(57)【要約】【課題】  実用的な大きさの高品質なIII族窒化物結晶を成長させることが可能なIII族窒化物の結晶成長方法を提供する。【解決手段】  少なくともアルカリ金属とIII族金属と窒素が溶解した溶液２５からIII族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記溶液２５に、該溶液２５中への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともアルカリ金属とIII族金属と窒素が溶解した溶液からIII族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記溶液に、該溶液中への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませることを特徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
【請求項２】
アルカリ金属を含む融液を溶媒として、III族窒化物を溶解し、再析出して結晶成長することを特徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
【請求項３】
請求項２記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、アルカリ金属を含む溶媒中に、少なくともIII族窒化物を溶解して溶液を構成し、該溶液中のIII族窒化物濃度を、飽和濃度以上にすることによって、III族窒化物を析出させ、結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
【請求項４】
請求項３記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記溶液の温度を低下させることで、溶液中のIII族窒化物濃度を、飽和濃度以上にすることを特徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記溶液に、該溶液への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませることを特徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
【請求項６】
請求項１または請求項５記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、窒素の溶解度を増加させる物質はリチウムであることを特徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
【請求項７】
請求項６記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、リチウム原料は窒素化合物であることを特徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物を種結晶に成長させることを特徴とするIII族窒化物の結晶成長方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶。
【請求項１０】
請求項９記載のＩＩＩ族窒化物結晶を用いたことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のＩＩＩ族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造を有する発光素子であることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１２】
請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のＩＩＩ族窒化物結晶を用いて形成された受光素子であることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１３】
請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のＩＩＩ族窒化物結晶を用いて形成された電子デバイスであることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１４】
請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項に記載の半導体デバイスを具備したことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物の結晶成長方法及びIII族窒化物結晶及び半導体デバイス及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫〜青〜緑色光源として用いられているＩｎＧａＡｌＮ系（III族窒化物）デバイスは、その殆どがサファイアあるいはＳｉＣ基板上に、ＭＯ−ＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（分子線結晶成長法）等を用いた結晶成長により作製されている。サファイアやＳｉＣを基板として用いた場合の問題点としては、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなることが挙げられる。このためにデバイス特性が悪いという問題、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという問題が生じる。
【０００３】
更に、サファイア基板の場合には絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題がある。
【０００４】
また、サファイア基板上に作製した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）で必要とされる共振器端面を劈開で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による共振器端面形成や、あるいはサファイア基板を１００μｍ以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも従来のＬＤのような共振器端面とチップ分離を単一工程で、容易に行うことが不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。
【０００５】
これらの問題を解決するために、サファイア基板上でのIII族窒化物半導体膜の選択横方向成長やその他の工夫を行うことで、結晶欠陥を低減させることが提案されている。この手法では、サファイア基板上にＧａＮ膜を選択横方向成長しない場合に比較して、結晶欠陥を低減させることが可能となっているが、サファイア基板を用いることによる、絶縁性と劈開に関する前述の問題は依然として残っている。更には、工程が複雑化すること、及び、サファイア基板とＧａＮ薄膜という異種材料の組み合わせに伴う基板の反りという問題が生じ、これらは高コスト化につながっている。
【０００６】
このような問題を解決するためには、基板として、基板上に結晶成長する材料と同一であるＧａＮ基板の実現が最も望ましい。そのため、気相成長，融液成長等により、バルクＧａＮの結晶成長の研究がなされている。しかし、未だ高品質で且つ実用的な大きさを有するＧａＮ基板は実現されていない。
【０００７】
ＧａＮ基板を実現する１つの手法として、非特許文献１には、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。この方法は、アジ化ナトリウム（ＮａＮ３）と金属Ｇａ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）に窒素雰囲気で封入し、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結晶を成長させるものである。
【０００８】
この非特許文献１の成長条件の場合には、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程度と比較的圧力が低く、実用的な成長条件であることが特徴である。
【０００９】
しかし、この非特許文献１の方法の問題点としては、得られる結晶の大きさが１ｍｍに満たない程度に小さい点である。すなわち、この非特許文献１では、反応容器が完全に閉じた系であり、外部から原料を補充する事ができない。そのため、結晶成長中に原料が枯渇し、結晶成長が停止しするので、得られる結晶の大きさは１ｍｍ程度と小さい。この程度の大きさではデバイスを実用化するには小さすぎる。
【００１０】
