(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＦＧ法を用いたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法であって、
種結晶をＧａ２Ｏ３系融液に接触させる工程と、
前記種結晶を引き上げ、ネッキング工程を行わずにβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる工程と、
を含み、
すべての方向において前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の幅が前記種結晶の幅の１１０％以下である、
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法。
【請求項２】
すべての方向において前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の幅が前記種結晶の幅の１００％以下である、
請求項１に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法。
【請求項３】
すべての方向において前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の幅が前記種結晶の幅と等しい、
請求項２に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法。
【請求項４】
前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶をそのｂ軸方向に成長させる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法に関し、特に、双晶化を抑えることのできるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ブリッジマン法により種結晶とほぼ同じ大きさのＩｎＰ単結晶を成長させる結晶成長方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された方法によれば、双晶を含まないＩｎＰ単結晶を得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】F. Matsumoto, et al. Journal of Crystal Growth 132 (1993) pp.348-350.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ブリッジマン法により単結晶を成長させる場合、結晶成長後にルツボを単結晶から引き剥がす必要があるため、ルツボが結晶との密着性の高い材料からなる場合は、成長させた単結晶を取り出すことが難しい。
【０００５】
例えば、Ｇａ２Ｏ３結晶の成長には、通常、Ｉｒからなるルツボが用いられるが、Ｉｒはβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶に対する密着性が高い。そのため、ブリッジマン法を用いてβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させた場合、ルツボから単結晶を取り出すことが難しい。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、双晶化が抑えられたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を得ることができるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［４］のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法を提供する。
【０００８】
［１］ＥＦＧ法を用いたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法であって、種結晶をＧａ２Ｏ３系融液に接触させる工程と、前記種結晶を引き上げ、ネッキング工程を行わずにβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる工程と、を含み、すべての方向において前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の幅が前記種結晶の幅の１１０％以下である、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法。
【０００９】
［２］すべての方向において前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の幅が前記種結晶の幅の１００％以下である、前記［１］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法。
【００１０】
［３］すべての方向において前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の幅が前記種結晶の幅と等しい、前記［２］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法。
【００１１】
［４］前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶をそのｂ軸方向に成長させる、前記［１］〜［３］のいずれか１つに記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、双晶化を効果的に抑えることのできるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の一部の垂直断面図である。
【図２】図２は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態の種結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶との境界付近の部分拡大図である。
【図４】図４は、比較例としての境界近傍にネック部を有する種結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔実施の形態〕
本実施の形態においては、ＥＦＧ（Edge-defined film-fed growth）法により、ネッキングや大きく肩を広げる工程を行わずにβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる。
【００１５】
ネッキング工程とは、種結晶を結晶の原料の融液に接触させる際に、細いネック部を形成する工程である。ネック部を形成した後は、所望の大きさになるまで幅を拡げながら結晶を成長させ（肩拡げ工程）、その後、所望の幅を保ったまま結晶を成長させる。
【００１６】
ネッキング工程を行うことにより、種結晶に含まれる転位が成長結晶へ引き継がれることを防止できるが、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる際にネッキング工程を行う場合、ネッキング工程後の大きく肩を広げる工程において双晶が発生しやすい。
【００１７】
なお、結晶の引き上げ速度を上げる等の方法で、ネッキング工程後にβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を急激に冷やすことにより双晶化を抑えることができるが、熱衝撃によりβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶にクラックが生じる。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の一部の垂直断面図である。このＥＦＧ結晶製造装置１０は、Ｇａ２Ｏ３系融液１２を受容するルツボ１３と、このルツボ１３内に設置されたスリット１４Ａを有するダイ１４と、スリット１４Ａの開口１４Ｂを除くルツボ１３の上面を閉塞する蓋１５と、β−Ｇａ２Ｏ３系種結晶（以下、「種結晶」という）２０を保持する種結晶保持具２１と、種結晶保持具２１を昇降可能に支持するシャフト２２とを有する。
【００１９】
ルツボ１３は、β−Ｇａ２Ｏ３系粉末を溶解させて得られたＧａ２Ｏ３系融液１２を収容する。ルツボ１３は、Ｇａ２Ｏ３系融液１２を収容しうる耐熱性を有するイリジウム等の金属材料からなる。
【００２０】
ダイ１４は、Ｇａ２Ｏ３系融液１２を毛細管現象により上昇させるためのスリット１４Ａを有する。
【００２１】
蓋１５は、ルツボ１３から高温のＧａ２Ｏ３系融液１２が蒸発することを防止し、さらにスリット１４Ａの上面以外の部分にＧａ２Ｏ３系融液１２の蒸気が付着することを防ぐ。
【００２２】
種結晶２０を下降させて毛細管現象で上昇したＧａ２Ｏ３系融液１２に接触させ、Ｇａ２Ｏ３系融液１２と接触した種結晶２０を引き上げることにより、平板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を成長させる。β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の結晶方位は種結晶２０の結晶方位と等しく、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の結晶方位を制御するためには、例えば、種結晶２０の底面の面方位及び水平面内の角度を調整する。
