圧力／温度相関図ＰＴ２，ＰＴ３の領域ＲＥＧ２１，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ３１，ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４のいずれかを指定する場合、入力ボタン３０１〜３０３のいずれかと入力ボタン３０４〜３０７のいずれかとを連続して押す。
【０２２０】
また、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３に含まれる複数の領域を指定する場合、入力ボタン３０１〜３０３のいずれかと、入力ボタン３０４〜３０７のうちの複数のボタンとを連続して押す。そして、入力ボタン３０４〜３０７のうちの複数のボタンを押す順序によってＧａＮ結晶を結晶成長させるときのモードを各種に設定する。
【０２２１】
たとえば、領域ＲＥＧ１３、領域ＲＥＧ１１および領域ＲＥＧ１２を順次指定する場合、入力ボタン３０１を押した後に、入力ボタン３０６、入力ボタン３０４および入力ボタン３０５を順次押す。
【０２２２】
入力ボタン３０１〜３０７は、押下されると、それぞれ、信号ＳＧ１〜ＳＧ７を生成してＣＰＵ３０４へ出力する。信号ＳＧ１は、混合比ｒを“０．４”に設定するための信号であり、信号ＳＧ２は、混合比ｒを“０．７”に設定するための信号であり、信号ＳＧ３は、混合比ｒを“０．９５”に設定するための信号である。
【０２２３】
また、信号ＳＧ４は、領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ２１，ＲＥＧ３１のいずれかを指定するための信号であり、信号ＳＧ５は、領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ３２のいずれかを指定するための信号であり、信号ＳＧ６は、領域ＲＥＧ１３，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ３３のいずれかを指定するための信号であり、信号ＳＧ７は、領域ＲＥＧ１４，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ３４のいずれかを指定するための信号である。
【０２２４】
表１は、信号ＳＧ１〜ＳＧ７と、混合比ｒ＝０．４，０．７，０．９５および領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３，ＲＥＧ１４；ＲＥＧ２１，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４；ＲＥＧ３１，ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４との対応関係を示す。
【０２２５】
【表１】
0005423832.tif 000002
【０２２６】
混合比ｒ＝０．４，０．７，０．９５は、それぞれ、信号ＳＧ１〜ＳＧ３に対応付けられ、信号ＳＧ４は、領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ２１，ＲＥＧ３１に対応付けられ、信号ＳＧ５は、領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ３２に対応付けられ、信号ＳＧ６は、領域ＲＥＧ１３，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ３３に対応付けられ、信号ＲＥＧ７は、領域ＲＥＧ１４，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ３４に対応付けられる。
【０２２７】
ＣＰＵ３０８は、表１を保持しており、信号ＳＧ１〜ＳＧ３を受けると、表１を参照して、それぞれ、混合比ｒ＝０．４，０．７，０．９５を検出する。また、ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１を受けた後に、信号ＳＧ４を受けると、表１を参照して領域ＲＥＧ１１を検出し、信号ＳＧ２を受けた後に、信号ＳＧ４を受けると、表１を参照して領域ＲＥＧ２１を検出し、信号ＳＧ３を受けた後に、信号ＳＧ４を受けると、表１を参照して領域ＲＥＧ３１を検出する。
【０２２８】
さらに、ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１を受けた後に、信号ＳＧ５を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ１２を検出し、信号ＳＧ２を受けた後に、信号ＳＧ５を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ２２を検出し、信号ＳＧ３を受けた後に、信号ＳＧ５を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ３２を検出する。
【０２２９】
さらに、ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１を受けた後に、信号ＳＧ６を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ１３を検出し、信号ＳＧ２を受けた後に、信号ＳＧ６を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ２３を検出し、信号ＳＧ３を受けた後に、信号ＳＧ６を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ３３を検出する。