これまで本願の発明者らは、上述の非特許文献１の問題を改善するために、特許文献１，特許文献２の方法を案出してきている。
【００１１】
すなわち、特許文献１では、図１６に示すように、反応容器１０１内に成長容器１０２とIII族金属供給管１０３を設け、III族金属供給管１０３に外部から圧力をかけ、フラックスの収容された反応容器１０２にIII族金属１０４を追加補給するようにしている。すなわち、この特許文献１には、III族窒化物結晶の大きさを大きくするために、III族窒化物結晶の結晶成長時に、III族金属を追加補充する方法が開示されている。
【００１２】
また、特許文献２には、フラックス（Ｎａ）とIII族金属（Ｇａ）の混合融液が収容された融液供給管に外部から圧力をかけ、フラックスの収容された成長容器に混合融液を追加補給する方法と、成長容器内にフラックス（Ｎａ）とIII族金属（Ｇａ）の金属間化合物を入れ、それを部分的に融解してIII族金属を追加補給する方法が開示されている。
【非特許文献１】Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｖｏｌ．９  （１９９７）  ４１３−４１６
【特許文献１】特開２００１−５８９００号公報
【特許文献２】特開平２００１−１０２３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した特許文献１，特許文献２の方法では、原料の追加補給を結晶成長の途中で行なうので、大型結晶を成長させる事が可能であるが、特許文献１の方法では、フラックス（Ｎａ）の蒸気が低温部に凝集するため、フラックス（Ｎａ）が温度の低いIII族金属供給管１０３に付着し、供給管の穴１０５を詰まらせてしまうことがあった。これを防止する為に金属供給管１０３の温度を上げると、例えばIII族金属がＧａの場合では金属供給管の材料であるステンレス等とＧａが反応する為、やはり金属供給管を詰まらせてしまうことがあった。
【００１４】
また、特許文献２の方法，すなわちフラックスとIII族金属との混合融液を追加する方法では、供給管内にフラックスが存在するので、供給管内でIII族金属と窒素が反応し、III族窒化物が生成され、そのため、供給管が詰まってしまうことがあった。
【００１５】
また、金属間化合物をフラックス内に入れて部分的に溶解させた場合には、窒素との反応が急激に進行する為、得られるIII族窒化物の結晶性が悪くなることがあった。
【００１６】
また、いずれの場合も、融液への窒素の溶解度が小さく、III族窒化物結晶の成長速度が遅かった。
【００１７】
本発明は、上述した従来のIII族窒化物結晶の結晶成長方法の問題点を解決し、実用的な大きさの高品質なIII族窒化物結晶を成長させることが可能なIII族窒化物の結晶成長方法及びIII族窒化物結晶及び半導体デバイス及びシステムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、少なくともアルカリ金属とIII族金属と窒素が溶解した溶液からIII族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記溶液に、該溶液中への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項２記載の発明は、アルカリ金属を含む融液を溶媒として、III族窒化物を溶解し、再析出して結晶成長することを特徴としている。
【００２０】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、アルカリ金属を含む溶媒中に、少なくともIII族窒化物を溶解して溶液を構成し、該溶液中のIII族窒化物濃度を、飽和濃度以上にすることによって、III族窒化物を析出させ、結晶成長させることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記溶液の温度を低下させることで、溶液中のIII族窒化物濃度を、飽和濃度以上にすることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項５記載の発明は、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記溶液に、該溶液への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項６記載の発明は、請求項１または請求項５記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、窒素の溶解度を増加させる物質はリチウムであることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、リチウム原料は窒素化合物であることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物を種結晶に成長させることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶である。
【００２７】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載のIII族窒化物結晶を用いたことを特徴とする半導体デバイスである。
【００２８】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のIII族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造を有する発光素子であることを特徴としている。
【００２９】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のIII族窒化物結晶を用いて形成された受光素子であることを特徴としている。
【００３０】
また、請求項１３記載の発明は、請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のIII族窒化物結晶を用いて形成された電子デバイスであることを特徴としている。
【００３１】
また、請求項１４記載の発明は、請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項に記載の半導体デバイスを具備したことを特徴とするシステムである。
【発明の効果】
【００３２】
請求項１，請求項６乃至請求項８記載の発明によれば、少なくともアルカリ金属とIII族金属と窒素が溶解した溶液からIII族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記溶液に、該溶液中への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませるので、従来の方法に比較して、溶液中の窒素濃度が高くなり、これにより、成長速度を遅くする要因の一つであった窒素の供給不足が緩和されるため、成長速度が速くなる。また、窒素の供給不足による窒素欠損が低減され、欠陥の少ない高品質のIII族窒化物結晶を作製することができる。
【００３３】
また、請求項２乃至請求項８記載の発明によれば、アルカリ金属を含む融液を溶媒として、III族窒化物を溶解し、再析出して結晶成長するので、気相から窒素をアルカリ金属とIII族金属の混合融液に溶解させて結晶成長する従来の方法のような原料供給に伴う問題が発生せず、結晶成長に必要な原料が安定して供給され、その結果、実用的な大きさの高品質のIII族窒化物結晶を成長することができる。
【００３４】
特に、請求項４記載の発明によれば、請求項３記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、溶液の温度を低下させることで、溶液中のIII族窒化物濃度を、飽和濃度以上にするので、結晶成長速度を融液温度の降下速度で制御でき、従って、結晶品質を制御することができる。その結果、高品質のIII族窒化物結晶を作製することができる。
【００３５】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記溶液に、該溶液への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませるので、従来よりも、溶液中の窒素濃度を増加させることができる。すなわち、III族窒化物の溶解度が増加する。したがって、従来と同一量の溶液から、従来よりも大型のIII族窒化物を結晶成長することができる。また、溶液中の窒素濃度が増加しているので、窒素の供給不足が抑制されることから、窒素欠損等の欠陥が減る。従って、高品質のIII族窒化物を結晶成長することができる。
