(57)【要約】【課題】簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な結晶製造装置を提供する。【解決手段】坩堝１０は、ＮａとＧａとを含む混合融液２７０を保持する。支持装置４０は、その一方端が混合融液２７０に浸漬される。加熱装置５０，６０は、坩堝１０および反応容器２０を８５０℃に加熱する。圧力調整器１２０は、反応容器２０内の窒素ガス圧が分解モードに含まれる圧力になるようにガス供給管９０およびバルブ１１０を介して反応容器２０へ窒素ガスを供給する。流量計２１０は、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を保持したままで、流量ｆｒ２からなる窒素ガスを配管１８０へ供給して支持装置４０の一方端の温度を７５０℃に低下させて一定期間保持し、その後、流量ｆｒ１（＜ｆｒ２）からなる窒素ガスを配管１８０へ供給して支持装置４０の一方端の温度を８００℃に上昇させて一定期間保持する。【選択図】図１
2008222452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族金属とアルカリ金属とを含む混合融液を保持する坩堝と、
外部から前記坩堝内へ窒素原料ガスを供給するガス供給手段と、
一方端が前記混合融液に浸漬された結晶保持棒と、
複数の結晶核を前記結晶保持棒の前記一方端に形成する核形成手段と、
前記複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶を形成する結晶形成手段とを備える結晶製造装置。
【請求項２】
前記結晶形成手段は、前記複数の結晶核が形成されるときの前記混合融液中における窒素の過飽和度よりも低い過飽和度に設定して前記ＩＩＩ族窒化物結晶を形成する、請求項１に記載の結晶製造装置。
【請求項３】
前記核形成手段は、前記坩堝内の前記混合融液に接する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複数の核が発生する圧力および温度に設定して前記複数の結晶核を形成し、
前記結晶形成手段は、前記ガス圧力と前記混合融液の温度とをそれぞれ前記複数の結晶核を種結晶として前記ＩＩＩ族窒化物結晶が結晶成長する圧力および温度に設定して前記ＩＩＩ族窒化物結晶を形成する、請求項１または請求項２に記載の結晶製造装置。
【請求項４】
前記結晶保持棒との間に隙間が形成されるように前記混合融液の表面に配置されたカバー部材をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の結晶製造装置。
【請求項５】
前記坩堝を覆う反応容器と、
前記坩堝と前記反応容器との間に配置されたアルカリ金属融液とをさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の結晶製造装置。
【請求項６】
ＩＩＩ族金属とアルカリ金属とを含む混合融液を坩堝に保持する工程と、
外部から前記坩堝内へ窒素原料ガスを供給する工程と、
結晶保持棒の一方端に複数の結晶核を形成する工程と、
前記複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶を形成する工程とを備える結晶製造方法。
【請求項７】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶を形成する工程における前記混合融液中の窒素の過飽和度は、前記複数の結晶核を形成する工程における前記混合融液中の前記窒素の過飽和度よりも低い、請求項６に記載の結晶製造方法。
【請求項８】
前記複数の結晶核を形成する工程においては、前記坩堝内の前記混合融液に接する空間における前記窒素原料ガスのガス圧力および前記混合融液の温度は、それぞれ、複数の核が発生する圧力および温度に設定され、
前記ＩＩＩ族窒化物結晶を形成する工程においては、前記ガス圧力および前記混合融液の温度は、それぞれ、前記複数の結晶核を種結晶として前記ＩＩＩ族窒化物結晶が結晶成長する圧力および温度に設定される、請求項６または請求項７に記載の結晶製造方法。
【請求項９】
前記混合融液の表面に配置されたカバー部材と前記結晶保持棒との間に形成された隙間を介して前記窒素原料ガスが前記混合融液に溶け込む工程をさらに備える、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の結晶製造方法。
【請求項１０】
複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶。
【請求項１１】
前記複数の結晶核は、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の一方端に含まれる、請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶を製造する結晶製造装置、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法およびＩＩＩ族窒化物結晶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）。
【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
【発明の開示】
【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製造装置において種結晶からＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる場合、種結晶を成長させ、その成長させた種結晶を結晶保持棒に取り付けてＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる必要がある。
【００１２】
これは、二回の結晶成長が必要であり、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長させる工程が煩雑になり、コストが高くなるという問題がある。また、種結晶を結晶保持棒に取り付けるための工夫が必要であり、結晶成長中に結晶が結晶保持棒から外れたり、取り付け自体が難しかったりする等の問題がある。
【００１３】
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、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な結晶製造装置を提供することである。
【００１４】
また、この発明の別の目的は、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な製造方法を提供することである。
【００１５】
さらに、この発明の別の目的は、簡易な工程を経て製造されたＩＩＩ族窒化物結晶を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明によれば、結晶製造装置は、坩堝と、結晶保持棒と、核形成手段と、結晶形成手段とを備える。坩堝は、ＩＩＩ族金属とアルカリ金属とを含む混合融液を保持する。ガス供給手段は、外部から坩堝内へ窒素原料ガスを供給する。結晶保持棒は、一方端が混合融液に浸漬される。核形成手段は、複数の結晶核を結晶保持棒の一方端に形成する。結晶形成手段は、複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶を形成する。
【００１７】
好ましくは、結晶形成手段は、複数の結晶核が形成されるときの混合融液中における窒素の過飽和度よりも低い過飽和度に設定してＩＩＩ族窒化物結晶を形成する。
【００１８】
好ましくは、核形成手段は、坩堝内の混合融液に接する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複数の核が発生する圧力および温度に設定して複数の結晶核を形成する。結晶形成手段は、ガス圧力と混合融液の温度とをそれぞれ複数の結晶核を種結晶としてＩＩＩ族窒化物結晶が結晶成長する圧力および温度に設定してＩＩＩ族窒化物結晶を形成する。
【００１９】
好ましくは、結晶製造装置は、カバー部材をさらに備える。カバー部材は、結晶保持棒との間に隙間が形成されるように混合融液の表面に配置される。
【００２０】
好ましくは、結晶製造装置は、反応容器と、アルカリ金属融液とをさらに備える。反応容器は、坩堝を覆う。アルカリ金属融液は、坩堝と反応容器との間に配置される。
【００２１】
また、この発明によれば、製造方法は、ＩＩＩ族金属とアルカリ金属とを含む混合融液を坩堝に保持する工程と、外部から坩堝内へ窒素原料ガスを供給する工程と、結晶保持棒の一方端に複数の結晶核を形成する工程と、複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶を形成する工程とを備える。
【００２２】
好ましくは、ＩＩＩ族窒化物結晶を形成する工程における混合融液中の窒素の過飽和度は、複数の結晶核を形成する工程における混合融液中の窒素の過飽和度よりも低い。
【００２３】
好ましくは、複数の結晶核を形成する工程においては、坩堝内の混合融液に接する空間における窒素原料ガスのガス圧力および前記混合融液の温度は、それぞれ、複数の核が発生する圧力および温度に設定される。ＩＩＩ族窒化物結晶を形成する工程においては、ガス圧力および混合融液の温度は、それぞれ、複数の結晶核を種結晶としてＩＩＩ族窒化物結晶が結晶成長する圧力および温度に設定される。
【００２４】
好ましくは、製造方法は、混合融液の表面に配置されたカバー部材と結晶保持棒との間に形成された隙間を介して窒素原料ガスが混合融液に溶け込む工程をさらに備える。
【００２５】
さらに、この発明によれば、ＩＩＩ族窒化物結晶は、複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶である。
【００２６】
好ましくは、複数の結晶核は、ＩＩＩ族窒化物結晶の一方端に含まれる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明においては、複数の結晶核が形成され、その後、複数の結晶核を含むＩＩＩ族窒化物結晶が製造される。つまり、複数の結晶核が形成された後、原料の仕込みを行なうことなく、複数の結晶核の形成とＩＩＩ族窒化物結晶の製造とが連続して行なわれる。
【００２８】