【０２３０】
さらに、ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１を受けた後に、信号ＳＧ７を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ１４を検出し、信号ＳＧ２を受けた後に、信号ＳＧ７を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ２４を検出し、信号ＳＧ３を受けた後に、信号ＳＧ７を受けると、表１を参照して信号ＲＥＧ３４を検出する。
【０２３１】
図２１は、混合比ｒと圧力／温度相関図との関係を示す図である。図２１を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３は、それぞれ、混合比ｒ＝０．４，０．７，０．９５に対応付けられている。そして、メモリ３０９は、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３をそれぞれ混合比ｒ＝０．４，０．７，０．９５に対応付けて記憶する。そして、図２１に示す圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３は、図４に示す圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３であるので、メモリ３０９は、圧力および温度が記載された圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３をそれぞれ混合比ｒ＝０．４，０．７，０．９５に対応付けて記憶する。
【０２３２】
再び、図２０を参照して、ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１〜ＳＧ３のいずれかと、信号ＳＧ４〜ＳＧ７のうちの少なくとも１つとを連続して受ける。まず、ＣＰＵ３０８が信号ＳＧ１および信号ＳＧ６を連続して受けた場合について説明する。
【０２３３】
ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１および信号ＳＧ６を連続して受けると、信号ＳＧ１によって指定された混合比ｒ（＝０．４）および領域ＲＥＧ１３を表１を参照して検出するとともに、その検出した混合比ｒ（＝０．４）に対応する圧力／温度相関図ＰＴ１をメモリ３０９から読み出す。
【０２３４】
メモリ３０９は、上述したように、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３をそれぞれ混合比ｒ＝０．４，０．７，０．９５に対応付けて記憶しているので、ＣＰＵ３０８は、混合比ｒ＝０．４に対応する圧力／温度相関図ＰＴ１をメモリ３０９から読み出すことができる。
【０２３５】
そして、ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ６に応じて領域ＲＥＧ１３を検出しているので、読み出した圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を検出する。たとえば、ＣＰＵ３０８は、所望の圧力および所望の温度として５．０５ＭＰａおよび７２５℃を圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３から検出する。
【０２３６】
そうすると、ＣＰＵ３０８は、混合融液２９０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比を検出した混合比ｒ＝０．４に設定するための制御信号ＣＴＬ５を生成して加熱装置３５０へ出力する。
【０２３７】
混合融液２９０の温度と金属融液３４０の温度との関係によって、蒸気圧ＰＮａと蒸気圧ＰＮａ−Ｇａとの関係が決定され、蒸気圧ＰＮａと蒸気圧ＰＮａ−Ｇａとの関係によって、上述したように、混合融液２９０および金属融液３５０中の金属Ｎａ量が保持されたり、金属融液３４０から混合融液２９０へ金属Ｎａが移動したり、混合融液２９０から金属融液３４０へ金属Ｎａが移動したりする（図１９参照）。ここで言う金属Ｎａの移動とは、気相輸送のことである。
【０２３８】
そして、混合融液２９０の温度が７２５℃である場合に、混合融液２９０中の混合比ｒが０．４，０．７，０．９５になるときの金属融液３４０の温度を予め測定しておけば、ＣＰＵ３０８は、温度センサー３５１から受けた温度Ｔ４に基づいて、現在の混合融液２９０中の混合比ｒＮＯＷと、信号ＳＧ１によって指定された混合比ｒＤＩＲに混合融液２９０中の混合比ｒを設定するための金属融液３４０の温度ＴＤＩＲとを検出できる。
【０２３９】
図２２は、金属融液３４０の温度と混合比ｒとの関係を示す図である。図２２において、横軸は、混合融液３４０の温度を表し、縦軸は、混合比ｒを表す。曲線ｋ１５は、混合融液２９０の温度が７２５℃である場合の混合比ｒと金属融液３４０の温度との関係を示す。
【０２４０】