【００３６】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１または請求項５記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、窒素の溶解度を増加させる物質はリチウムであるので、リチウムとIII族金属との金属間化合物はIII族窒化物を結晶成長する温度において溶融するので、結晶成長を阻害することがない。従って、従来と同一量の溶液から、従来よりも大型のIII族窒化物を結晶成長することができる。
【００３７】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、リチウム原料は窒素化合物であるので、秤量誤差を小さくすることができる。すなわち、リチウムは質量数が小さいため秤量時に誤差が大きくなるが、窒素化合物にすることにより、秤量誤差を小さくすることができる。また、窒素化合物であるため溶液中に不純物となる元素を混入する事が無いので、高品質のIII族窒化物結晶を作製することができる。
【００３８】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、III族窒化物を種結晶に成長させるので、III族窒化物を種結晶に選択的に結晶成長させることができ、所望の位置に実用的な大きさの高品質の結晶を成長することができる（結晶品質の良い大型のIII族窒化物結晶を作製することができる）。また、種結晶を使用するので、結晶面の方位制御ができる（すなわち、所望の結晶面をもつIII族窒化物結晶を作製できる）。
【００３９】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の結晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶であるので、高品質で大型のIII族窒化物結晶を提供することができる（すなわち、結晶品質の良い大型のIII族窒化物結晶を提供できる）。
【００４０】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載のIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイスであるので、従来よりも高性能，高信頼性の半導体デバイスを提供することができる。すなわち、本発明の半導体デバイスを構成するIII族窒化物結晶には半導体デバイスの性能に悪影響を及ぼす欠陥が少ないので、従来よりも高性能，高信頼性の半導体デバイスを提供することができる。
【００４１】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のIII族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造を有する発光素子であるので、該発光素子は、欠陥が少なく、高出力動作においても長寿命である。従って、従来よりも高出力で動作可能で高信頼性の発光素子を提供することができる。
【００４２】
また、請求項１２の発明によれば、請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のIII族窒化物結晶を用いて形成された受光素子であるので、受光素子を構成するIII族窒化物結晶に欠陥が少なく、暗電流が小さい。従って、従来よりもノイズレベルが低くＳ／Ｎ比が高い高感度の受光素子を提供することができる。
【００４３】
また、請求項１３の発明によれば、請求項１０記載の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスは、請求項９記載のIII族窒化物結晶を用いて形成された電子デバイスであるので、電子デバイスを構成するIII族窒化物結晶に欠陥が少ない。従って、電極材料の異常拡散や高電界下における短絡が従来よりも改善され、より信頼性の高い高性能の電子デバイスを提供することができる。
【００４４】
また、請求項１４の発明によれば、請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項に記載の半導体デバイスを具備したことを特徴とするシステムであるので、従来よりも、高性能，高信頼性のシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００４６】
（第１の形態）
本発明の第１の形態のIII族窒化物の結晶成長方法は、少なくともアルカリ金属とIII族金属と窒素が溶解した溶液からIII族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記溶液に、該溶液中への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませることを特徴としている。
【００４７】
この結晶成長方法では、アルカリ金属とIII族金属と窒素と窒素の溶解度を増加させる物質とが溶解した溶液中で、III族金属と窒素とが反応し、III族金属と窒素とのIII族窒化物が結晶成長する。
【００４８】
ここで、第１の形態では、溶液中に窒素の溶解度を増加させる物質が溶解されていることによって、窒素の溶解度を増加させる物質が溶解されていない場合よりも、窒素濃度の高い溶液中でIII族窒化物の結晶が成長する。
【００４９】
なお、本発明において、III族窒化物とは、ガリウム，アルミニウム，インジウム，ボロンから選ばれる一種類あるいは複数の種類のIII族金属と窒素との化合物を意味する。また、アルカリ金属としては、通常、Ｎａ（ナトリウム）やＫ（カリウム）が使用されるが、その他のアルカリ金属を使用することもできる。
【００５０】
また、III族金属の原料は、特に限定されるものではなく、III族金属、III族窒化物、III族元素を構成元素とする物質、その他適宜使用することができる。
【００５１】
また、窒素の原料は、特に限定されるものではなく、窒素を構成元素に含む物質を使用できる。
【００５２】
また、窒素化合物を溶液中に溶解させてもよいし、気体として気相から溶液中に溶解させても良い。
【００５３】
（第２の形態）
本発明の第２の形態のIII族窒化物の結晶成長方法は、アルカリ金属を含む融液を溶媒として、III族窒化物を溶解し、再析出して結晶成長することを特徴としている。
【００５４】
第２の形態のIII族窒化物の結晶成長方法が従来の成長方法と異なる点は、原料としてIII族窒化物を使用し、溶媒中で溶解・再析出する点である。
【００５５】
従来、結晶成長に必要な溶解度でIII族窒化物を溶解する溶媒がなかった。本発明では、溶媒としてアルカリ金属融液を使用することにより、結晶成長に必要な溶解度のIII族窒化物を溶解し、再析出させ結晶成長するようにしている。
【００５６】
なお、溶媒として使用するアルカリ金属は通常ナトリウムやカリウムが使用されるが、この他のものであっても良く、特に限定されるものではなく、溶解するIII族窒化物の種類によって適宜選択することができる。例えば、III族窒化物としてＧａＮを溶解する場合には、ナトリウムを使用することができる。
【００５７】
また、再析出させる方法も、特に限定されるものではない。例えば、溶液に温度差を設け、高温部でIII族窒化物を溶解し、低温部に再析出する方法や、あるいは、III族窒化物が飽和濃度以上に溶解した溶液の温度を下げることで、再析出させる方法や、あるいは、溶媒を蒸発することにより、溶液濃度を過飽和にして再析出させる方法等を使用できる。
【００５８】
なお、素欠損を防止するため、III族窒化物の溶解で得られる窒素とは別に、窒素原料を用いて、溶液中に窒素を供給しておいても良い。
【００５９】
（第３の形態）
本発明の第３の形態のIII族窒化物の結晶成長方法は、第２の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、アルカリ金属を含む溶媒中に、少なくともIII族窒化物を溶解して溶液を構成し、該溶液中のIII族窒化物濃度を、飽和濃度以上にすることによって、III族窒化物を析出させ、結晶成長させることを特徴としている。
【００６０】
すなわち、溶液中のIII族窒化物の溶解濃度が飽和濃度以上になると、結晶が析出し、結晶成長を開始させることができる。
【００６１】
なお、溶液中のIII族窒化物濃度を飽和濃度以上にする方法は、特に限定されるものではない。例えば、後述のように（第４の形態のように）、溶液の温度を下げることで、飽和濃度以上にすることができる。また、溶媒を蒸発することによっても飽和濃度以上にすることができる。
【００６２】
（第４の形態）
本発明の第４の形態のIII族窒化物の結晶成長方法は、第３の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記溶液の温度を低下させることで、溶液中のIII族窒化物濃度を、飽和濃度以上にすることを特徴としている。
