(57)【要約】【課題】結晶品質の高い板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を得ることができるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法を提供する。【解決手段】一実施の形態において、ＥＦＧ法を用いたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法であって、全ての領域の欠陥密度が５×１０５／ｃｍ２以下であるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる板状の種結晶２０をＧａ２Ｏ３系融液１２に接触させる工程と、種結晶２０を引き上げ、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を成長させる工程と、を含む、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＦＧ法を用いたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法であって、
全ての領域の欠陥密度が５×１０５／ｃｍ２以下であるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる板状の種結晶をＧａ２Ｏ３系融液に接触させる工程と、
前記種結晶を引き上げ、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる工程と、
を含む、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【請求項２】
前記種結晶をｂ軸方向に引き上げ、幅方向の肩広げを行わずに前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる、
請求項１に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【請求項３】
前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶は、（１０１）面又は（−２０１）面を主面とする板状の単結晶である、
請求項１又は２に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【請求項４】
前記種結晶の幅は、ルツボ内の前記Ｇａ２Ｏ３系融液を前記種結晶に接触させる位置まで上昇させるダイのスリットの開口部の長手方向の幅以上である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＥＦＧ法によりＧａ２Ｏ３単結晶を成長させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された方法によれば、Ｇａ２Ｏ３単結晶を種結晶との接触部分から下方向に徐々に幅を広げながら、すなわち肩を広げながら成長させることにより、種結晶よりも幅の大きな板状の結晶を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１２５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された方法には、肩を広げる工程においてＧａ２Ｏ３単結晶が双晶化し易いという問題がある。また、肩を広げる工程を省くために幅の広い板状の種結晶を用いる場合、成長させるＧａ２Ｏ３結晶の一部の多結晶化や、結晶品質の低下が発生するおそれが強い。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、結晶品質の高い板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を得ることができるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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系単結晶の育成方法を提供する。
【０００７】
［１］ＥＦＧ法を用いたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法であって、全ての領域の欠陥密度が５×１０５／ｃｍ２以下であるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる板状の種結晶をＧａ２Ｏ３系融液に接触させる工程と、前記種結晶を引き上げ、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる工程と、を含む、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【０００８】
［２］前記種結晶をｂ軸方向に引き上げ、幅方向の肩広げを行わずに前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる、前記［１］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【０００９】
［３］前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶は、（１０１）面又は（−２０１）面を主面とする板状の単結晶である、前記［１］又は［２］に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【００１０】
［４］前記種結晶の幅は、ルツボ内の前記Ｇａ２Ｏ３系融液を前記種結晶に接触させる位置まで上昇させるダイのスリットの開口部の長手方向の幅以上である、前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、結晶品質の高い板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を得ることができるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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は、種結晶の欠陥密度とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の多結晶化歩留の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、種結晶の欠陥密度とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の欠陥密度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔実施の形態〕
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の開口部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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
種結晶２０を下降させて、ダイ１４のスリット１４Ａ内を毛細管現象により開口部１４Ｂまで上昇した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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
種結晶２０を構成するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の全ての領域の欠陥密度は、５×１０５／ｃｍ２以下である。この条件を満たすことにより、種結晶２０が幅の広い板状の結晶である場合も、成長させるＧａ２Ｏ３結晶の一部の多結晶化や、結晶品質の低下を抑制することができる。
【００２１】
種結晶２０は、例えば、育成した複数のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶に対して欠陥密度の評価を行い、全ての領域の欠陥密度が５×１０５／ｃｍ２以下である単結晶を選出することにより得られる。この欠陥密度の評価の方法の一例を以下に示す。
【００２２】
まず、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の一部を育成方向に対して垂直に切断し、薄板状の単結晶を切り出す。次に、薄板状の単結晶の育成方向に垂直な面を鏡面研磨し、熱リン酸等でケミカルエッチングする。このとき、欠陥部分においてはエッチング速度が大きくなるため、窪み（エッチピット）が生じる。このエッチピットの単位面積当たりの数を数えることにより、欠陥密度を調べる。なお、欠陥はβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方向に伝播するため、１枚の薄板状の単結晶の欠陥密度を調べることにより、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の全体の欠陥密度を調べることができる。