図２２を参照して、金属融液３４０の温度がＴＮａ１（＞６００℃）である場合、混合融液２９０中の混合比ｒは、０．４に設定され、金属融液３４０の温度がＴＮａ２（＞ＴＮａ１）である場合、混合融液２９０中の混合比ｒは、０．７に設定され、金属融液３４０の温度がＴＮａ３（ＴＮａ２＜ＴＮａ３＜９５０℃）である場合、混合融液２９０中の混合比ｒは、０．９５に設定される。
【０２４１】
ＣＰＵ３０８は、温度センサー３５１から受けた温度Ｔ４がＴＮａ２＋β℃であれば、金属融液３４０の温度がＴＮａ２であり、現在の混合融液２９０中の混合比ｒＮＯＷが０．７であることを検知する。そして、ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１によって指定された混合比ｒＤＩＲが０．４であるので、混合融液２９０中の混合比を混合比ｒＤＩＲに設定するための金属融液３４０の温度がＴＮａ１であることを検出する。
【０２４２】
そして、ＣＰＵ３０８は、加熱装置３５０のヒーターの温度をＴＮａ１＋β℃に設定するための制御信号ＣＴＬ５を生成して加熱装置３５０へ出力する。
【０２４３】
また、ＣＰＵ３０８は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度として５．０５ＭＰａおよび９５０℃を検出したので、混合融液２９０の温度（＝坩堝１０および反応容器２０の温度）を９５０℃に設定するための制御信号ＣＴＬ１，２を生成してそれぞれ加熱装置７０，８０へ出力するとともに、空間２３の圧力を５．０５ＭＰａに設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成して圧力調整器１３０へ出力する。
【０２４４】
そうすると、加熱装置３５０は、制御装置３００ＡのＣＰＵ３０８からの制御信号ＣＴＬ５に応じて、金属融液３４０の温度をＴＮａ１に設定する。これによって、混合融液２９０中の混合比ｒは、“０．４”に設定される。
【０２４５】
また、加熱装置７０，８０は、制御装置３００ＡのＣＰＵ３０８からの制御信号ＣＴＬ１，２に応じて、混合融液２９０の温度を９５０℃に設定する。さらに、圧力調整器１３０は、制御装置３００ＡのＣＰＵ３０８からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、空間２３の圧力を５．０５ＭＰａに設定する。
【０２４６】
これによって、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶の結晶成長が行なわれる。
【０２４７】
次に、ＣＰＵ３０８が信号ＳＧ１、信号ＳＧ４および信号ＳＧ５を連続して順次受けた場合について説明する。
【０２４８】
ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１、信号ＳＧ４および信号ＳＧ５を連続して順次受けると、信号ＳＧ１によって指定された混合比ｒ（＝０．４）および領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ１２を表１を参照して検出するとともに、その検出した混合比ｒ（＝０．４）に対応する圧力／温度相関図ＰＴ１をメモリ３０９から読み出す。
【０２４９】
そして、ＣＰＵ３０８は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力Ｐｆ１および所望の温度Ｔｆ１と、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力Ｐｆ２および所望の温度Ｔｆ２とを検出する。
【０２５０】
そうすると、ＣＰＵ３０８は、上述した方法によって、混合融液２９０中の混合比ｒを“０．４”に設定するための制御信号ＣＴＬ５を生成して加熱装置３５０へ出力し、混合融液２９０の温度を所望の温度Ｔｆ１に設定するための制御信号ＣＴＬ１，２を生成してそれぞれ加熱装置７０，８０へ出力し、さらに、空間２３の圧力を圧力Ｐｆ１に設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成して圧力調整器１３０へ出力する。
【０２５１】
加熱装置３５０は、制御装置３００ＡのＣＰＵ３０８からの制御信号ＣＴＬ５に応じて、金属融液３４０の温度をＴＮａ１に設定する。これによって、混合融液２９０中の混合比ｒは、“０．４”に設定される。
【０２５２】
また、加熱装置７０，８０は、制御装置３００ＡのＣＰＵ３０８からの制御信号ＣＴＬ１，２に応じて、混合融液２９０の温度をＴｆ１に設定する。さらに、圧力調整器１３０は、制御装置３００ＡのＣＰＵ３０８からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、空間２３の圧力をＰｆ１に設定する。
【０２５３】
これによって、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶の溶解が行なわれる。
【０２５４】
その後、ＣＰＵ３０８は、混合融液２９０の温度を所望の温度Ｔｆ２に設定するための制御信号ＣＴＬ１，２を生成してそれぞれ加熱装置７０，８０へ出力し、空間２３の圧力を圧力Ｐｆ２に設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成して圧力調整器１３０へ出力する。
【０２５５】
そして、加熱装置７０，８０は、制御装置３００ＡのＣＰＵ３０８からの制御信号ＣＴＬ１，２に応じて、混合融液２９０の温度をＴｆ２に設定する。また、圧力調整器１３０は、制御装置３００ＡのＣＰＵ３０８からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、空間２３の圧力をＰｆ２に設定する。
