(57)【要約】【課題】  従来よりも低コストで、実用的な大きさの大型，大面積の高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を作製することの可能な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融液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、前記融液２５に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸方向の成長速度よりも速くする物質（例えば、リチウム）を含ませて、ＩＩＩ族窒化物結晶３０を成長させる。【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融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸方向の成長速度とｃ軸に垂直な方向の成長速度との比率を制御す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】
請求項１記載の結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸方向の成長速度よりも速くする物質を含ませて、ＩＩＩ族窒化物結晶を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３】
請求項１または請求項２記載の結晶成長方法において、種結晶を用い、種結晶の主面に平行な方向の成長速度が種結晶の主面に垂直な方向の成長速度よりも速い速度で、種結晶の主面にＩＩＩ族窒化物結晶を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記載の結晶成長方法において、ｃ面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶を種結晶として、該種結晶のｃ面にＩＩＩ族窒化物結晶を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５】
少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、リチウム（Ｌｉ）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乃至請求項５のいずれか一項に記載の結晶成長方法で結晶成長させたＩＩＩ族窒化物結晶。
【請求項７】
請求項６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８】
請求項７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６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９】
請求項７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６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１０】
請求項７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６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１１】
請求項７乃至請求項１０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およびＩＩＩ族窒化物結晶および半導体デバイスおよびシステムに関する。
【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を基板として用いる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、このために、デバイス特性が悪かったり（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点がある。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が容易ではない。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。
【０００４】
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。
【０００５】
こうした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。
【０００６】
ＧａＮ基板を実現する一つの手法として、非特許文献１（第一の従来技術）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。
【０００７】
この第一の従来技術は、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。しかし、こ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。
【０００８】
すなわち、第一の従来技術では、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。
【０００９】
この第一の従来技術の問題を解決するために、特許文献１，特許文献２に示されているような方法が提案されている。
【００１０】
すなわち、特許文献１（第二の従来技術）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示されている。より具体的に、この方法では、図１４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。
【００１１】
また、特許文献２（第三の従来技術）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２００１−０５８９００号公報
【特許文献２】特開２００１−１０２３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した第二，第三の従来技術では、原料の追加補給を結晶成長の途中で行うので、大型のＩＩＩ族窒化物結晶を作製する事が可能である。
【００１３】
しかしながら、当業者間には、第二，第三の従来技術よりもさらに低コストで、実用的な大型，大面積のＩＩＩ族窒化物の基板結晶を作製できる方法が望まれている。
【００１４】
本発明は、従来よりも低コストで、実用的な大きさの大型，大面積の高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を作製することの可能な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】
【００１５】
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融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸方向の成長速度とｃ軸に垂直な方向の成長速度との比率を制御する物質を含ませることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸方向の成長速度よりも速くする物質を含ませて、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の結晶成長方法において、種結晶（例えば、板状の種結晶）を用い、種結晶（例えば、板状の種結晶）の主面に平行な方向の成長速度が種結晶の主面に垂直な方向の成長速度よりも速い速度で、種結晶（例えば、板状の種結晶）の主面にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の結晶成長方法において、ｃ面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶（例えば、板状のＩＩＩ族窒化物結晶）を種結晶として、該種結晶のｃ面にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項５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融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、リチウム（Ｌｉ）を含ませることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の結晶成長方法で結晶成長させたＩＩＩ族窒化物結晶である。