【００２３】
また、幅の広い板状の種結晶２０を用いることにより、図２に示されるように、肩広げを行うことなく幅の広い板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を得ることができる。このため、単結晶の肩広げに伴う問題、例えば幅方向ｗの肩広げの際の結晶の双晶化等を回避することができる。
【００２４】
具体的には、板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５をｂ軸方向に引き上げて育成する場合、幅方向ｗの肩広げを行うことにより、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５が双晶化するおそれがある。本実施の形態によれば、幅方向ｗの肩広げを行なわず、双晶化させることなく、例えば、（１０１）面又は（−２０１）面を主面とする板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５をｂ軸方向に引き上げて育成することができる。
【００２５】
また、肩広げを行わずに幅の広い板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を育成するためには、種結晶２０の幅が、ダイ１４のスリット１４Ａの開口部１４Ｂの長手方向の幅以上であることが好ましい。
【００２６】
図３は、種結晶の欠陥密度とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の多結晶化歩留の関係を示すグラフである。図３の横軸は種結晶２０の欠陥密度の最大値（最も欠陥が多い領域における欠陥密度）（／ｃｍ２）、縦軸は種結晶２０を用いて育成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の多結晶化歩留（％）を表す。ここで、多結晶化歩留は、多結晶化したものを不良と判断するときの歩留まりを意味する。
【００２７】
図３は、種結晶２０の欠陥密度の最大値が５．０×１０５／ｃｍ−２以下であるときに、多結晶化歩留が８０％以上となることを示している。一般的に、酸化物単結晶の歩留まりの基準として８０％が用いられることが多い。このため、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の多結晶化を抑えるために、種結晶２０の欠陥密度の最大値が５．０×１０５／ｃｍ−２以下、すなわち全ての領域の欠陥密度が５×１０５／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００２８】
図４は、種結晶の欠陥密度とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の欠陥密度の関係を示すグラフである。図４の横軸は種結晶２０の欠陥密度の最大値（／ｃｍ２）、縦軸は種結晶２０を用いて育成されたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の欠陥密度の最大値（／ｃｍ２）を表す。
【００２９】
図４は、種結晶２０の欠陥密度の最大値が大きくなるほど、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の欠陥密度の最大値が大きくなり、特に、種結晶２０の欠陥密度の最大値が３．０×１０５／ｃｍ−２以上であるときに、種結晶２０の欠陥密度の最大値が大きくなるほど、種結晶２０の欠陥密度の最大値とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の欠陥密度の最大値の差が大きくなることを示している。図４によれば、種結晶２０の欠陥密度の最大値が５．０×１０５／ｃｍ−２以下であるときに、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の欠陥密度の最大値が１．０×１０６／ｃｍ−２以下となる。
【００３０】
一般的に、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶をＬＥＤ用基板として用いる場合に、欠陥密度が１．０×１０６／ｃｍ−２以下であることが結晶品質の指標とされることが多い。このため、ＬＥＤ用に高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を育成するためには、種結晶２０の欠陥密度の最大値が５．０×１０５／ｃｍ−２以下、すなわち全ての領域の欠陥密度が５×１０５／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００３１】
なお、図３、４に係る種結晶２０及びβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５は、（１０１）又は（−２０１）面を主面とする板状のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶であり、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５は、種結晶２０をｂ軸方向に引き上げることにより、ｂ軸方向に育成されたものである。ただし、単結晶２５をｂ軸方向に引き上げてβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５をｂ軸方向に育成するのであれば、種結晶２０及びβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の主面の面方位は限定されず、どのような面方位であっても、面方位が（１０１）又は（−２０１）である場合と同様の特性を有する。
【００３２】
以下に、本実施の形態のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の育成条件の一例について述べる。
【００３３】
例えば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の育成は、窒素雰囲気又は窒素と酸素の混合雰囲気下で行われる。
【００３４】
図２に示されるように、幅の広い板状の種結晶２０を用いる場合、種結晶２０が通常の結晶育成に用いられる種結晶よりも大きいため、熱衝撃に弱い。そのため、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、５ｍｍ／ｍｉｎ以上である。
【００３５】
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、１ｍｉｎ以上である。
【００３６】
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、５時間以上掛けて原料を溶かす。
【００３７】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、全ての領域の欠陥密度が５×１０５／ｃｍ２以下である板状の種結晶２０を用いることにより、多結晶化が抑えられた、高い結晶品質を有する板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を育成することができる。
【００３８】
また、種結晶２０が幅の広い板状の結晶である場合も、多結晶化が抑えられた、高い結晶品質を有するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を育成することができる。このため、肩広げを行わずとも、幅の広い板状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５を育成することができ、肩広げに伴うβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶２５の双晶化等の問題を回避することができる。
【００３９】
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】
【００４０】
１０…ＥＦＧ結晶製造装置、２０…種結晶、２５…β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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