【００６３】
すなわち、アルカリ金属の温度が低くなるとIII族窒化物の溶解度は低下するので、溶液の温度が低下するにつれて、溶液は過飽和状態になり、III族窒化物の析出が起こる。第４の形態では、溶液温度による溶解度差を利用することで、結晶成長を行うようにしている。
【００６４】
（第５の形態）
本発明の第５の形態のIII族窒化物の結晶成長方法は、第２乃至第４のいずれかの形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、前記溶液に、該溶液への窒素の溶解度を増加させる物質を含ませることを特徴としている。
【００６５】
ここで、溶液中の窒素の溶解度が増加するとは、換言するとIII族窒化物の溶解度が増加することを意味する。窒素の溶解度を増加させる物質は、結晶成長の妨げになるもので無ければ、特に限定されるものではない。窒素の溶解度を増加させる物質は、例えば、Ｃａ（カルシウム）等のアルカリ土類金属や、Ｌｉ（リチウム）等の溶媒とは別のアルカリ金属であってもよい。
【００６６】
（第６の形態）
本発明の第６の形態のIII族窒化物の結晶成長方法は、第１または第５の形態の結晶成長方法において、窒素の溶解度を増加させる物質はリチウムであることを特徴としている。
【００６７】
（第７の形態）
本発明の第７の形態のIII族窒化物の結晶成長方法は、第６の形態の結晶成長方法において、リチウム原料は窒素化合物であることを特徴としている。
【００６８】
ここで、リチウムの窒素化合物としては、例えば、Ｌｉ３Ｎ（窒化リチウム）を使用することができる。
【００６９】
（第８の形態）
本発明の第８の形態のIII族窒化物の結晶成長方法は、第１乃至第７のいずれかの形態の結晶成長方法において、III族窒化物を種結晶に成長させることを特徴としている。
【００７０】
（第９の形態）
本発明の第９の形態のIII族窒化物結晶は、第１乃至第８のいずれかの形態の結晶成長方法で作製されたIII族窒化物結晶である。ここで、III族窒化物結晶は、Ｃ軸方向に伸びた柱状結晶であっても良いし、Ｃ面が発達した板状結晶であっても良い。
（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第９の形態のIII族窒化物結晶を用いた半導体デバイスである。
【００７１】
（第１１の形態）
本発明の第１１の形態は、第１０の形態の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスが第９の形態のIII族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造を有する発光素子であることを特徴としている。
【００７２】
ここで、発光素子の形態は特に限定されるものではなく、発光ダイオード，半導体レーザ等、III族窒化物結晶上に積層された半導体積層構造を有する発光素子であれば良い。
【００７３】
（第１２の形態）
本発明の第１２の形態は、第１０の形態の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスが第９の形態のIII族窒化物結晶を用いて形成された受光素子であることを特徴としている。
【００７４】
ここで、受光素子は、光導電セル，ｐ−ｎ接合フォトダイオード，ヘテロ接合ＦＥＴ型受光素子，ヘテロ接合バイポーラ型フォトトランジスター等であり、特に限定されるものではない。
【００７５】
（第１３の形態）
本発明の第１３の形態は、第１０の形態の半導体デバイスにおいて、該半導体デバイスが第９の形態のIII族窒化物結晶を用いて形成された電子デバイスであることを特徴としている。
【００７６】
ここで、電子デバイスの形態は、特に限定されるものではなく、ＦＥＴであってもＨＢＴであっても良い。また、その目的用途も、高温動作デバイス，高周波デバイス，大電力電子デバイス等、特に限定されるものではない。
【００７７】
（第１４の形態）
本発明の第１４の形態は、第１０，第１１，第１２，第１３の形態の半導体デバイスを具備したシステムである。
【００７８】
システムとしては、例えば、第１１の形態の半導体デバイス（発光素子）を光源として用いた照明装置，フルカラー大型表示装置，交通標識などであっても良いし、第１１の形態の半導体デバイス（発光素子）を書き込みあるいは読み取り光源として用いた光記録装置であっても良いし、第１１の形態の半導体デバイス（発光素子）を書き込み光源として用いた電子写真装置であっても良いし、第１２の形態の半導体デバイス（受光素子）を光センサーとして具備した火炎センサー，波長選択型検出器等であっても良いし、第１３の形態の半導体デバイス（電子デバイス）を具備した移動通信システム等であっても良い。その他、第１０，第１１，第１２，第１３の形態の半導体デバイスを具備したシステムであれば、特に限定されるものではない。
【実施例１】
【００７９】
実施例１は、本発明の第１，第６，第７の形態に対応した実施例である。
【００８０】
この実施例１では、アルカリ金属としてＮａ（ナトリウム）を用い、また、III族金属の原料として金属Ｇａ（ガリウム）を用い、また、窒素原料として窒素ガスを用い、さらに、Ｌｉ（リチウム）の原料としてＬｉ３Ｎを用い、III族窒化物としてＧａＮを結晶成長させた。ここで、Ｎａ，Ｇａ，Ｌｉ３Ｎはあらかじめ混合融液として溶液保持容器中に保持し、窒素は結晶成長中に気相から融液中に溶解させて供給し、ＧａＮを結晶成長する。
【００８１】
図１は実施例１に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【００８２】
図１の結晶成長装置では、ステンレス製の閉じた形状の反応容器１１内に、アルカリ金属とIII族金属を含む溶液２５を保持し、結晶成長を行なうための溶液保持容器１２が設けられている。
【００８３】
この溶液保持容器１２は、反応容器１１から取り外すことができる。なお、この溶液保持容器１２の材質はＢＮである。
【００８４】
また、反応容器１１の内部空間２３に窒素原料となる窒素（Ｎ２）ガスを充満させ、かつ反応容器１１内の窒素（Ｎ２）圧力を調整することを可能にするガス供給管１４が反応容器１１を貫通して装着されている。ここで、窒素ガスの圧力は圧力制御装置１６で調整することができる。
【００８５】
ガス供給管１４はバルブ１８で分岐し、Ａｒガスを導入することができる。ここで、Ａｒガスの圧力は圧力制御装置１９で調整することができる。
【００８６】
また、反応容器１１内の全圧力は、圧力計２２でモニターされるようになっている。また、反応容器１１の外側には、ヒーター１３が設置されている。また、反応容器１１は、バルブ２１の部分で結晶成長装置から取り外すことが可能であり、反応容器１１の部分のみをグローブボックスに入れて作業することができるようになっている。
【００８７】
図１の結晶成長装置を使用した実施例１のＧａＮの成長方法を次に説明する。
【００８８】
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶成長装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
【００８９】
次いで、ＢＮ製の溶液保持容器１２に、III族金属原料としてＧａを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れる。溶液２５中のＮａの比率はＮａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．７とした。
【００９０】
また、Ｌｉの原料としてＬｉ３Ｎを入れた。
【００９１】
次いで、溶液保持容器１２を溶液保持容器保持台２６に置き、反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン１４に接続する。
【００９２】
次いで、バルブ１５，２１を開け、反応容器１１内に窒素ガスを入れる。このとき、圧力制御装置１６で窒素圧力を３．３ＭＰａにした。この圧力は、本実施例で使用した装置において、結晶成長温度（７７５℃）に昇温したときに、反応容器１１内の全圧が４ＭＰａになる圧力である。
【００９３】
次いで、バルブ１５を閉じる。次いで、バルブ１８を開け、反応容器１１内にＡｒガスを入れる。このとき、圧力制御装置１９で圧力を６．６ＭＰａにした。すなわち、反応容器１１内のＡｒの分圧は３．３ＭＰａとなる。この圧力（６．６ＭＰａ）は、本実施例で使用した装置において、結晶成長温度（７７５℃）に昇温したときに、反応容器１１内の全圧が８ＭＰａになる圧力である。すなわち窒素とＡｒの分圧がそれぞれ４ＭＰａとなる圧力である。
【００９４】