【００２１】
また、請求項７記載の発明は、請求項６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。
【００２２】
また、請求項８記載の発明は、請求項７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６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。
【００２３】
また、請求項９記載の発明は、請求項７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６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。
【００２４】
また、請求項１０記載の発明は、請求項７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６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。
【００２５】
また、請求項１１記載の発明は、請求項７乃至請求項１０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】
【００２６】
請求項１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融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸方向の成長速度とｃ軸に垂直な方向の成長速度との比率を制御する物質を含ませるので、結晶の形態を制御することができる。
【００２７】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸方向の成長速度よりも速くする物質を含ませて、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるので、結晶の形態を板状に制御することができる。そして、板状に制御できることから、そのまま基板として使えて、基板作製の低コスト化が可能となる。
【００２８】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の結晶成長方法において、種結晶（例えば、板状の種結晶）を用い、種結晶（例えば、板状の種結晶）の主面に平行な方向の成長速度が種結晶の主面に垂直な方向の成長速度よりも速い速度で、種結晶（例えば、板状の種結晶）の主面にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるので、平坦な表面を主面とする結晶を成長させることができる。
【００２９】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の結晶成長方法において、ｃ面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶（板状のＩＩＩ族窒化物結晶）を種結晶として、該種結晶のｃ面にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるので、高品質で、平坦なｃ面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることができる。
【００３０】
また、請求項５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融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、リチウム（Ｌｉ）を含ませることにより、リチウムは、融液中の窒素濃度を増加させるとともに、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸に平行な方向の成長速度よりも大きくし、高品質な板状のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることができる。
【００３１】
また、リチウムを含む融液を用いて結晶成長させたＩＩＩ族窒化物結晶は、特別な不純物を混合しなくても数ＭΩ以上の高抵抗になる。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物結晶を用いて、高品質の高抵抗基板を作製することができる。
【００３２】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の結晶成長方法で結晶成長させたＩＩＩ族窒化物結晶であるので、高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を提供することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項７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６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。
【００３５】
また、請求項９の発明によれば、請求項７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６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。
【００３６】
また、請求項１０の発明によれば、請求項７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６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。
【００３７】
また、請求項１１の発明によれば、請求項７乃至請求項１０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】
【００３８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００３９】
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸方向の成長速度とｃ軸に垂直な方向の成長速度との比率を制御する物質を含ませることを特徴としている。
【００４０】
このような物質としては、第２の形態で示すように、例えば、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸に平行な方向の成長速度よりも大きくするものがある。具体的に、このような物質としては、リチウム（Ｌｉ）がある。融液中にリチウムを添加することによって、ｃ軸方向が短い板状結晶を成長させることができる。なお、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸方向の成長速度とｃ軸に垂直な方向の成長速度との２つの成長速度を同じに制御することも、本発明の適用範囲である。
【００４１】
第１の形態では、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸方向の成長速度とｃ軸に垂直な方向の成長速度との比率を制御する物質を含ませるので、結晶の形態を制御することができる。
【００４２】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸方向の成長速度よりも速くする物質を含ませて、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
【００４３】
第２の形態では、第１の形態の結晶成長方法において、前記融液に、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸方向の成長速度よりも速くする物質を含ませて、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるので、結晶の形態を板状に制御することができる。そして、板状に制御できることから、そのまま基板として使えて、基板作製の低コスト化が可能となる。
【００４４】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態の結晶成長方法において、種結晶（例えば、板状の種結晶）を用い、種結晶（例えば、板状の種結晶）の主面に平行な方向の成長速度が種結晶の主面に垂直な方向の成長速度よりも速い速度で、種結晶（例えば、板状の種結晶）の主面にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