したがって、この発明によれば、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による結晶製造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による結晶製造装置１００は、坩堝１０と、反応容器２０と、ベローズ３０と、支持装置４０と、加熱装置５０，６０，７０と、温度センサー５１，６１，７１と、ガス供給管９０，２００と、バルブ１１０，１５０と、圧力調整器１２０と、ガスボンベ１３０，２２０と、排気管１４０と、真空ポンプ１６０と、圧力センサー１７０と、配管１８０と、熱電対１９０と、流量計２１０と、振動印加装置２３０と、上下機構２４０と、振動検出装置２５０と、温度制御装置２６０と、アルカリ金属融液２８０とを備える。
【００３１】
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、配管接続部２３とからなる。本体部２１、蓋部２２および配管接続部２３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。また、配管接続部２３は、本体部２１の底面に設けられる。
【００３２】
ベローズ３０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４０は、中空の筒形状からなり、一部がベローズ３０を介して反応容器２０内の空間２４内へ挿入される。
【００３３】
加熱装置５０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６０は、反応容器２０の底面２０Ｂに対向して配置される。加熱装置７０は、ガス供給管９０の一部に対向して配置される。温度センサー５１，６１，７１は、それぞれ、加熱装置５０，６０，７０に近接して配置される。
【００３４】
ガス供給管９０は、一方端が反応容器２０の配管接続部２３に連結され、他方端がガスボンベ１３０に連結される。バルブ１１０は、配管接続部２３の近傍でガス供給管９０に装着される。圧力調整器１２０は、ガスボンベ１３０の近傍でガス供給管９０に装着される。ガスボンベ１３０は、ガス供給管９０の他方端に連結される。
【００３５】
排気管１４０は、一方端がバルブ１５０を介して反応容器２０に連結され、他方端が真空ポンプ１６０に連結される。バルブ１５０は、反応容器２０の近傍で排気管１４０に装着される。真空ポンプ１６０は、排気管１４０の他方端に連結される。
【００３６】
圧力センサー１７０は、反応容器２０に取り付けられる。配管１８０および熱電対１９０は、支持装置４０の内部に挿入される。ガス供給管２００は、一方端が配管１８０に連結され、他方端が流量計２１０を介してガスボンベ２２０に連結される。流量計２１０は、ガスボンベ２２０の近傍でガス供給管２００に装着される。ガスボンベ２２０は、ガス供給管２００の他方端に連結される。上下機構２４０は、ベローズ３０の上側において支持装置４０に取り付けられる。
【００３７】
アルカリ金属融液２８０は、金属ナトリウム（金属Ｎａ）融液からなり、ガス供給管９０内に保持される。
【００３８】
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２７０を保持する。反応容器２０は、坩堝１０の周囲を覆う。ベローズ３０は、支持装置４０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３０は、支持装置４０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４０は、反応容器２０内に挿入された一方端が混合融液２７０に浸漬される。
【００３９】
加熱装置５０は、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置５０は、温度制御装置２６０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を結晶成長温度または結晶分解温度に加熱する。温度センサー５１は、加熱装置５０のヒーターの温度Ｔ１を検出し、その検出した温度Ｔ１を温度制御装置２６０へ出力する。
【００４０】
加熱装置６０も、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置６０は、温度制御装置２６０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を結晶成長温度または結晶分解温度に加熱する。温度センサー６１は、加熱装置６０のヒーターの温度Ｔ２を検出し、その検出した温度Ｔ２を温度制御装置２６０へ出力する。
【００４１】
加熱装置７０も、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置７０は、温度制御装置２６０からの制御信号ＣＴＬ３に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、ガス供給管９０の一部を金属Ｎａが実質的に蒸発しない温度に加熱する。ここで言うＮａの実質的蒸発が生じない温度とは、たとえば、２００〜３００℃である。２００℃におけるＮａの蒸気圧は、約１．８×１０−２Ｐａであり、３００℃におけるＮａの蒸気圧は、約１．８Ｐａである。したがって、加熱装置７０は、金属Ｎａの実質的蒸発を抑制し、アルカリ金属融液２８０（金属Ｎａ融液）がガス供給管９０の一部に液体の状態で保持されるようにガス供給管９０の一部を２００℃〜３００℃に加熱する。
【００４２】
温度センサー７１は、加熱装置７０のヒーターの温度Ｔ３を検出し、その検出した温度Ｔ３を温度制御装置２６０へ出力する。
【００４３】
ガス供給管９０は、その一部にアルカリ金属融液２８０を保持するとともに、ガスボンベ１３０から圧力調整器１２０を介して供給された窒素ガスをアルカリ金属融液２８０を介して反応容器２０内へ供給する。バルブ１１０は、ガス供給管９０を反応容器２０の配管接続部２３に着脱可能な構造からなり、ガス供給管９０と反応容器２０とを空間的に繋げ、またはガス供給管９０と反応容器２０とを空間的に遮断する。圧力調整器１２０は、ガスボンベ１３０からの窒素ガスを所定の圧力にしてガス供給管９０に供給する。
【００４４】
ガスボンベ１３０は、窒素ガスを保持する。排気管１４０は、反応容器２０内の気体を真空ポンプ１６０へ通過させる。バルブ１５０は、反応容器２０内と排気管１４０とを空間的に繋げ、または反応容器２０内と排気管１４０とを空間的に遮断する。真空ポンプ１６０は、排気管１４０およびバルブ１５０を介して反応容器２０内の真空引きを行なう。
【００４５】
圧力センサー１７０は、反応容器２０内の圧力を検出する。配管１８０は、ガス供給管２００から供給された窒素ガスを一方端から支持装置４０内へ放出してＧａＮ結晶を冷却する。熱電対１９０は、ＧａＮ結晶の温度Ｔ４を検出し、その検出した温度Ｔ４を温度制御装置２６０へ出力する。なお、支持装置４０内に放出された窒素ガスは、支持装置４０の図示されていない開口部を介して結晶製造装置１００外へ放出される。
【００４６】
ガス供給管２００は、ガスボンベ２２０から流量計２１０を介して供給された窒素ガスを配管１８０へ供給する。流量計２１０は、温度制御装置２６０からの制御信号ＣＴＬ４に応じて、ガスボンベ２２０から供給された窒素ガスの流量を調整してガス供給管２００へ供給する。ガスボンベ２２０は、窒素ガスを保持する。
【００４７】
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４０に印加する。上下機構２４０は、振動検出装置２５０からの振動検出信号ＢＤＳに応じて、後述する方法によって、支持装置４０の一方端が空間２４と混合融液２７０との気液界面１に接するように支持装置４０を上下する。
【００４８】
振動検出装置２５０は、たとえば、加速度ピックアップからなり、支持装置４０の振動を検出するとともに、支持装置４０の振動を示す振動検出信号ＢＤＳを上下機構２４０へ出力する。
【００４９】
温度制御装置２６０は、温度Ｔ１〜Ｔ４をそれぞれ温度センサー５１，６１，７１および熱電対１９０から受け、その受けた温度Ｔ１〜Ｔ４に基づいてそれぞれ制御信号ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４を生成する。より具体的には、温度制御装置２６０は、温度センサー５１からの温度Ｔ１に基づいて、坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度または結晶分解温度に加熱するための制御信号ＣＴＬ１を生成し、温度センサー６１からの温度Ｔ２に基づいて、坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度または結晶分解温度に加熱するための制御信号ＣＴＬ２を生成する。また、温度制御装置２６０は、温度センサー７１からの温度Ｔ３に基づいて、ガス供給管９０の一部をＮａの実質的蒸発が生じない温度に加熱するための制御信号ＣＴＬ３を生成する。さらに、温度制御装置２６０は、熱電対１９０からの温度Ｔ４に基づいて、ＧａＮ結晶の温度Ｔ４を支持装置４０が接する以外の混合融液２７０の温度よりも低い温度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を生成する。
【００５０】
そして、温度制御装置２６０は、その生成した制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２，ＣＴＬ３をそれぞれ加熱装置５０，６０，７０へ出力し、制御信号ＣＴＬ４を流量計２１０へ出力する。
【００５１】
図２は、図１に示す支持装置４０、配管１８０および熱電対１９０の拡大図である。図２を参照して、支持装置４０は、筒状部材４１からなる。筒状部材４１は、略円形の断面形状を有する。
【００５２】
配管１８０は、略円形の断面形状を有し、筒状部材４１の内部に配置される。この場合、配管１８０の底面１８０Ａは、筒状部材４１の底面４１Ｂに対向するように配置される。そして、配管１８０の底面１８０Ａには、複数の空孔１８１が形成される。配管１８０内へ供給された窒素ガスは、複数の空孔１８１を介して筒状部材４１の底面４１Ｂに吹き付けられる。
【００５３】
熱電対１９０は、一方端１９０Ａが筒状部材４１の底面４１Ｂに接するように筒状部材４１の内部に配置される（図２の（ａ）参照）。
【００５４】
そして、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が筒状部材４１の底面４１Ｂに結晶成長する（図２の（ｂ）参照）。