【０２５６】
これによって、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長が行なわれる。
【０２５７】
なお、ＣＰＵ３０８は、上述した信号パターンと異なる信号パターンを入力ボタン３０１〜３０７から受けた場合も、上述した動作と同じ動作に従って、混合融液２９０中の混合比ｒを指定された混合比に設定するとともに、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の各領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を設定する。
【０２５８】
また、ＣＰＵ３０８は、図２２に示す金属融液３４０の温度と混合比ｒとの関係を圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の各領域に含まれる所望の温度に対して保持している。
【０２５９】
図２３は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態２におけるフローチャートである。図２３に示すフローチャートは、図８に示すフローチャートのステップＳ５とステップＳ６との間に、ステップＳ５１〜ステップＳ５４を追加したものであり、その他は、図８に示すフローチャートと同じである。
【０２６０】
図２３を参照して、上述したステップＳ１〜ステップＳ５が実行されると、ＣＰＵ３０８は、混合融液２９０中の混合比を変えるか否かを判定する（ステップＳ５１）。より具体的には、ＣＰＵ３０８は、信号ＳＧ１〜ＳＧ３のいずれかによって指定された混合比ｒＤＩＲが現在の混合比ｒＮＯＷと異なるか否かによって、混合融液２９０中の混合比を変えるか否かを判定する。
【０２６１】
ステップＳ５１において、混合融液２９０中の混合比を変えると判定されたとき、混合融液２９０中の混合比ｒを０．４，０．７，０．９５の範囲で上述した方法によって変える（ステップＳ５２）。
【０２６２】
そして、変化された混合比に対応する圧力／温度相関図を所定の圧力／温度相関図として圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３から選択する（ステップＳ５３）。
【０２６３】
その後、選択された圧力／温度相関図に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定する（ステップＳ５４）。そして、一連の動作は、ステップＳ５へ移行し、ステップＳ５１において、混合融液２９０中の混合比を変えないと判定されるまで、上述したステップＳ５，Ｓ５１〜Ｓ５４が繰り返し実行される。
【０２６４】
そして、ステップＳ５１において、混合融液２９０中の混合比を変えないと判定されると、一連の動作は、上述したステップＳ６へ移行する。
【０２６５】
図２３に示すフローチャートのステップ５，Ｓ５１〜Ｓ５４のループは、混合融液２９０中の混合比を変え、その変えた混合比に対応する圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）を用いてＧａＮ結晶を結晶成長するループである。
【０２６６】
図２４は、実施の形態３による結晶成長装置の他の概略断面図である。実施の形態３による結晶成長装置は、図２４に示す結晶成長装置１００Ｃであってもよい。図２４を参照して、実施の形態３による結晶成長装置１００Ｃは、図１８に示す結晶成長装置１００Ｂにベローズ４０、支持装置５０、配管２００、熱電対２１０、上下機構２２０、振動印加装置２３０  振動検出装置２４０、ガス供給管２５０、流量計２６０、ガスボンベ２７０および温度制御装置２８０を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｂと同じである。
【０２６７】
なお、結晶成長装置１００Ｃにおいては、温度センサー７１は、検出した温度Ｔ１を温度制御装置２８０および制御装置３００Ａへ出力し、温度センサー８１は、検出した温度Ｔ２を温度制御装置２８０および制御装置３００Ａへ出力する。
【０２６８】
ベローズ４０、支持装置５０、配管２００、熱電対２１０、上下機構２２０、振動印加装置２３０  振動検出装置２４０、ガス供給管２５０、流量計２６０、ガスボンベ２７０および温度制御装置２８０については、実施の形態１において説明したとおりである。
【０２６９】
図２５は、図２４に示す結晶成長装置１００Ｃを用いてＧａＮ結晶を製造する動作を説明するためのフローチャートである。図２５に示すフローチャートは、図１７に示すフローチャートのステップＳ５ＢとステップＳ６との間にステップＳ５１〜ステップＳ５４を追加したものであり、その他は、図１７に示すフローチャートと同じである。
【０２７０】
図２５を参照して、上述したステップＳ１，Ｓ２，Ｓ２Ａ，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ４Ａ，Ｓ５，Ｓ５Ａ，Ｓ５Ｂが実行されると、図２３において説明したステップＳ５１〜ステップＳ５４が順次実行される。そして、ステップＳ５４の後、一連の動作は、ステップＳ５へ移行する。
【０２７１】