【００４５】
第３の形態では、第１または第２の形態の結晶成長方法において、種結晶（例えば、板状の種結晶）を用い、種結晶（例えば、板状の種結晶）の主面に平行な方向の成長速度が種結晶の主面に垂直な方向の成長速度よりも速い速度で、種結晶の主面にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるので、平坦な表面を主面とする結晶を成長させることができる。
【００４６】
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第３の形態の結晶成長方法において、ｃ面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶（板状のＩＩＩ族窒化物結晶）を種結晶として、該種結晶のｃ面にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
【００４７】
第４の形態では、第３の形態の結晶成長方法において、ｃ面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶（板状のＩＩＩ族窒化物結晶）を種結晶として、該種結晶のｃ面にＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるので、高品質で、平坦なｃ面を主面とするＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることができる。
【００４８】
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、リチウム（Ｌｉ）を含ませることを特徴としている。
【００４９】
第５の形態では、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液からＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、前記融液に、リチウム（Ｌｉ）を含ませることにより、リチウムは、融液中の窒素濃度を増加させるとともに、ＩＩＩ族窒化物結晶のｃ軸に垂直な方向の成長速度をｃ軸に平行な方向の成長速度よりも大きくし、高品質な板状のＩＩＩ族窒化物結晶を成長させることができる。
【００５０】
また、リチウムを含む融液を用いて結晶成長させたＩＩＩ族窒化物結晶は、特別な不純物を混合しなくても数ＭΩ以上の高抵抗になる。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物結晶を用いて、高品質の高抵抗基板を作製することができる。
【００５１】
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の結晶成長方法で結晶成長させたＩＩＩ族窒化物結晶である。次表（表１）には、少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液にリチウムを含ませないで成長させた場合（添加なしの場合）と少なくともアルカリ金属とＩＩＩ族金属と窒素が溶解した融液にリチウム（Ｌｉ）を含ませて成長させた場合（添加する場合）とのＩＩＩ族窒化物結晶の特性が示されている。
【００５２】
【表１】
2005206409.tif 000003
【００５３】
（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第６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。
【００５４】
（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第７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６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。
【００５５】
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。
【００５６】
（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第７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６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。
【００５７】
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。
【００５８】
（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第７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６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。
【００５９】
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。
【００６０】
（第１１の形態）
本発明の第１１の形態は、第７，第８，第９，第１０の形態の半導体デバイスを具備したシステムである。
【００６１】
システムとしては、例えば、第８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８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８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９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１０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７、第８、第９、第１０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】
【００６２】
実施例１は、第１，第２，第５，第６の形態に対応した実施例である。この実施例１では、アルカリ金属としてＮａ（ナトリウム）を使用し、ＩＩＩ族元素の原料として金属Ｇａ（ガリウム）を使用し、窒素原料として窒素ガスを使用し、さらに、Ｌｉ（リチウム）の原料としてＬｉ３Ｎ（窒化リチウム）を添加し、ＩＩＩ族窒化物としてＧａＮを結晶成長させた。
【００６３】
ここで、Ｎａ，Ｇａ，Ｌｉ３Ｎはあらかじめ混合融液として融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して供給し、ＧａＮを結晶成長させた。
【００６４】
図１は実施例１に用いられた結晶成長装置の構成例を示す図である。
【００６５】
図１の結晶成長装置は、ステンレス製の閉じた形状の反応容器１１に、アルカリ金属とＩＩＩ族金属を含む融液２５を保持し、結晶成長を行なうための融液保持容器１２が設けられている。
【００６６】
この融液保持容器１２は反応容器１１から取り外すことができる。また、融液保持容器１２の材質はＢＮである。
【００６７】
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で調整する事ができる。
【００６８】
また、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で調整する事ができる。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
以下に、図１の結晶成長装置を使用した実施例１でのＧａＮの結晶成長方法を説明する。
【００７３】
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。
【００７４】
次いで、ＢＮ製の融液保持容器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。融液２５中のＮａの比率はＮａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．７とした。また、Ｌｉ原料としてＬｉ３Ｎを入れた。
【００７５】
次いで、融液保持容器１２を融液保持容器保持台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。