【００５５】
したがって、ＧａＮ結晶６と筒状部材４１との間の熱伝導率が高くなる。その結果、熱電対１９０によってＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を検出できるとともに、配管１８０から筒状部材４１の底面４１Ｂに吹き付けられた窒素ガスによってＧａＮ結晶６を容易に冷却できる。
【００５６】
図３は、図１に示す上下機構２４０の構成を示す概略図である。図３を参照して、上下機構２４０は、凹凸部材２４１と、歯車２４２と、軸部材２４３と、モータ２４４と、制御部２４５とを含む。
【００５７】
凹凸部材２４１は、略三角形状の断面形状からなり、筒状部材４１の外周面４１Ａに固定される。歯車２４２は、軸部材２４３の一方端に固定され、凹凸部材２４１と噛み合う。軸部材２４３は、その一方端が歯車２４２に連結され、他方端がモータ２４４のシャフト（図示せず）に連結される。
【００５８】
モータ２４４は、制御部２４５からの制御に従って歯車２４２を矢印２４６または２４７の方向へ回転させる。制御部２４５は、振動検出装置２５０からの振動検出信号ＢＤＳに基づいて、歯車２４２を矢印２４６または２４７の方向へ回転させるようにモータ２４４を制御する。
【００５９】
歯車２４２が矢印２４６の方向へ回転すれば、支持装置４０は、重力方向ＤＲ１において上方向へ移動し、歯車２４２が矢印２４７の方向へ回転すれば、支持装置４０は、重力方向ＤＲ１において下方向へ移動する。
【００６０】
したがって、歯車２４２を矢印２４６または２４７の方向へ回転させることは、支持装置４０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２４１の重力方向ＤＲ１の長さは、支持装置４０がＧａＮ結晶６を上下させる距離に相当する長さである。
【００６１】
図４は、振動検出信号ＢＤＳのタイミングチャートである。図４を参照して、振動検出装置２５０によって検出される振動検出信号ＢＤＳは、支持装置４０が混合融液２７０に接していないとき、信号成分ＳＳ１からなり、支持装置４０が混合融液２７０に接しているとき、信号成分ＳＳ２からなり、支持装置４０が混合融液２７０に浸漬されているとき、信号成分ＳＳ３からなる。
【００６２】
支持装置４０が混合融液２７０に接していないとき、支持装置４０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、支持装置４０が混合融液２７０に接しているとき、支持装置４０は、振動印加装置２３０から振動が印加されても、混合融液２７０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、支持装置４０（またはＧａＮ結晶６）が混合融液２７０に浸漬されているとき、支持装置４０（またはＧａＮ結晶６）は、振動印加装置２３０から振動が印加されても、混合融液２７０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、振幅が信号成分ＳＳ２よりも小さい信号成分ＳＳ３からなる。
【００６３】
再び、図３を参照して、制御部２４５は、振動検出装置２５０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２４５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またはＳＳ３になるまで、支持装置４０を重力方向ＤＲ１において降下させるようにモータ２４４を制御する。
【００６４】
より具体的には、制御部２４５は、歯車２４２を矢印２４７の方向へ回転させるようにモータ２４４を制御し、モータ２４４は、制御部２４５からの制御に従って歯車２４２を軸部材２４３を介して矢印２４７の方向へ回転させる。これによって、支持装置４０は、重力方向ＤＲ１において下方向へ移動する。
【００６５】
そして、制御部２４５は、振動検出装置２５０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またはＳＳ３へ切換わると、歯車２４２の回転を停止するようにモータ２４４を制御し、モータ２４４は、制御部２４５からの制御に従って歯車２４２の回転を停止させる。これによって、支持装置４０は、移動を停止し、支持装置４０の一方端を気液界面２に保持し、または支持装置４０の一方端を混合融液２７０中に保持する。
一方、制御部２４５は、信号成分ＳＳ２またはＳＳ３からなる振動検出信号ＢＤＳを振動検出装置２５０から受けたとき、支持装置４０の移動を停止するようにモータ２４４を制御する。
【００６６】
このように、上下機構２４０は、振動検出装置２５０が検出する振動検出信号ＢＤＳに基づいて、支持装置４０の一方端が混合融液２７０に接するように、または支持装置４０の一方端が混合融液２７０に浸漬されるように支持装置４０を重力方向ＤＲ１に移動させる。
【００６７】
図５は、ＧａＮ結晶を成長させる場合の窒素ガス圧と混合融液２７０の温度との関係を示す図である。図５において、横軸は、混合融液２７０の温度を表し、縦軸は、窒素ガス圧を表す。また、領域ＲＥＧ１は、ＧａＮ結晶が溶解する領域であり、領域ＲＥＧ２は、坩堝１０の混合融液２７０に接する底面および側面において多くの核が自発的に発生し、ｃ軸（＜０００１＞）方向に成長した柱状形状のＧａＮ結晶が製造される領域であり、領域ＲＥＧ３は、ＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。そして、領域ＲＥＧ１を「分解モード」と言い、領域ＲＥＧ２を「多核発生モード」と言い、領域ＲＥＧ３を「種結晶成長モード」と言う。
【００６８】
図６は、ＧａＮ結晶６の温度と窒素ガスの流量との関係を示す図である。図６において、縦軸は、ＧａＮ結晶６の温度を表し、横軸は、窒素ガス流量を表す。図６を参照して、流量計２１０がガス供給管２００を介して配管１８０に窒素ガスを供給したときの支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度と、窒素ガス流量との関係は、直線ｋ１によって表される。
【００６９】
すなわち、配管１８０に供給される窒素ガス流量が０（ｓｃｃｍ）である場合、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、８５０℃であり、配管１８０に供給される窒素ガス流量がｆｒ１（ｓｃｃｍ）である場合、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、８００℃であり、配管１８０に供給される窒素ガス流量がｆｒ２（＞ｆｒ１）（ｓｃｃｍ）である場合、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、７５０℃である。このように、配管１８０に供給される窒素ガス流量が増加するに伴って、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、低下する。
【００７０】
温度制御装置２６０は、熱電対１９０から温度Ｔ４を受けると、直線ｋ１を参照して、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度を７５０℃〜８５０℃の範囲の温度に設定するために必要な流量からなる窒素ガスを配管１８０に供給するための制御信号ＣＴＬ４を生成する。そして、流量計２１０は、温度制御装置２６０から制御信号ＣＴＬ４に応じて、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度を７５０℃〜８５０℃の範囲の温度に設定するために必要な流量からなる窒素ガスをガス供給管２００を介して配管１８０へ流す。これによって、支持装置４０の一方端（＝ＧａＮ結晶６）の温度は、７５０℃〜８５０℃の範囲に設定される。
【００７１】
支持装置４０の一方端の温度が８５０℃よりも低い温度に低下すると、支持装置４０の一方端近傍の混合融液２７０の温度も８５０℃よりも低い温度に低下する。したがって、配管１８０に窒素ガスを供給することによって、支持装置４０の一方端および一方端近傍の温度をそれ以外の領域の温度よりも低下させることができる。
【００７２】
なお、図６におけるＧａＮ結晶の温度は、図５に示す温度範囲に対応して示されたものであり、ＧａＮ結晶を結晶成長またはＧａＮ結晶を分解するための温度が７５０℃〜８５０℃の範囲から変更されれば、その変更に応じて、図６に示すＧａＮ結晶６の温度も変更される。
【００７３】
また、以下の記述において、ＧａＮ結晶６の温度とは、ＧａＮ結晶６を含む支持装置４０の混合融液２７０と接する一方端の温度のことであり、ＧａＮ結晶６が成長する前は、結晶核５と支持装置４０の混合融液２７０と接する一方端の温度、あるいは支持装置４０の混合融液２７０と接する一方端の温度のみのことである。
【００７４】
この発明においては、図５に示す領域ＲＥＧ２に含まれる温度および圧力を用いて支持装置４０の一方端に複数の結晶核５を形成し、その後、領域ＲＥＧ３に含まれる温度および圧力を用いて複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６を結晶成長させる。
【００７５】
より具体的には、以下に示す結晶成長モードＩ〜結晶成長モードＩＸのいずれかの結晶成長モードを用いてＧａＮ結晶６を結晶成長させる。
【００７６】
図７から図１５は、それぞれ、結晶成長モードＩ〜結晶成長モードＩＸを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【００７７】
（結晶成長モードＩ）
結晶成長モードＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
【００７８】
より具体的には、図７を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ２，ｋ３，ｋ５に従って８５０℃に昇温され、８５０℃に保持された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、直線ｋ２、曲線ｋ４および直線ｋ６に従って８５０℃に昇温され、その後、７５０℃および８００℃に変えられた後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ７に従って１．０１ＭＰａに昇圧され、その後、１．０１ＭＰａに保持された後、降圧される。