図２５に示すフローチャートのステップ５，Ｓ５Ａ，Ｓ５Ｂ，Ｓ５１〜Ｓ５４のループは、種結晶６Ｂを混合融液２９０に接触させた状態で、混合融液２９０中の混合比を変え、その変えた混合比に対応する圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）を用いて種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長するループである。
【０２７２】
上述したように、実施の形態３によれば、混合融液２９０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比ｒを信号ＳＧ１〜ＳＧ３によって指定された混合比に自動的に変え、その変えた混合比に対応する圧力／温度相関図を用いてＧａＮ結晶を結晶成長または溶解する。したがって、混合比ｒ、圧力および温度を制御してＧａＮ結晶を結晶成長できる。
【０２７３】
なお、実施の形態３においては、配管３２０，３３０と、金属融液３４０と、混合融液２９０中の混合比を信号ＳＧ１〜ＳＧ３によって指定された混合比ｒＤＩＲに変えるために制御信号ＣＴＬ５を生成して加熱装置３５０へ出力するＣＰＵ３０８と、制御信号ＣＴＬ５に応じて、混合融液２９０中の混合比を混合比ｒＤＩＲに設定する温度に金属融液３４０の温度を設定する加熱装置３５０とは、「混合比変化手段」を構成する。
【０２７４】
また、信号ＳＧ１〜ＳＧ３によって指定された混合比ｒＤＩＲに対応する圧力／温度相関図をメモリ３０９から読み出すＣＰＵ３０８は、「選択手段」を構成する。
【０２７５】
さらに、配管３２０は、「外部容器」を構成し、空間３３１，３２２は、「外部容器空間」を構成する。
【０２７６】
さらに、混合融液２９０中の混合比を信号ＳＧ１〜ＳＧ３によって指定された混合比ｒＤＩＲに変えるために制御信号ＣＴＬ５を生成して加熱装置３５０へ出力するＣＰＵ３０８と、制御信号ＣＴＬ５に応じて、混合融液２９０中の混合比を混合比ｒＤＩＲに設定する温度に金属融液３４０の温度を設定する加熱装置３５０とは、「蒸気圧制御器」を構成する。
【０２７７】
図２６は、この発明による融液保持部材の他の斜視図である。また、図２７は、図２６に示す融液保持部材４００の固定方法を説明するための断面図である。図２６を参照して、融液保持部材４００は、栓４０１と、複数の凸部４０２とからなる。栓４０１は、長さ方向ＤＲ３へ直径が変化する円柱形状からなる。複数の凸部４０２の各々は、略半球形状を有し、直径が数十μｍである。そして、複数の凸部４０２は、栓４０１の外周面４０１Ａにランダムに形成される。ただし、隣接する２つの凸部４０２の間隔は、数十μｍに設定される。
【０２７８】
図２７を参照して、融液保持部材４００は、支持部材４０３，４０４によって配管３０内に固定される。より具体的には、融液保持部材４００は、一方端が配管３０の内壁に固定された支持部材４０３と、一方端が配管３０の内壁に固定された支持部材４０４とによって挟まれることによって固定される。
【０２７９】
この場合、融液保持部材４００の凸部４０２は、配管３０に接していてもよく、接していなくてもよい。凸部４０２が配管３０に接しないように融液保持部材４００が固定される場合、凸部４０２と配管３０との間隔を金属融液１９０の表面張力によって金属融液１９０を保持可能な間隔に設定して融液保持部材４００を支持部材４０３，４０４によって固定する。
【０２８０】
配管３０内に入れられた金属Ｎａは、坩堝１０および反応容器２０の加熱が開始される前、固体であるので、ガスボンベ１４０から供給された窒素ガスは、反応容器２０内の空間２３と配管３０との間を融液保持部材４００を介して拡散可能である。
【０２８１】
そして、坩堝１０および反応容器２０の加熱が開始され、配管３０の温度が９８℃以上に昇温されると、配管３０内に入れられた金属Ｎａは、溶けて金属融液１９０になり、窒素ガスを空間２３に閉じ込める。
【０２８２】
また、融液保持部材４００は、金属融液１９０が空間３１へ流出しないように金属融液１９０の表面張力によって金属融液１９０を保持する。
【０２８３】
さらに、金属融液１９０および融液保持部材４００は、ＧａＮ結晶の成長が進行すると、窒素ガスと、金属融液１９０および混合融液２９０から蒸発した金属Ｎａ蒸気とを空間２３に閉じ込める。その結果、混合融液２９０からの金属Ｎａの更なる蒸発を抑制でき、混合融液２９０中における金属Ｎａの蒸発による金属Ｎａと金属Ｇａとの量比の変動を抑制できる。そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間２３内の窒素ガスが減少すると、空間２３内の圧力Ｐ１は、空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなり、融液保持部材４００は、空間３１の窒素ガスを反応容器２０の方向へ通過させ、金属融液１９０を介して空間２３へ供給する。
【０２８４】
このように、融液保持部材４００は、上述した融液保持部材６０と同じように作用する。したがって、融液保持部材４００は、融液保持部材６０に代えて結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃに用いられる。
【０２８５】
上記においては、融液保持部材４００は、凸部４０２を有すると説明したが、融液保持部材４００は、凸部４０２を有していなくてもよい。この場合、栓４０１と反応容器２０および配管３０との間隔が数十μｍになるように、融液保持部材４００は、支持部材４０３，４０４によって配管３０の内壁に固定される。