次いで、バルブ１８とバルブ２１を閉じる。これにより、反応容器１１は密閉される。次いで、ヒーター１３に通電し、溶液を室温（２７℃）から結晶成長温度まで１時間で昇温する。結晶成長温度は７７５℃とした。
【００９５】
昇温に追随して、密閉された反応容器１１内の圧力は上昇し、結晶成長温度７７５℃に達した時の反応容器１１内の全圧は８ＭＰａになった。すなわち、窒素とＡｒの分圧はそれぞれ４ＭＰａとなった。
【００９６】
この状態で２００時間保持した後、室温まで降温する。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、ほとんどのＧａが窒素と反応し、溶液保持容器１２の内壁に無色透明な板状のＧａＮ２９が多数成長していた。また、溶液２５の表面に差し渡しが約５ｍｍの板状結晶３０が成長していた。厚さは８０μｍ以上であった。また、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅は４５−５５ａｒｃｓｅｃと狭く、欠陥密度はエッチピット密度評価で１０６ｃｍ−２以下であった。また、高抵抗で半絶縁性であった。
【００９７】
同様の結晶成長を溶液２５中にＬｉ３Ｎを入れずに行なった場合には、未反応のＧａが残っていた。また、溶液保持容器１２の内壁には、小さな柱状結晶とｃ面を主面とする薄い板状のＧａＮが多数成長した。また、溶液２５の表面に成長した結晶は差し渡し約３ｍｍであった。リチウムを混合した場合は、板状結晶のみが成長し、結晶の成長速度が速く、より短時間で大きな結晶が成長した。
【実施例２】
【００９８】
実施例２は、本発明の第２の形態に対応した実施例である。
【００９９】
この実施例２では、アルカリ金属を含む溶媒としてＮａ（ナトリウム）を用い、また、III族窒化物の原料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用し、原料ＧａＮをナトリウム融液中に溶解し、溶液保持容器の底にＧａＮを結晶成長する。
【０１００】
図２は実施例２に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【０１０１】
図２の装置は、溶液保持容器１２の形状と、溶液保持容器１２の上部に原料ＧａＮ３１を保持する原料保持容器２４が設けられている点と、溶液保持容器１２の底部に冷却棒２７が設けられている点の他は、図１に示した装置と同様のものとなっている。
【０１０２】
図２の装置では、溶液保持容器１２の底部に設けられた冷却棒２７によって、溶液保持容器１２の底を局部的に低温にすることができる。
【０１０３】
図２の結晶成長装置を使用した実施例２のＧａＮの成長方法を次に説明する。
【０１０４】
まず、反応容器１１をバルブ２１の部分で結晶成長装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。
【０１０５】
次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、原料ＧａＮとナトリウム（Ｎａ）を入れる。次いで、溶液保持容器１２を反応容器１１内に設置する。次いで、反応容器１１を密閉し、バルブ２１を閉じ、反応容器１１内部を外部雰囲気と遮断する。次いで、反応容器１１をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。
【０１０６】
すなわち、反応容器１１をヒーター１３がある所定の位置に設置し、バルブ２１の部分で窒素とアルゴンのガス供給ライン１４に接続する。次いで、窒素が溶液から気相中へ抜けるのを防止するため、反応容器１１内に窒素ガスを入れる。
【０１０７】
また、ナトリウムの蒸発を抑制するため、Ａｒガスを入れ、反応容器１１内の圧力を高める。
【０１０８】
本実施例では、反応容器１１内の圧力は８ＭＰａで、窒素ガスとＡｒガスの分圧はそれぞれ４ＭＰａとした。次いで、ヒーター１３に通電し、８００℃に昇温する。８００℃で３００時間保持して結晶成長させ、その後、室温まで降温する。８００℃で保持中、原料ＧａＮ３１は、徐々に溶解し、温度の低い溶液保持容器１２の底に再析出し、ＧａＮ結晶が成長する。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、原料ＧａＮ３１は減少しており、溶液保持容器１２の底に長さ約３ｍｍの無色透明なＧａＮ結晶３２と多数のＧａＮ微結晶２９が成長していた。
【実施例３】
【０１０９】
実施例３は、本発明の第３の形態に対応した実施例である。
【０１１０】
この実施例３では、アルカリ金属を含む溶媒としてＮａ（ナトリウム）を用い、III族窒化物の原料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用し、原料ＧａＮをナトリウム溶液中に溶解し、ナトリウム溶媒を蒸発することで飽和溶液を形成し、過飽和分のＧａＮを析出してＧａＮを結晶成長する。
【０１１１】
図３は実施例３に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。図３の装置は、図１に示した装置と同様のものとなっている。
【０１１２】
図３の結晶成長装置を使用した実施例３のＧａＮの成長方法を次に説明する。
【０１１３】
溶液保持容器１２に、原料ＧａＮとナトリウム（Ｎａ）を入れ、８００℃に加熱し、原料ＧａＮを溶解する。反応容器１１内には，窒素が溶液から気相中へ抜けるのを防止するため、窒素ガスを入れ、反応容器内の圧力を窒素で４ＭＰａにしている。
【０１１４】
８００℃で４００時間保持してＮａを蒸発する。Ｎａの蒸発とともに、溶液２５は過飽和状態になり、過飽和分のＧａＮが析出し、結晶成長する。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、Ｎａは減っており、溶液保持容器１２の底に約２ｍｍの無色透明なＧａＮ結晶３３と多数のＧａＮ微結晶２９が成長していた。
【実施例４】
【０１１５】
実施例４は、本発明の第４の形態に対応した実施例である。
【０１１６】
この実施例４では、アルカリ金属としてＮａ（ナトリウム）を用い、III族窒化物の原料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用し、原料ＧａＮをナトリウム溶液中に溶解し、溶液温度を徐冷することで飽和溶液を形成し、過飽和分のＧａＮを析出してＧａＮを結晶成長する。
【０１１７】
図４は実施例４に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。図４の装置は、図１に示した装置と同様のものとなっている。
【０１１８】
図４の結晶成長装置を使用した実施例４のＧａＮの成長方法を次に説明する。溶液保持容器１２に、ナトリウムと、原料ＧａＮを入れ、加熱して、原料ＧａＮを溶解する。
【０１１９】
図５には、本願の発明者が行なった実験のＮａ（ナトリウム）１ｇ中へのＧａＮの溶解量を溶液温度に対して調べた結果が示されている。図５から、Ｎａ中へのＧａＮの溶解量は７５０℃以上で急激に増加することがわかる。本実施例では、溶液保持容器１２に、ナトリウムを１５ｇ入れ、原料ＧａＮを２７０ｍｇ入れ、８００℃に加熱して、原料ＧａＮを溶解し、飽和溶液を形成した。また、原料ＧａＮの溶解反応は、５０〜１００時間で平衡に達することを本願の発明者は実験によって明らかにした。本実施例では、８００℃で５０時間保持し、原料ＧａＮを溶解した。その後、８００℃から７００℃まで１℃／ｈ（１時間に１℃）の冷却速度で冷却した。
【０１２０】
なお、反応容器１１の内部空間２３には，窒素が溶液から気相中へ抜けるのを防止するため、窒素ガスを充満している。また、ナトリウムの蒸発を抑制するため、Ａｒガスも入れ、反応容器１１内の圧力を高めてある。反応容器１１内の圧力は８ＭＰａで、窒素ガスとＡｒガスの分圧はそれぞれ４ＭＰａとした。
【０１２１】
溶液２５の温度の低下とともに、溶液２５は過飽和状態になり、過飽和分のＧａＮが析出し、結晶が成長する。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、溶液保持容器１２の底に約２ｍｍの無色透明なＧａＮ結晶３４と多数のＧａＮ微結晶２９が成長していた。
【実施例５】
【０１２２】
実施例５は、本発明の第５，第６，第７の形態に対応した実施例である。
【０１２３】
この実施例５は、実施例４とほぼ同様であるが、溶液中にリチウムを溶解している点が異なる。
【０１２４】
すなわち、実施例５では、アルカリ金属としてＮａ（ナトリウム）を用い、III族窒化物の原料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用し、さらに、溶液中の窒素の溶解度（換言すると、ＧａＮの溶解度）を増加させる物質としてＬｉ（リチウム）をＬｉ３Ｎ（窒化リチウム）を原料として溶解している。そして、原料ＧａＮをナトリウム溶液中に溶解し、溶液を徐冷することで飽和溶液を形成し、過飽和分のＧａＮを析出してＧａＮを結晶成長する。