【００７９】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ１で９８℃に達し、タイミングｔ２で８５０℃に昇温される。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、８５０℃に保持され、その後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ３に達すると、流量ｆｒ２（ｓｃｃｍ）からなる窒素ガスが配管１８０に流されることによって降温され、タイミングｔ４で７５０℃に設定される。そして、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、７５０℃に設定される。その後、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ５で配管１８０に供給される窒素ガスの流量がｆｒ２（ｓｃｃｍ）からｆｒ１（ｓｃｃｍ）に減少されることによって上昇し、タイミングｔ６で８００℃に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２で１．０１ＭＰａに昇圧され、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、１．０１ＭＰａに保持され、その後、降圧される。
【００８０】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
【００８１】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【００８２】
（結晶成長モードＩＩ）
結晶成長モードＩＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０の温度を低下させ、かつ、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
【００８３】
より具体的には、図８を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ２、曲線ｋ８および直線ｋ６に従って８５０℃に昇温され、一定期間、８５０℃および８００℃に順次保持された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、結晶成長モードＩと同じように設定され、坩堝１０および反応容器２０内の圧力も、結晶成長モードＩと同じように設定される。
【００８４】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、結晶成長モードＩと同じように、タイミングｔ２で８５０℃に昇温され、その後、タイミングｔ２からタイミングｔ５までの間、８５０℃に保持される。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ６で８００℃に変えられ、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。
【００８５】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
【００８６】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【００８７】
（結晶成長モードＩＩＩ）
結晶成長モードＩＩＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
【００８８】
より具体的には、図９を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９，ｋ１０，ｋ６に従って８００℃に昇温され、８００℃に保持された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、直線ｋ９、曲線ｋ１１および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、その後、７５０℃および８００℃に順次設定された後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ７に従って１．０１ＭＰａに昇圧され、その後、１．０１ＭＰａに保持された後、降圧される。
【００８９】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ１で９８℃に達し、タイミングｔ２で８００℃に昇温される。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ３に達すると、流量ｆｒ２（ｓｃｃｍ）からなる窒素ガスが配管１８０に流されることによって降温され、タイミングｔ４で７５０℃に設定される。そして、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、７５０℃に設定される。その後、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ５で配管１８０への窒素ガスの供給を停止することによって上昇し、タイミングｔ６で８００℃に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、結晶成長モードＩと同じように設定される。
【００９０】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
【００９１】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【００９２】
（結晶成長モードＩＶ）
結晶成長モードＩＶにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定するとともに、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
【００９３】
より具体的には、図１０を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９曲線ｋ１２および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、８００℃および８５０℃に順次設定された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、結晶成長モードＩＩＩと同じように設定される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力も、結晶成長モードＩＩＩと同じように設定される。
【００９４】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２で８００℃に昇温され、タイミングｔ２からタイミングｔ５までの間、８００℃に保持され、その後、タイミングｔ６で８５０℃に昇温され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、８５０℃に保持され、その後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、結晶成長モードＩＩＩと同じように設定され、坩堝１０および反応容器２０内の圧力も、結晶成長モードＩＩＩと同じように設定される。
【００９５】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
【００９６】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【００９７】
（結晶成長モードＶ）
結晶成長モードＶにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１またはＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したまま、支持装置４０の一方端の温度を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定する。
【００９８】
より具体的には、図１１を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９、直線ｋ３（またはｋ１０）および直線ｋ６に従って８００℃（または８５０℃）に昇温され、一定期間、８００℃（または８５０℃）に保持された後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、直線ｋ９、曲線ｋ１３および直線ｋ１４に従って、一定期間、８００℃（または８５０℃）に保持された後、一定期間、７５０℃に設定され、その後、降温される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、結晶成長モードＩ〜ＩＶと同じように設定される。
【００９９】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２で８５０℃（または８００℃）に昇温され、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、８５０℃（または８００℃）に保持され、その後、降温される。また、支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、８５０℃（または８００℃）に設定され、流量ｆｒ２（ｓｃｃｍ）からなる窒素ガスをタイミングｔ３で配管１８０に流すことによって７５０℃に降温され、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間、７５０℃に保持され、その後、降温される。坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、結晶成長モードＩ〜ＩＶと同じように設定される。
【０１００】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ１（または領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１（または領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定される。
【０１０１】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【０１０２】
（結晶成長モードＶＩ）