【０２８６】
そして、融液保持部材４００（凸部４０２を有する場合と凸部４０２を有さない場合とを含む。以下、同じ）と配管３０との間隔は、融液保持部材４００の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、融液保持部材４００の温度が相対的に高い場合、融液保持部材４００と配管３０との間隔は、相対的に小さく設定される。また、融液保持部材４００の温度が相対的に低い場合、融液保持部材４００と配管３０との間隔は、相対的に大きく設定される。
【０２８７】
表面張力により金属融液１９０を保持可能な融液保持部材４００と配管３０との間隔は、融液保持部材４００の温度によって変化する。したがって、融液保持部材４００と配管３０との間隔を融液保持部材４００の温度に応じて変化させ、表面張力によって金属融液１９０を確実に保持できるようにしたものである。
【０２８８】
そして、融液保持部材４００の温度制御は、加熱装置８０によって行われる。
【０２８９】
融液保持部材４００が用いられる場合、ガスボンベ１４０、圧力調整器１３０、ガス供給管９０，１１０、バルブ１２１、配管３０、融液保持部材４００および金属融液１９０は、「ガス供給装置」を構成する。
【０２９０】
図２８は、この発明による融液保持部材のさらに他の斜視図である。図２８を参照して、融液保持部材４１０は、複数の貫通孔４１２が形成された栓４１１からなる。複数の貫通孔４１２は、栓４１１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。そして、複数の貫通孔４１２の各々は、数十μｍの直径を有する（図２８の（ａ）参照）。
【０２９１】
なお、融液保持部材４１０においては、貫通孔４１２は、少なくとも１個形成されていればよい。
【０２９２】
また、融液保持部材４２０は、複数の貫通孔４２２が形成された栓４２１からなる。複数の貫通孔４２２は、栓４２１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。そして、複数の貫通孔４２２の各々は、長さ方向ＤＲ２へ複数段に変化された直径ｒ１，ｒ２，ｒ３を有する。直径ｒ１，ｒ２，ｒ３の各々は、金属融液１９０を表面張力により保持可能な範囲で決定され、たとえば、数μｍ〜数十μｍの範囲で決定される（図２８の（ｂ）参照）。
【０２９３】
なお、融液保持部材４２０においては、貫通孔４２２は、少なくとも１個形成されていればよい。また、貫通孔４２２の直径は、少なくとも２個に変化されればよい。さらに、貫通孔４２２の直径は、長さ方向ＤＲ２へ連続的に変えられてもよい。
【０２９４】
融液保持部材４１０または４２０は、結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃの融液保持部材６０に代えて用いられる。
【０２９５】
特に、融液保持部材４２０が融液保持部材６０に代えて用いられた場合、結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃにおいて、融液保持部材４２０の温度制御を精密に行なわなくても、複数段に変えられた直径のいずれかによって金属融液１９０を金属融液１９０の表面張力により保持できるので、融液保持部材４２０の温度制御を精密に行なわなくても、大きなサイズを有するＧａＮ結晶を製造できる。
【０２９６】
融液保持部材４１０または４２０が用いられる場合、ガスボンベ１４０、圧力調整器１３０、ガス供給管９０，１１０、バルブ１２１、配管３０、融液保持部材４１０または４２０および金属融液１９０は、「ガス供給装置」を構成する。
【０２９７】
さらに、この発明においては、融液保持部材６０に代えてポーラスプラグまたは逆流防止弁を用いてもよい。ポーラスプラグは、ステンレスの粉末を焼結した焼結体からなり、数十μｍの空孔が多数形成された構造を有する。したがって、ポーラスプラグは、上述した融液保持部材６０と同じように金属融液１９０の表面張力によって金属融液１９０を保持可能である。
【０２９８】
また、この発明における逆流防止弁は、低温部分に用いられるバネ式の逆流防止弁と、高温部分に用いられるピストン式の逆流防止弁との両方を含む。このピストン式の逆流防止弁とは、空間３１内の圧力Ｐ２が空間２３内の圧力Ｐ１よりも高いとき、圧力Ｐ２と圧力Ｐ１との差圧によってピストンが１対のガイドに沿って上方向へ移動して空間３１の窒素ガスを金属融液１９０を介して空間２３へ供給し、Ｐ１≧Ｐ２であるとき、自重によってピストンが反応容器２０と配管３０との連結部を塞ぐ形式の逆流防止弁である。したがって、この逆流防止弁は、高温部分においても使用できる。
【０２９９】
上述した実施の形態においては、結晶成長温度は、７２５℃あるいは９５０℃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、６００℃以上であればよい。また、窒素ガス圧力も０．４ＭＰａ以上の加圧状態の本結晶成長方法で成長可能な圧力であればよい。すなわち、上限も本実施の形態の５．０５ＭＰａに限定されるものではなく、５．０５ＭＰａ以上の圧力であってもよい。
【０３００】