【０１２５】
実施例５の結晶成長装置の構成は図４と同様のものとなっている。
【０１２６】
実施例５のＧａＮの成長方法を次に説明する。
【０１２７】
窒化リチウムを溶解する以外は実施例４と同様であるが、リチウムの添加により、窒素の溶解度（すなわち、ＧａＮの溶解度）が増大するため、原料ＧａＮはリチウムの添加しない場合よりも多く入れる。
【０１２８】
図５には、Ｌｉ３Ｎ（窒化リチウム）を０．１ｍｍｏｌ添加した場合と添加しない場合のナトリウム１ｇ中へのＧａＮの溶解量を溶液温度に対して調べた結果が示されている。
【０１２９】
この実施例５では、溶液保持容器１２に、ナトリウムを１５ｇ、Ｌｉ３Ｎを１．５ｍｍｏｌ、原料ＧａＮを３７５ｍｇ入れ、８００℃に５０時間保持し、原料ＧａＮを溶解し、飽和溶液を形成した。その後、８００℃から７００℃まで１℃／ｈ（１時間に１℃）の冷却速度で冷却した。
【０１３０】
なお、反応容器１１の内部空間２３には，窒素が溶液から気相中へ抜けるのを防止するため、窒素ガスを充満している。また、ナトリウムの蒸発を抑制するため、Ａｒガスも入れ、反応容器１１内の圧力を高めてある。反応容器１１内の圧力は８ＭＰａで、窒素ガスとＡｒガスの分圧はそれぞれ４ＭＰａとした。
【０１３１】
溶液２５の温度の低下とともに、溶液２５は過飽和状態になり、過飽和分のＧａＮが析出し、結晶が成長する。結晶成長終了後、反応容器１１を開けると、溶液保持容器１２の底に約３ｍｍの無色透明なＧａＮ結晶と多数のＧａＮ微結晶２９が成長していた。溶液２５中にリチウムを添加しない場合に比べ、溶解度の差分だけＧａＮの生成量が増加し、同時に結晶サイズも大きくなった。
【実施例６】
【０１３２】
実施例６は、本発明の第６，第７，第８の形態に対応した実施例である。
【０１３３】
この実施例６は、実施例５とほぼ同様であるが、種結晶を使用して結晶を行なう点が異なる。すなわち、実施例６では、アルカリ金属としてＮａ（ナトリウム）を用い、III族窒化物の原料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用し、さらに、溶液中の窒素の溶解度（換言すると、ＧａＮの溶解度）を増加させる物質としてＬｉ（リチウム）をＬｉ３Ｎ（窒化リチウム）を原料として溶解し、原料ＧａＮをナトリウム融液中に溶解し、溶液温度を徐冷することで飽和溶液を形成し、過飽和分のＧａＮを種結晶に析出してＧａＮを結晶成長する。
【０１３４】
図６は実施例６に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【０１３５】
図６の装置は、種結晶を保持する機構が設けられている点の他は、図１に示した装置と同様のものとなっている。
【０１３６】
実施例６のＧａＮの成長方法を次に説明する。
【０１３７】
実施例６では、種結晶３５を溶液２５の表面付近に浸し、そこに結晶成長させる点の他は、実施例５と同様の方法でＧａＮの結晶成長を行なう。
【０１３８】
種結晶３５の表面では溶液２５中に溶解したＧａＮ原料の引き込みが起こり、結晶成長は種結晶３５に優先的に起こる。８００℃から７００℃まで１℃／ｈの冷却速度で徐冷し、結晶成長を行なった後、反応容器１１を開けると、種結晶３５に約５ｍｍの無色透明なＧａＮ結晶３６が成長していた。種結晶を使用しない場合に比べ、結晶サイズが大きくなった。
【実施例７】
【０１３９】
実施例７は、本発明の第６，第７，第８の形態に対応した実施例である。
【０１４０】
この実施例７では、アルカリ金属としてＮａ（ナトリウム）を用い、III族窒化物の原料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用し、さらに、溶液中の窒素の溶解度（換言すると、ＧａＮの溶解度）を増加させる物質としてＬｉ（リチウム）をＬｉ３Ｎ（窒化リチウム）を原料として溶解し、高温部で原料ＧａＮをナトリウム溶液中に溶解し、低温部に設置した種結晶にＧａＮを析出して結晶成長する。
【０１４１】
図７は実施例７に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【０１４２】
図７の結晶成長装置では、ステンレス製の閉じた形状の反応容器４１内に、アルカリ金属を含む溶液５９を保持し、結晶成長を行うための溶液保持容器４２が設けられている。
【０１４３】
また、反応容器４１の内部空間４５に窒素（Ｎ２）ガスとアルカリ金属の蒸発を抑制する為のアルゴン（Ａｒ）ガスを充満させ、かつ反応容器４１内の窒素（Ｎ２）圧力とアルゴン（Ａｒ）ガス圧力を制御することを可能にするガス供給管４９が反応容器４１を貫通して装着されている。
【０１４４】
ガス供給管４９は、窒素供給管５４とアルゴン供給管５７とに分岐しており、それぞれバルブ５２，５５で分離することが可能となっている。また、それぞれの圧力を圧力制御装置５３，５６で調整することができる。また、反応容器４１内の全圧力をモニターする為の圧力計５１が設置されている。
【０１４５】
なお、不活性気体としてのアルゴンを混合するのは、アルカリ金属の蒸発を抑制しつつ、窒素ガスの圧力を独立して制御するためである。これにより、制御性の高い結晶成長が可能となる。
【０１４６】
また、溶液保持容器４２は、反応容器４１から取り外すことができる。なお、この溶液保持容器４２の材質はＢＮである。
【０１４７】
また、反応容器４１の外側には、上部ヒーター４３と下部ヒーター４４とが設置されている。ここで、上部ヒーター４３と下部ヒーター４４は、任意の温度に制御することが可能となっている。
【０１４８】
また、溶液保持容器４２内には、溶液の対流を抑制し，温度勾配をつけるためのバッファー４６が設置されている。
【０１４９】
また、反応容器４１の部分のみをグローブボックスに入れて作業することができるようになっている。
【０１５０】
図７の結晶成長装置を使用した実施例７のＧａＮの成長方法を次に説明する。
【０１５１】
まず、反応容器４１をバルブ５０の部分で結晶成長装置から分離し、Ａｒ雰囲気のグローブボックスに入れる。次いで、ＢＮ製の溶液保持容器４２に、III族窒化物原料としてＧａＮを入れ、アルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）を入れ、また、窒化リチウムを入れる。次いで、溶液保持容器４２内のナトリウムを融解し、溶液保持容器４２上部より吊るしたＧａＮ種結晶４８を溶液５９内の所定の位置に保持する。
【０１５２】
次いで、溶液保持容器４２を反応容器４１内に設置する。次いで、反応容器４１を密閉し、バルブ５０を閉じ、反応容器４１内部を外部雰囲気と遮断する。
【０１５３】
一連の作業は高純度のＡｒガス雰囲気のグローブボックス内で行うので、反応容器４１の内部はＡｒガスが充填されている。次いで、反応容器４１をグローブボックスから出し、結晶成長装置に組み込む。すなわち、反応容器４１をヒーター４３，４４がある所定の位置に設置し、バルブ５０の部分で窒素ガス供給ライン４９に接続する。次いで、上部ヒーター４３と下部ヒーター４４に通電し、所定の結晶成長温度まで昇温する。
【０１５４】
下部ヒーター４４は原料ＧａＮ４７が溶融する温度とし、上部ヒーター４３は原料ＧａＮ４７がある部分よりも温度を下げ、種結晶ＧａＮ４８が結晶成長する温度とする。本実施例では、原料ＧａＮ４７のある部分を８５０℃とし、種結晶ＧａＮ４８が結晶成長する部分を７７５℃とした。次いで、バルブ５０とバルブ５５を開け、Ａｒガス供給管５７からＡｒガスを入れ、圧力制御装置５６で圧力を調整して反応容器４１内の全圧を４ＭＰａにしてバルブ５５を閉じる。
【０１５５】
次いで、窒素ガス供給管５４から窒素ガスを入れ、圧力制御装置５３で圧力を調整してバルブ５２を開け、反応容器４１内の全圧を８ＭＰａにする。すなわち、反応容器４１の内部空間４５の窒素の分圧は、４ＭＰａである。
【０１５６】
この状態で４００時間保持し結晶成長を行い、その後、室温まで降温する。
反応容器４１内のガスの圧力を下げた後、反応容器４１を開けると、種結晶４８は、約１０ｍｍの無色透明なＧａＮの単結晶５８に結晶成長していた。
【実施例８】
【０１５７】
実施例８は、第１１の形態の半導体デバイス（発光素子）の一実施例である半導体レーザーである。
【０１５８】
図８，図９は実施例８の半導体レーザーを示す図である。なお、図８は実施例８の半導体レーザーの斜視図であり、また、図９はその光出射方向に垂直な面での断面図である。
【０１５９】
実施例８の半導体レーザーは第９の形態のＧａＮ結晶で作製したｎ型ＧａＮ基板５００上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