結晶成長モードＶＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
【０１０３】
より具体的には、図１２を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９、直線ｋ３および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、一定期間、８００℃に保持された後、降温される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ１５に従って、一定期間、０．５ＭＰａ、１．０１ＭＰａおよび２．０２ＭＰａに順次設定され、その後、降圧される。
【０１０４】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２で８００℃に昇温され、タイミングｔ２からタイミングｔ７までの間、８００℃に保持され、その後、降温される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、０．５ＭＰａに設定され、その後、昇圧され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、２．０２ＭＰａに設定され、その後、降圧されてタイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、１．０１ＭＰａに設定される。
【０１０５】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定される。
【０１０６】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【０１０７】
（結晶成長モードＶＩＩ）
結晶成長モードＶＩＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
【０１０８】
より具体的には、図１３を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９、直線ｋ３および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、一定期間、８００℃に保持された後、降温される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ１６に従って、一定期間、１．０１ＭＰａ、２．０２ＭＰａおよび１．０１ＭＰａに順次設定され、その後、降圧される。
【０１０９】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、結晶成長モードＶＩと同じように設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、１．０１ＭＰａに設定され、その後、昇圧され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、２．０２ＭＰａに設定され、その後、降圧されてタイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、１．０１ＭＰａに設定される。
【０１１０】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定される。
【０１１１】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【０１１２】
（結晶成長モードＶＩＩＩ）
結晶成長モードＶＩＩＩにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１または領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したまま、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定する。
【０１１３】
より具体的には、図１４を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ９、直線ｋ３および直線ｋ６に従って８００℃に昇温され、一定期間、８００℃に保持された後、降温される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ１７に従って、一定期間、０．５ＭＰａ（または１．０１ＭＰａ）および２．０２ＭＰａに順次設定され、その後、降圧される。
【０１１４】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０の温度は、結晶成長モードＶＩと同じように設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、０．５ＭＰａ（または１．０１ＭＰａ）に設定され、その後、昇圧され、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間、２．０２ＭＰａに設定され、その後、降圧される。
【０１１５】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１または領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ２に設定される。
【０１１６】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成されるとともに、幾何学的選別作用によって複数の結晶核５から選択された結晶核を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【０１１７】
（結晶成長モードＩＸ）
結晶成長モードＩＸにおいては、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定し、その後、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度の両方を変化させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定し、さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度の両方を変化させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定する。
【０１１８】
より具体的には、図１５を参照して、坩堝１０および反応容器２０の温度は、直線ｋ２、直線ｋ３および直線ｋ５に従って、結晶成長モードＩと同じように設定される。また、支持装置４０の一方端の温度も、直線ｋ２、曲線ｋ４および直線ｋ６に従って、結晶成長モードＩと同じように設定される。さらに、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、曲線ｋ１８に従って、一定期間、１．０１ＭＰａ、２．０２ＭＰａおよび１．０１ＭＰａに順次設定され、その後、降圧される。
【０１１９】
さらに、詳細には、坩堝１０および反応容器２０内の圧力は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、１．０１ＭＰａに設定され、その後、昇圧され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、２．０２ＭＰａに設定され、その後、降圧されてタイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、１．０１ＭＰａに設定される。
【０１２０】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ３に設定され、さらに、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定される。また、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、領域ＲＥＧ１に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、領域ＲＥＧ２に含まれる圧力および温度に設定され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間、領域ＲＥＧ３に含まれる圧力および温度に設定される。
【０１２１】
その結果、支持装置４０の一方端の近傍領域以外の領域における結晶核５の発生を抑制して、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間で複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成され、タイミングｔ６からタイミングｔ７までの間で複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【０１２２】
上述した結晶成長モードＩ〜ＩＶは、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したままで支持装置４０の一方端近傍の領域を分解モード、多核発生モードおよび種結晶成長モードに順次設定してＧａＮ結晶６を結晶成長するモードであり、結晶成長モードＶは、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したままで支持装置４０の一方端近傍の領域を分解モードおよび多核発生モードに順次設定してＧａＮ結晶６を結晶成長するモードである。
【０１２３】
また、結晶成長モードＶＩ〜ＶＩＩＩは、坩堝１０、反応容器２０および支持装置４０の一方端の温度を一定に保持したままで、支持装置４０の一方端近傍の領域を分解モード、多核発生モードおよび種結晶成長モードに順次設定してＧａＮ結晶６を結晶成長するモードである。
【０１２４】
さらに、結晶成長モードＩＸは、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および温度の両方を変化させて、支持装置４０の一方端近傍の領域を分解モード、多核発生モードおよび種結晶成長モードに順次設定してＧａＮ結晶６を結晶成長するモードである。
【０１２５】
そして、結晶成長モードＩ〜ＩＸのいずれにおいても、支持装置４０の一方端近傍以外の領域における結晶核５の発生が抑制されてＧａＮ結晶６が結晶成長される。
【０１２６】