また、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、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを配管３０または３２０内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、金属Ｎａを配管３０または３２０内に入れてもよく、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、金属Ｎａを配管３０または３２０内に入れればよい。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。
【０３０１】
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２９０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。
【０３０２】
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。
【０３０３】
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。
【０３０４】
したがって、この発明による結晶成長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。
【０３０５】
そして、この発明による結晶成長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。
【０３０６】
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。
【０３０７】
この発明は、混合比、ガス圧力および温度を制御してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置に適用される。また、この発明は、混合比、ガス圧力および温度を制御してＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造方法に適用される。
【符号の説明】
【０３０８】
１〜３  気液界面
４  窒素ガス
５  金属Ｎａ蒸気
６〜９，９Ａ  ＧａＮ結晶
６Ｂ  種結晶
１０  坩堝
２０  反応容器
２０Ａ  外周面
２１  本体部
２２  蓋部
２３，３１，３２１，３２２，３３１  空間
３０，２００，３２０，３３０  配管
３０Ａ  内壁
４０  ベローズ
５０  支持装置
６０，４００，４１０，４２０  融液保持部材
６１，４０１，４１１，４２１  栓
６２，４０２  凸部
６３  空隙
７０，８０，３５０，３６０，３７０  加熱装置
７１，８１，３５１  温度センサー
９０，１１０，２５０  ガス供給管
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  結晶成長装置
１２０，１２１，１６０  バルブ
１３０  圧力調整器
１４０，２７０  ガスボンベ
１５０  排気管
１７０  真空ポンプ
１８０  圧力センサー
１９０，３４０  金属融液
２０１  空孔
２１０  熱電対
２２０  上下機構
２２１  凹凸部材
２２２  歯車
２２３  軸部材
２２４  モータ
２２５  制御部
２３０  振動印加装置
２４０  振動検出装置
２８０  温度制御装置
２９０  混合融液
３００，３００Ａ  制御装置
３０１〜３０７  入力ボタン
３０８  ＣＰＵ
３０９  メモリ
３１０  圧力センサー
【先行技術文献】
【特許文献】
【０３０９】
【特許文献１】米国特許第５８６８８３７号明細書
【特許文献２】特開２００１−５８９００号公報
【図１】
0005423832.tif 000003
【図２】
0005423832.tif 000004
【図３】
0005423832.tif 000005
【図４】
0005423832.tif 000006
【図５】
0005423832.tif 000007
【図６】
0005423832.tif 000008
【図７】
0005423832.tif 000009
【図８】
0005423832.tif 000010
【図９】
0005423832.tif 000011
【図１０】
0005423832.tif 000012
【図１１】
0005423832.tif 000013
【図１２】
0005423832.tif 000014
【図１３】
0005423832.tif 000015
【図１４】
0005423832.tif 000016
【図１５】
0005423832.tif 000017
【図１６】
0005423832.tif 000018
【図１７】
0005423832.tif 000019
【図１８】
0005423832.tif 000020
【図１９】
0005423832.tif 000021
【図２０】
0005423832.tif 000022
【図２１】
0005423832.tif 000023
【図２２】
0005423832.tif 000024
【図２３】
0005423832.tif 000025
【図２４】
0005423832.tif 000026
【図２５】
0005423832.tif 000027
【図２６】
0005423832.tif 000028
【図２７】
0005423832.tif 000029
【図２８】
0005423832.tif 000030