【０１６０】
すなわち、図８，図９において、半導体レーザー積層構造４０００は、２５０μｍの厚さのｎ型ＧａＮ基板５００上に、ｎ型ＧａＮ層４００、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４１０、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４２０、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸活性層４３０、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４４０、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４５０、ｐ型ＧａＮキャップ層４６０が順次積層された構造であり、ＭＯＣＶＤ法で結晶成長されて作製されている。
【０１６１】
そして積層構造４０００は、ｐ型ＧａＮキャップ層４６０からｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４５０の途中までをストライプ状に残してエッチングされ、電流狭窄リッジ導波路構造５１０が作製されている。この電流狭窄リッジ導波路構造はＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って形成されている。
【０１６２】
また、積層構造の表面には、ＳｉＯ２からなる絶縁膜４７０が形成されている。リッジ５１０上の絶縁膜４７０には、開口部が形成されている。この開口部で露出したｐ型ＧａＮキャップ層４６０表面に、ｐ側のオーミック電極４８０が形成されている。
【０１６３】
また、ｎ型ＧａＮ基板５００の裏面には、ｎ側のオーミック電極４９０が形成されている。ｎ側オーミック電極４９０としては、Ｔｉ／Ａｌを、ｐ側オーミック電極４８０としては、Ｎｉ／Ａｕを蒸着して形成した。
【０１６４】
また、リッジ５１０と活性層４３０に垂直に光共振器面４０１０，４０２０が形成されている。光共振器面４０１０，４０２０はＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿った電流狭窄リッジ導波路構造５１０に垂直な（１−１００）面をへき開することにより形成されている。
【０１６５】
ｎ側オーミック電極４９０と光共振器面４０１０，４０２０は、ｎ型ＧａＮ基板５００の裏面を８０μｍまで研磨した後に形成した。
【０１６６】
実施例８の半導体レーザーでは、ｐ側のオーミック電極４８０とｎ側のオーミック電極４９０に電流を注入することによって、活性層にキャリアが注入され、発光、光の増幅が起り、光共振器面４０１０，４０２０から、レーザー光４１１０，４１２０が出射される。
【０１６７】
実施例８の半導体レーザーは、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にレーザー構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層されたレーザー構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、高出力動作下においても長寿命であった。
【実施例９】
【０１６８】
実施例９は第１２の形態の半導体デバイス（受光素子）の一実施例である。図１０は実施例９の受光素子を示す図である。
【０１６９】
実施例９の受光素子は、第９の形態のIII族窒化物結晶で作製したｎ型ＧａＮ基板６００上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
【０１７０】
ここで、ＧａＮ基板６００の厚さは、３００μｍである。
【０１７１】
実施例９の受光素子の構造は、ｎ型ＧａＮ基板６００上に、ｎ型ＧａＮ層６１０，絶縁性ＧａＮ層６２０が積層され、その上に、Ｎｉ／Ａｕから成る透明ショットキー電極６３０が形成されたＭＩＳ型受光素子である。
【０１７２】
ｎ型ＧａＮ基板６００の裏面には、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック電極６４０が形成され、透明ショットキー電極６３０の上部の一部には、Ａｕからなる電極６５０が形成されている。
【０１７３】
実施例９の受光素子では、透明ショットキー電極６３０側から光（紫外線）６０１０を入射すると、キャリアが発生し、電極から光電流が取り出される。
【０１７４】
実施例９の受光素子は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上に受光素子構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層された受光素子構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比が高かった。
【実施例１０】
【０１７５】
実施例１０は第１３の形態の半導体デバイス（電子デバイス）の一実施例である。図１１は実施例１０の半導体デバイス（電子デバイス）の断面図である。実施例１０の電子デバイスは高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）である。
【０１７６】
実施例１０の高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）は、第９の形態のＧａＮ結晶で作製したＧａＮ基板７００上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
【０１７７】
ここで、ＧａＮ基板７００の厚さは、３００μｍである。
【０１７８】
高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）の構造は、ＧａＮ基板７００上に積層された絶縁性ＧａＮ層７１０、ｎ型ＡｌＧａＮ層７２０、ｎ型ＧａＮ層７３０からなるリセスゲートＨＥＭＴである。
【０１７９】
ｎ型ＧａＮ層７３０はゲート部分がｎ型ＡｌＧａＮ層７２０までエッチングされ、ｎ型ＡｌＧａＮ層７２０にＮｉ／Ａｕからなるゲート電極７６０が形成されている。ゲートをはさんで両脇のｎ型ＧａＮ層７３０には、Ｔｉ／Ａｌからなるドレイン電極７５０、ソース電極７４０がそれぞれ形成されている。
【０１８０】
実施例１０の高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上に高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層された高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、欠陥による電極の異常拡散や短絡が抑制され、耐圧が高く、また、良好な周波数特性を示した。
【実施例１１】
【０１８１】
実施例１１は第１４の形態のシステムの一実施例である。すなわち、実施例１１は第１１の形態の半導体デバイス（発光素子）を具備した照明装置である。
【０１８２】
図１２は実施例１１の照明装置の模式図である。また、図１３は実施例１１の照明装置の回路図である。また、図１４は実施例１１の照明装置の光源である白色ＬＥＤモジュールの断面図である。また、図１５は白色ＬＥＤのモジュールの光源である紫外発光ＬＥＤの断面図である。
【０１８３】
実施例１１の照明装置は、２個の白色ＬＥＤモジュール９０２０と電流制限抵抗９６０，直流電源９７０，スイッチ９８０とが直列に接続されており、スイッチ９８０のオン，オフによって、白色ＬＥＤモジュール９０２０を発光させるようになっている。
【０１８４】
ここで、白色ＬＥＤモジュール９０２０は、紫外発光ＬＥＤ９００にＹＡＧ系蛍光体９１０が塗布された構造をなす。そして、電極端子９４０，９５０間に所定の電圧を印加すると、紫外発光ＬＥＤ９００が発光し、その紫外光によってＹＡＧ系蛍光体９１０が励起され、白色光９０１０が取り出される。
【０１８５】
ここで、紫外発光ＬＥＤ９００は、第４の形態のIII族窒化物結晶で作製したｎ型ＧａＮ基板８００上に積層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。
【０１８６】
ＧａＮ基板８００の厚さは、３００μｍである。
【０１８７】