なお、図７から図１５に示す圧力および温度のタイミングチャートは、例示であって、これに限られるものではなく、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を支持装置４０の一方端近傍以外の領域で結晶核５が発生しない圧力および温度に設定し、支持装置４０の一方端近傍の領域で複数の結晶核５が発生し、かつ、その複数の結晶核５からＧａＮ結晶６が結晶成長するように坩堝１０および反応容器２０内の圧力および支持装置４０の一方端の温度を設定するものであれば、どのような圧力および温度のタイミングチャートを用いてもよい。
【０１２７】
図１６は、図７に示すタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝１０および反応容器２０内の状態変化を示す模式図である。また、図１７は、図７に示すタイミングｔ２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。
【０１２８】
加熱装置５０，６０が坩堝１０および反応容器２０を加熱し始めたとき、坩堝１０内には、金属Ｎａ７および金属Ｇａ８が存在する（図１６の（ａ）参照）。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度がタイミングｔ１において９８℃に達すると、坩堝１０中の金属Ｎａ７は溶け、約３０℃で既に溶けている金属Ｇａ８と混ざり合う。その後、ＧａとＮａとの金属間化合物が生成され、この金属間化合物は、５６０℃以上の温度において坩堝１０中で混合融液２７０となる。そして、坩堝１０および反応容器２０の温度は、タイミングｔ２において８５０℃に達する。
【０１２９】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０が８５０℃に加熱される過程において、混合融液２７０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧は、徐々に高くなり、ガス供給管９０の低温領域にアルカリ金属融液２８０として溜まる。その結果、ガス供給管９０の一部には、アルカリ金属融液２８０が生成され、気液界面２，３が発生する。
【０１３０】
そして、タイミングｔ２において、混合融液２７０が坩堝１０中に生成される。（図１６の（ｂ）参照）。また、窒素ガス４は、圧力調整器１２０によって圧力調整され、ガス供給管９０を介して空間２４内に充填されている（図１７参照）。
【０１３１】
また、坩堝１０および反応容器２０の温度が８５０℃に達するタイミングｔ２で、上下機構２４０は、振動検出装置２５０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４０を上下し、支持装置４０の一方端を混合融液２７０に接触させる。
【０１３２】
そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が８５０℃程度の高温状態では、空間２４内の窒素ガス４は、金属Ｎａを媒介として混合融液２７０中に取り込まれる。この場合、混合融液２７０中の窒素濃度またはＧａｘＮｙ（ｘ，ｙは実数）の濃度は、空間２４と混合融液２７０との気液界面１付近において最も高いため、ＧａＮ結晶６が気液界面１に接した支持装置４０の一方端から結晶成長する。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。
【０１３３】
窒素ガスを配管１８０内へ供給しない場合、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、混合融液２７０の温度と同じ８５０℃であるが、この発明においては、ＧａＮ結晶６付近の混合融液２７０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１８０内へ窒素ガスを供給してＧａＮ結晶６を冷却し、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を混合融液２７０の温度よりも低くする。
【０１３４】
ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を８５０℃よりも低い８００℃または７５０℃に設定する方法について説明する。
【０１３５】
温度制御装置２６０は、温度センサー５１，６１からそれぞれ受けた温度Ｔ１，Ｔ２が８５０＋α℃（＝坩堝１０および反応容器２０を８５０℃に設定したときの加熱装置５０，６０に含まれるヒーターの温度）に達すると、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を７５０℃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２１０へ出力する。
【０１３６】
そうすると、流量計２１０は、制御信号ＣＴＬ４に応じて、温度Ｔ４を７５０℃に設定する流量からなる窒素ガスをガスボンベ２２０からガス供給管２００を介して配管１８０内へ流す。ＧａＮ結晶６の温度は、窒素ガスの流量に略比例して８５０℃から低下し、窒素ガスの流量が流量ｆｒ２（ｓｃｃｍ）になると、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、７５０℃に設定される。
【０１３７】
したがって、流量計２１０は、流量ｆｒ２からなる窒素ガスを配管１８０内へ流す。そして、配管１８０内へ供給された窒素ガスは、配管１８０の複数の空孔１８１から筒状部材４１の底面４１Ｂに吹き付けられる。
【０１３８】
これによって、ＧａＮ結晶６は、筒状部材４１の底面４１Ｂを介して冷却され、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、タイミングｔ４で７５０℃に低下し、その後、タイミングｔ５まで７５０℃に保持される。
【０１３９】
その後、温度制御装置２６０は、タイミングｔ５になると、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４を８００℃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２１０へ出力する。
【０１４０】
そうすると、流量計２１０は、制御信号ＣＴＬ４に応じて、ガスボンベ２２０からガス供給管２００を介して配管１８０内へ流す窒素ガスの流量を直線ｋ１に従って流量ｆｒ２から流量ｆｒ１に減少する。ＧａＮ結晶６の温度は、窒素ガスの流量に略比例して７５０℃から上昇し、窒素ガスの流量が流量ｆｒ１（ｓｃｃｍ）になると、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、８００℃に設定される。
【０１４１】
したがって、流量計２１０は、流量ｆｒ１からなる窒素ガスを配管１８０内へ流す。そして、配管１８０内へ供給された窒素ガスは、配管１８０の複数の空孔１８１から筒状部材４１の底面４１Ｂに吹き付けられる。
【０１４２】
これによって、ＧａＮ結晶６は、筒状部材４１の底面４１Ｂを介して冷却され、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４は、タイミングｔ６で８００℃に上昇し、その後、タイミングｔ７まで８００℃に保持される。
【０１４３】
加熱装置５０，６０のヒーターの温度Ｔ１，Ｔ２は、混合融液２７０の温度と所定の温度差αを有するため、温度制御装置２６０は、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ４が８５０℃から低下し始めると、温度センサー５１，６１からそれぞれ受けた温度Ｔ１，Ｔ２が８５０＋α℃に設定されるように制御信号ＣＴＬ１，２によってそれぞれ加熱装置５０，６０を制御する。
【０１４４】
このように、混合融液２７０の温度（＝８５０℃）とＧａＮ結晶６の温度Ｔ４との間に温度差を設けることによって、ＧａＮ結晶６付近の混合融液２７０中の窒素またはＩＩＩ族窒化物の過飽和度が大きくなり、ＧａＮ結晶６の結晶成長を少なくとも継続できる。
【０１４５】
図１８は、結晶成長モードＩ〜Ｖを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１８を参照して、一連の動作が開始されると、バルブ１１０によってガス供給管９０が反応容器２０から切り離され、Ａｒガスが充填されたグローブボックス内へ坩堝１０および反応容器２０を入れる。そして、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れる（ステップＳ１）。この場合、金属Ｎａおよび金属Ｇａを５：５の混合比で坩堝１０に入れる。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）。
【０１４６】
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内に設置し、グローブボックスから坩堝１０および反応容器２０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を結晶製造装置１００に設定する。
【０１４７】
そして、バルブ１１０によって反応容器２０をガス供給管９０に連結し、バルブ１１０を閉じた状態でバルブ１５０を開け、真空ポンプ１６０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１６０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１５０を閉じ、バルブ１１０を開けて窒素ガスをガスボンベ１３０からガス供給管９０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１２０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。
【０１４８】
そして、圧力センサー１７０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１１０を閉じ、バルブ１５０を開けて真空ポンプ１６０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１６０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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