【００２３】
図２は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長中の様子を表す斜視図である。図２中の面２６は、スリット１４Ａのスリット方向と平行なβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の主面である。成長させたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を切り出してβ−Ｇａ２Ｏ３系基板を形成する場合は、β−Ｇａ２Ｏ３系基板の所望の主面の面方位にβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の面２６の面方位を一致させる。例えば、（１０１）面を主面とするβ−Ｇａ２Ｏ３系基板を形成する場合は、面２６の面方位を（１０１）とする。また、成長させたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５は、新たなβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させるための種結晶として用いることができる。
【００２４】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５及び種結晶２０は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶、又は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等の元素が添加されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶である。β−Ｇａ２Ｏ３結晶は単斜晶系に属するβ-ガリア構造を有し、その典型的な格子定数はａ０＝１２．２３Å、ｂ０＝３．０４Å、ｃ０＝５．８０Å、α＝γ＝９０°、β＝１０３．８°である。
【００２５】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の成長中に発生する双晶は、鏡面対称な２つのβ−Ｇａ２Ｏ３系結晶からなる。β−Ｇａ２Ｏ３系結晶の双晶の対称面（双晶面）は、（１００）面である。ＥＦＧ法によりβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる場合、ネッキング工程後の大きく肩を広げる工程において双晶が発生しやすい。
【００２６】
図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の種結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶との境界付近の部分拡大図である。種結晶２０及びβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の幅をそれぞれＷ１及びＷ２とすると、図３（ａ）においてはＷ１＝Ｗ２、図３（ｂ）においてはＷ１＞Ｗ２、図３（ｃ）においてはＷ１＜Ｗ２である。
【００２７】
図３（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、種結晶２０とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５との境界近傍には、ネッキング工程により形成されるネック部が存在しない。このため、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５は双晶を含まないか、含んでいても少量である。なお、ネッキング工程を行わない場合であっても、Ｗ２のＷ１に対する比が大きくなると双晶化が進む傾向があるため、Ｗ２はＷ１の１１０％以下であることが求められる。
【００２８】
また、上記のＷ２とＷ１の関係は、種結晶２０とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５のすべての方向の幅において成り立つ。すなわち、本実施の形態においては、すべての方向においてＧａ２Ｏ３系単結晶２５の幅が種結晶２０の幅の１１０％以下である。
【００２９】
さらに、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の双晶化をより効果的に抑えるためには、すべての方向においてＧａ２Ｏ３系単結晶２５の幅が種結晶２０の幅の１００％以下であることが好ましく、すべての方向においてＧａ２Ｏ３系単結晶２５の幅が種結晶２０の幅と等しいことがより好ましい。
【００３０】
種結晶２０の幅Ｗ１に対するＧａ２Ｏ３系単結晶２５の幅Ｗ２は、例えば、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を成長させる際の温度条件により制御することができる。この場合は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を成長させる際の温度が低いほどその幅Ｗ２が大きくなる。
【００３１】
図４は、比較例としての境界近傍にネック部を有する種結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の部分拡大図である。種結晶１２０とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶１２５の境界近傍にはネック部１２１が存在する。β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶１２５はネッキング工程後の大きく肩を広げる工程を経て形成されるため、多くの双晶を含むことが多い。
【００３２】
例えば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶１２５をｂ軸方向に成長させた場合、主面（図４の紙面に平行な面）上のｂ軸に垂直な方向の１ｃｍ当たりの双晶の平均数は、３０．７〜３７．０本である。
【００３３】
一方、本実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５をｂ軸方向に成長させた場合であっても、面２６上のｂ軸に垂直な方向の１ｃｍ当たりの双晶の平均数がほぼ０本であるＧａ２Ｏ３系単結晶２５を形成することができる。
【００３４】
以下に、本実施の形態のＧａ２Ｏ３系単結晶２５の育成条件の一例について述べる。
【００３５】
例えば、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の育成は、窒素雰囲気下で行われる。
【００３６】
種結晶２０は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５とほぼ同じ大きさか、より大きいため、通常の結晶育成に用いられる種結晶よりも大きく、熱衝撃に弱い。そのため、Ｇａ２Ｏ３系融液１２に接触させる前の種結晶２０のダイ１４からの高さは、ある程度低いことが好ましく、例えば、１０ｍｍである。また、Ｇａ２Ｏ３系融液１２に接触させるまでの種結晶２０の降下速度は、ある程度低いことが好ましく、例えば、１ｍｍ／ｍｉｎである。
【００３７】
種結晶２０をＧａ２Ｏ３系融液１２に接触させた後の引き上げるまでの待機時間は、温度をより安定させて熱衝撃を防ぐために、ある程度長いことが好ましく、例えば、１０ｍｉｎである。
【００３８】
ルツボ１３中の原料を溶かすときの昇温速度は、ルツボ１３周辺の温度が急上昇して種結晶２０に熱衝撃が加わることを防ぐために、ある程度低いことが好ましく、例えば、１１時間掛けて原料を溶かす。
【００３９】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、ネッキングや大きく肩を広げる工程を行わずにＧａ２Ｏ３系単結晶を成長させることにより、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の双晶化を効果的に抑えることができる。
【００４０】
通常、ＥＦＧ法によりβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を育成する場合、結晶をそのｂ軸方向に成長させると特に双晶化しやすい。しかし、本実施の形態によれば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶をｂ軸方向に成長させる場合であっても双晶化を抑えることができる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００４２】
１０…ＥＦＧ結晶製造装置、２０…種結晶、２５…β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶
【図１】
0005491483.tif 000002
【図２】
0005491483.tif 000003
【図３】
0005491483.tif 000004
【図４】
0005491483.tif 000005