紫外発光ＬＥＤ９００の構造は、ｎ型ＧａＮ基板８００上に、ｎ型ＧａＮ層８１０、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層８２０、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する活性層８３０、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層８４０、ｐ型ＧａＮ層８５０が積層され、その上に、Ｎｉ／Ａｕから成る透明オーミック電極８６０が形成されている。透明オーミック電極８６０上には、Ｎｉ／Ａｕから成るワイヤーボンディング用の電極８７０が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板８００の裏面には、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック電極８８０が形成されている。
【０１８８】
この紫外発光ＬＥＤ９００では、ｐ側の電極８７０とｎ側のオーミック電極８８０に電流を注入することによって、活性層にキャリアが注入され、発光し、ＬＥＤ外部に紫外光８０１０が取り出される。
【０１８９】
この実施例１１のＬＥＤは、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にＬＥＤ構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製されたものに比べ、基板上に積層されたＬＥＤ構造の結晶欠陥が低く、結晶品質が高いので、発光効率が高く、高出力動作する。
【０１９０】
従って、実施例１１の照明器具は、従来のサファイア基板等のIII族窒化物と異なる基板上にＬＥＤ構造を結晶成長して作製されたものや、気相成長や、その他の手法で作製されたＧａＮ基板上に作製された紫外ＬＥＤを使用した白色ＬＥＤ照明器具よりも、明るく、低消費電力である。
【産業上の利用可能性】
【０１９１】
本発明は、光ディスク用青紫色光源、紫外光源（ＬＤ、ＬＥＤ）、電子写真用青紫色光源、III族窒化物電子デバイスなどに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１９２】
【図１】実施例１に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【図２】実施例２に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【図３】実施例３に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【図４】実施例４に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【図５】融液温度に対するナトリウム１ｇ中のＧａＮの溶解量を調べた実験結果を示す図である。
【図６】実施例６に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【図７】実施例７に係る結晶成長装置の構成例を示す図（断面図）である。
【図８】実施例８の半導体レーザーの斜視図である。
【図９】実施例８の半導体レーザーの光出射方向に垂直な面での断面図である。
【図１０】実施例９の受光素子の断面図である。
【図１１】実施例１０の電子デバイスの断面図である。
【図１２】実施例１１の照明装置の模式図である。
【図１３】実施例１１の照明装置の回路図である。
【図１４】実施例１１の照明装置の光源である白色ＬＥＤモジュールの断面図である。
【図１５】実施例１１の白色ＬＥＤのモジュールの光源である紫外発光ＬＥＤの断面図である。
【図１６】従来技術における結晶成長装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１９３】
１１，４１      反応容器
１２，４２      溶液保持容器
１３            ヒーター
１４，４９      ガス供給管
１５，１８，２１，５０，５２，５５      バルブ
１６，１９，５３，５６      圧力調整器
１７，５４      窒素供給管
２０，５７      アルゴン供給管
２２，５１      圧力計
２３，４５      内部空間
２４          原料ＧａＮ保持容器
２５，５９      溶液
２６          溶液保持容器保持台
２７          冷却棒
２８          蓋
２９          ＧａＮ微結晶
３０          ＧａＮ板状結晶
３１，４７        原料ＧａＮ
３２，３３，３４    ＧａＮ結晶
３５，４８        種結晶
３６，５８        種結晶に成長したＧａＮ
４３          上部ヒーター
４４          下部ヒーター
４６          バッファー
１０１      反応容器
１０２      成長容器
１０３      III族金属供給管
１０４      III族金属
１０５      III族金属供給管の穴
１０６      加圧装置
１０７      反応容器の内部空間
１０８      窒素供給管
１０９      圧力制御装置
１１０      下部ヒーター
１１１      側部ヒーター
４００        ｎ型ＧａＮ層
４１０        ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層
４２０        ｎ型ＧａＮ光ガイド層
４３０        Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸活性層
４４０        ｐ型ＧａＮ光ガイド層
４５０        ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層
４６０        ｐ型ＧａＮキャップ層
４７０        絶縁膜
４８０        ｐ側のオーミック電極
４９０        ｎ側のオーミック電極
５００        ｎ型ＧａＮ基板
５１０        電流狭窄リッジ導波路構造
６００        ｎ型ＧａＮ基板
６１０        ｎ型ＧａＮ層
６２０        絶縁性ＧａＮ層
６３０        透明ショットキー電極
６４０        オーミック電極
６５０        電極
７００        ＧａＮ基板
７１０        絶縁性ＧａＮ層
７２０        ｎ型ＡｌＧａＮ層
７３０        ｎ型ＧａＮ層
７４０        ソース電極
７５０        ドレイン電極
７６０        ゲート電極
８００        ｎ型ＧａＮ基板
８１０        ｎ型ＧａＮ層
８２０        ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
８３０        ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する活性層
８４０        ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
８５０        ｐ型ＧａＮ層
８６０        透明オーミック電極
８７０        電極
８８０        ｎ側のオーミック電極
９００        紫外発光ＬＥＤ
９１０        ＹＡＧ系蛍光体
９２０        金ワイヤー
９３０        レンズ
９４０、９５０      電極端子
９６０        電流制限抵抗
９７０        直流電源
９８０        スイッチ
４０００        積層構造
４０１０、４０２０      光共振器面
４１１０、４１２０      レーザー光
６０１０        光（紫外線）
８０１０        紫外光
９０１０        白色光
９０２０        白色ＬＥＤモジュール
【図１】
2004307322.tif 000003
【図２】
2004307322.tif 000004
【図３】
2004307322.tif 000005
【図４】
2004307322.tif 000006
【図５】
2004307322.tif 000007
【図６】
2004307322.tif 000008
【図７】
2004307322.tif 000009
【図８】
2004307322.tif 000010
【図９】
2004307322.tif 000011
【図１０】
2004307322.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004307322.tif 000014
【図１３】
2004307322.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2004307322.tif 000017
【図１６】
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