その後、真空ポンプ１６０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１５０を閉じ、バルブ１１０を開けて圧力調整器１２０によって坩堝１０および反応容器２０内の圧力が分解モード（領域ＲＥＧ１）または種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力に設定されるように窒素ガスを反応容器２０内へ供給する。また、加熱装置５０，６０は、坩堝１０および反応容器２０の温度が分解モード（領域ＲＥＧ１）または種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度に設定されるように坩堝１０および反応容器２０を加熱する。これによって、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度は、分解モード（領域ＲＥＧ１）または種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定される（ステップＳ２）。
【０１５１】
この場合、坩堝１０および反応容器２０が分解モード（領域ＲＥＧ１）または種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる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２７０が坩堝１０内に発生する。
【０１５２】
その後、上下機構２４０は、上述した方法によって、支持装置４０の一方端を混合融液２７０に接触させる（ステップＳ３）。そして、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したままで、支持装置４０の一方端の温度を低下させて支持装置４０の一方端の温度を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる温度へ移行する（ステップＳ４）。その後、所定の時間、支持装置４０の一方端の温度を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる温度に保持する（ステップＳ５）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成される。
【０１５３】
引き続いて、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を一定に保持したままで、支持装置４０の一方端の温度を上昇させて支持装置４０の一方端の温度を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度へ移行する（ステップＳ６）。その後、所定の時間、支持装置４０の一方端の温度を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度に保持する（ステップＳ７）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が支持装置４０の一方端に形成される。
【０１５４】
ＧａＮ結晶６の成長が進行すると、空間２４内の窒素ガスが消費され、空間２４内の窒素ガスが減少する。そうすると、空間２４内の圧力Ｐ１がガス供給管９０内の圧力調整器１２０側の圧力Ｐ２よりも低くなり（Ｐ１＜Ｐ２）、空間２４内とガス供給管９０内（＝圧力調整器１２０側）との間に差圧が発生し、ガス供給管９０内（＝圧力調整器１２０側）の窒素ガスは、アルカリ金属融液２８０（＝金属Ｎａ融液）を介して空間２４内へ供給される。すなわち、窒素ガスが坩堝１０および反応容器２０の空間２４へ補給される（ステップＳ８）。
【０１５５】
その後、ＧａＮ結晶６が混合融液２７０に接触するように、上述した方法によってＧａＮ結晶６を移動させる（ステップＳ９）。これによって、複数の結晶核５を含む大きなサイズのＧａＮ結晶が成長する。
【０１５６】
そして、所定の時間が経過すると、坩堝１０および反応容器２０の温度が降温されて（ステップＳ１０）、結晶成長モードＩ〜Ｖのいずれかを用いたＧａＮ結晶の製造が終了する。
【０１５７】
なお、結晶成長モードＶを用いてＧａＮ結晶６を製造する場合、図１８に示すフローチャートのステップＳ６，Ｓ７を削除したフローチャートに従ってＧａＮ結晶６を製造する。
【０１５８】
図１９は、結晶成長モードＶＩ〜ＶＩＩＩを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１９に示すフローチャートは、図１８に示すフローチャートのステップＳ４〜ステップＳ７をそれぞれステップＳ４Ａ〜ステップＳ７Ａに代えたものであり、その他は、図１８に示すフローチャートと同じである。
【０１５９】
図１９を参照して、上述したステップＳ１〜ステップＳ３が順次実行されると、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したままで、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を上昇させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる温度へ移行する（ステップＳ４Ａ）。その後、所定の時間、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる温度に保持する（ステップＳ５Ａ）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成される。
【０１６０】
引き続いて、坩堝１０および反応容器２０の温度を一定に保持したままで、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を低下させて坩堝１０および反応容器２０内の圧力を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度へ移行する（ステップＳ６Ａ）。その後、所定の時間、坩堝１０および反応容器２０内の圧力を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる温度に保持する（ステップＳ７Ａ）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が支持装置４０の一方端に形成される。
【０１６１】
その後、上述したステップＳ８〜ステップＳ９が順次実行され、結晶成長モードＶＩ〜ＶＩＩＩのいずれかを用いたＧａＮ結晶の製造が終了する。
【０１６２】
図２０は、結晶成長モードＩＸを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図２０に示すフローチャートは、図１８に示すフローチャートのステップＳ４〜ステップＳ７をそれぞれステップＳ４Ｂ〜ステップＳ７Ｂに代えたものであり、その他は、図１８に示すフローチャートと同じである。
【０１６３】
図２０を参照して、上述したステップＳ１〜ステップＳ３が順次実行されると、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度へ移行する（ステップＳ４Ｂ）。その後、所定の時間、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度に保持する（ステップＳ５Ｂ）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、多核発生モード（領域ＲＥＧ２）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５が支持装置４０の一方端に形成される。
【０１６４】
引き続いて、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度へ移行する（ステップＳ６Ｂ）。その後、所定の時間、坩堝１０および反応容器２０内の圧力および混合融液２７０の温度を種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に保持する（ステップＳ７Ｂ）。これによって、支持装置４０の一方端近傍における圧力および温度は、種結晶成長モード（領域ＲＥＧ３）に含まれる圧力および温度に設定され、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が支持装置４０の一方端に形成される。
【０１６５】
その後、上述したステップＳ８〜ステップＳ９が順次実行され、結晶成長モードＩＸを用いたＧａＮ結晶の製造が終了する。
【０１６６】
上述したように、この発明においては、多核発生モードで複数の結晶核５を支持装置４０の底面４１Ｂに形成し、その後、原料を仕込み直さずに連続して種結晶成長モードでＧａＮ結晶６の結晶成長が行なわれる。その結果、複数の結晶核５のうちの１つの結晶核と種結晶としてＧａＮ結晶６が結晶成長する。
【０１６７】
したがって、この発明によれば、簡易な工程によりＧａＮ結晶６を製造できる。
【０１６８】
［実施の形態２］
図２１は、実施の形態２による結晶製造装置の概略断面図である。図２１を参照して、実施の形態２による結晶製造装置１００Ａは、図１に示す結晶製造装置１００にフローティングカバー３００を追加したものであり、その他は、結晶製造装置１００と同じである。
【０１６９】
フローティングカバー３００は、・・・（材質を補充して下さい）・・・からなり、支持装置４０の周囲の混合融液２７０上に浮かされる。そして、フローティングカバー３００は、混合融液３００の表面でＧａＮ結晶の雑結晶が発生するのを抑制する。
【０１７０】
図２２は、図２１に示すフローティングカバー３００の平面図である。図２２を参照して、フローティングカバー３００は、内径ｒと外径Ｒとを有するドーナツ形状からなる。内径ｒは、支持装置４０の直径にαを加えた値からなる。αは、窒素ガスが混合融液２７０に溶け込むための隙間が支持装置４０とフローティングカバー３００との間に形成される値からなる。そして、外径Ｒは、坩堝１０の内径に略等しい（図２２の（ａ）参照）。
【０１７１】
フローティングカバー３００は、カバー３０１，３０２からなる。そして、カバー３０１，３０２の各々は、ドーナツを半分にした形状からなる（図２２の（ｂ）参照）。その結果、支持装置４０との間で隙間を作ってフローティングカバー３００を支持装置４０の周囲に容易に配置できる。
【０１７２】
結晶製造装置１００Ａにおいて、ＧａＮ結晶６は、図１８から図２０に示すフローチャートのいずれかに従って製造される。この場合、金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に仕込み、坩堝１０を反応容器２０内にセットした後に、フローティングカバー３００を坩堝１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａ上に設置する。
【０１７３】
そして、坩堝１０および反応容器２０が結晶成長温度に加熱されると、坩堝１０内に混合有形２７０が生成されるので、フローティングカバー３００は、支持装置４０の周囲の混合融液２７０上に浮くことになる。
【０１７４】
フローティングカバー３００が浮いた状態で、反応容器２０内の空間２４の窒素ガスは、支持装置４０とフローティングカバー３００との間の隙間を介して混合融液２７０中に溶け込み、複数の結晶核５が発生し、その後、複数の結晶核５を含むＧａＮ結晶６が製造される。そして、複数の結晶核５の形成からＧａＮ結晶６の製造終了までの期間、支持装置４０の周囲の混合融液２７０の表面は、フローティングカバー３００によって覆われているので、混合融液２７０の表面における雑結晶の発生を抑制でき、より大きなサイズを有するＧａＮ結晶を製造できる。
【０１７５】
その他は、実施の形態１と同じである。
【０１７６】
上述した実施の形態１および実施の形態２においては、結晶成長温度は、７５０℃または８００℃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、図５に示す領域ＲＥＧ２，ＲＥＧ３に含まれる結晶成長温度であればよい。また、窒素ガス圧力は、図５に示す領域ＲＥＧ２，ＲＥＧ３に含まれる圧力であればよい。
【０１７７】
また、この発明による結晶製造装置は、結晶製造装置１００，１００Ａから振動印加装置２３０、上下機構２４０および振動検出装置２５０を削除したものであってもよい。この場合、ＧａＮ結晶６は、上下方向へ移動されないが、坩堝１０内に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａが融けた状態で支持装置４０の底面４１Ｂが混合融液２７０に接触するように支持装置４０がセットされる。したがって、複数の結晶核５が支持装置４０の底面４１Ｂに発生し、その後、複数の結晶核５を有するＧａＮ結晶６が結晶成長する。その結果、大きいサイズのＧａＮ結晶を製造できる。
【０１７８】
さらに、この発明による結晶製造装置は、結晶製造装置１００，１００Ａから配管１８０、熱電対１９０、ガス供給管２００、流量計２１０およびガスボンベ２２０を削除したものであってもよい。この場合、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ５は、ＧａＮ結晶の結晶成長中、混合融液２７０の温度よりも低温に制御されないが、ＧａＮ結晶６は、支持装置４０によって混合融液２７０に接触されるので、ＧａＮ結晶６は、混合融液２７０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比の変動が抑制された状態で１つの結晶核から成長する。その結果、大きなサイズのＧａＮ結晶を製造できる。
【０１７９】
さらに、この発明による結晶製造装置は、結晶製造装置１００，１００Ａから配管１８０、熱電対１９０、ガス供給管２００、流量計２１０、ガスボンベ２２０、振動印加装置２３０、上下機構２４０および振動検出装置２５０を削除したものであってもよい。この場合、ＧａＮ結晶６は、上下方向へ移動されず、ＧａＮ結晶６の温度Ｔ５は、混合融液２７０の温度よりも低い温度に制御されないが、坩堝１０内に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａが融けた状態で混合融液２７０に接触するようにＧａＮ結晶６が支持装置４０によって支持される。したがって、ＧａＮ結晶６は、混合融液２７０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比の変動が抑制された状態で１つの結晶核から成長する。その結果、大きいサイズのＧａＮ結晶を製造できる。
【０１８０】
さらに、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。
【０１８１】
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２７０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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
したがって、この発明による結晶製造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。
【０１８５】
そして、この発明による結晶製造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。
【０１８６】
なお、支持装置４０は、「結晶保持棒」を構成し、ガス供給管９０、圧力調整器１２０およびガスボンベ１３０は、「ガス供給手段」を構成する。
【０１８７】
また、坩堝１０および反応容器２０の温度を領域ＲＥＧ２に含まれる温度に設定する加熱装置５０，６０および温度制御装置２６０と、反応容器２０内の窒素ガス圧を領域ＲＥＧ２に含まれる圧力に設定する圧力調整器１２０とは、「核形成手段」を構成する。
【０１８８】
さらに、坩堝１０および反応容器２０の温度を領域ＲＥＧ３に含まれる温度に設定する加熱装置５０，６０および温度制御装置２６０と、反応容器２０内の窒素ガス圧を領域ＲＥＧ３に含まれる圧力に設定する圧力調整器１２０とは、「結晶形成手段」を構成する。
【０１８９】
さらに、フローティングカバー３００は、「カバー部材」を構成する。
【０１９０】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１９１】
この発明は、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な結晶製造装置に適用される。また、この発明は、簡易な工程を経てＩＩＩ族窒化物結晶を製造可能な製造方法に適用される。さらに、この発明は、簡易な工程を経て製造されたＩＩＩ族窒化物結晶に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１９２】
【図１】この発明の実施の形態１による結晶製造装置の概略断面図である。
【図２】図１に示す支持装置、配管および熱電対の拡大図である。
【図３】図１に示す上下機構の構成を示す概略図である。
【図４】振動検出信号のタイミングチャートである。
【図５】ＧａＮ結晶を成長させる場合の窒素ガス圧と混合融液の温度との関係を示す図である。
【図６】ＧａＮ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７】結晶成長モードＩを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図８】結晶成長モードＩＩを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図９】結晶成長モードＩＩＩを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図１０】結晶成長モードＩＶを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図１１】結晶成長モードＶを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図１２】結晶成長モードＶＩを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図１３】結晶成長モードＶＩＩを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図１４】結晶成長モードＶＩＩＩを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図１５】結晶成長モードＩＸを説明するための温度および圧力のタイミングチャートである。
【図１６】図７に示すタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝および反応容器内の状態変化を示す模式図である。
【図１７】図７に示すタイミングｔ２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１８】結晶成長モードＩ〜Ｖを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１９】結晶成長モードＶＩ〜ＶＩＩＩを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２０】結晶成長モードＩＸを用いた場合のＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２１】実施の形態２による結晶製造装置の概略断面図である。
【図２２】図２１に示すフローティングカバーの平面図である。
【符号の説明】
【０１９３】
１〜３  気液界面、４  窒素ガス、５  結晶核、６  ＧａＮ結晶、１０  坩堝、２０  反応容器、２０Ａ，４１Ａ  外周面、２０Ｂ，４１Ｂ，１８０Ａ  底面、２１，３０１  本体部、２２  蓋部、２３  配管接続部、２４  空間、３０  ベローズ、４０  支持装置、４１  筒状部材、５０，６０，７０  加熱装置、５１，６１，７１  温度センサー、９０，２００  ガス供給管、１００，１００Ａ  結晶製造装置、１１０，１５０  バルブ、１２０  圧力調整器、１３０，２２０  ガスボンベ、１４０  排気管、１６０  真空ポンプ、１７０  圧力センサー、１８０  配管、１８１  空孔、１９０  熱電対、１９０Ａ，２１０  流量計、２３０  振動印加装置、２４０  上下機構、２４１  凹凸部材、２４２  歯車、２４３  軸部材、２４４  モータ、２４５  制御部、２４６，２４７  矢印、２５０  振動検出装置、２６０  温度制御装置、２７０  混合融液、２８０  アルカリ金属融液。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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