【００７６】
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３．３  ＭＰａ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。
【００７７】
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。この場合、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。
【００７８】
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、融液２５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。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。
【００７９】
この状態で３００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、融液保持容器１２の内壁に無色透明な板状のＧａＮ３０が成長していた。
【００８０】
同様の結晶成長を融液中にＬｉを入れずに行なった場合には、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。これに対し、融液中にＬｉを混合した場合には、図２に示すような大きな板状のＧａＮ結晶３０のみが成長した。
【００８１】
成長した板状のＧａＮ結晶３０は、Ｃ面の差し渡しの長さが４ｍｍ以上で、厚さが８０μｍ以上の大きさであった。Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が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。
【実施例２】
【００８２】
実施例２は、第３，第４，第５，第６の形態に対応した実施例である。この実施例２では、アルカリ金属としてＮａ（ナトリウム）を使用し、ＩＩＩ族元素の原料として金属Ｇａ（ガリウム）を使用し、窒素原料として窒素ガスを使用し、さらに、Ｌｉ（リチウム）の原料としてＬｉ３Ｎ（窒化リチウム）を添加し、種結晶にＩＩＩ族窒化物としてＧａＮを結晶成長させた。
【００８３】
ここで、Ｎａ，Ｇａ，Ｌｉ３Ｎはあらかじめ混合融液として融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して供給し、ＧａＮを結晶成長させた。
【００８４】
また、種結晶には、ｃ面を主面とする板状のＧａＮ結晶を使用した。
【００８５】
図３は実施例２に用いた結晶成長装置の構成例を示す図である。図３の結晶成長装置は、図１の装置と同様のものである。
【００８６】
以下に、図３の結晶成長装置を使用した実施例２でのＧａＮの結晶成長方法を説明する。
【００８７】
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。
【００８８】
次いで、ＢＮ製の融液保持容器１２に、ｃ面を主面とする板状ＧａＮ結晶３２を種結晶として入れる。次いで、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。融液２５中のＮａの比率はＮａ／（Ｎａ＋Ｇａ）＝０．４とした。次いで、Ｌｉ原料としてＬｉ３Ｎを入れた。
【００８９】
次いで、融液保持容器１２を融液保持容器保持台２６に置き、反応容器１１内に設置する。その後は、実施例１と同様の手順で結晶成長を行った。
【００９０】
３００時間の結晶成長後、種結晶３２上には、図４に示すように表面が平坦で無色透明な板状のＧａＮ結晶３３が成長していた。
【００９１】
同様の結晶成長を融液中にＬｉを入れずに行なった場合には、種結晶３２上には、図５に示すように表面の凹凸の大きいＧａＮ結晶３４が成長していた。これに対し、融液中にＬｉを混合した場合には、図４に示すような平坦な表面を有するＧａＮ結晶３３が成長した。
【００９２】
成長したＧａＮ３３は、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が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。
【実施例３】
【００９３】
実施例３は、第８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。
【００９４】
図６，図７は実施例３の半導体レーザーを示す図である。なお、図６は実施例３の半導体レーザーの斜視図であり、また、図７はその光出射方向に垂直な面での断面図である。
【００９５】
実施例３の半導体レーザーは第６の形態のＧａＮ結晶で作製したｎ型ＧａＮ基板５０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。
【００９６】
すなわち、図６，図７において、半導体レーザー積層構造４００は、２５０μｍの厚さのｎ型ＧａＮ基板５０上に、ｎ型ＧａＮ層４０、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４１、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４２、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸活性層４３、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４４、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４５、ｐ型ＧａＮキャップ層４６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。
【００９７】
そして積層構造４００は、ｐ型ＧａＮキャップ層４６からｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層４５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５１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。
【００９８】
また、積層構造の表面には、ＳｉＯ２からなる絶縁膜４７が形成されている。リッジ５１上の絶縁膜４７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４６表面に、ｐ側のオーミック電極４８が形成されている。
【００９９】
また、ｎ型ＧａＮ基板５０の裏面には、ｎ側のオーミック電極４９が形成されている。ｎ側オーミック電極４９としては、Ｔｉ／Ａｌを、ｐ側オーミック電極４８としては、Ｎｉ／Ａｕを蒸着して形成した。
【０１００】
また、リッジ５１と活性層４３に垂直に光共振器面４０１，４０２が形成されている。光共振器面４０１，４０２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５１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。
【０１０１】
ｎ側オーミック電極４９と光共振器面４０１，４０２は、ｎ型ＧａＮ基板５０の裏面を８０μｍまで研磨した後に形成した。
【０１０２】
実施例３の半導体レーザーでは、ｐ側のオーミック電極４８とｎ側のオーミック電極４９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４０１，４０２から、レーザー光４１１，４１２が出射される。
【０１０３】
実施例３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４】
【０１０４】
実施例４は第９の形態の半導体デバイス（受光素子）の一実施例である。図８は実施例４の受光素子を示す図である。
【０１０５】
実施例４の受光素子は、第６の形態のＩＩＩ族窒化物結晶で作製したｎ型ＧａＮ基板６０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。
【０１０６】
ここで、ＧａＮ基板６０の厚さは、３００μｍである。
【０１０７】
実施例４の受光素子の構造は、ｎ型ＧａＮ基板６０上に、ｎ型ＧａＮ層６１，絶縁性ＧａＮ層６２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６３が形成されたＭＩＳ型受光素子である。
【０１０８】
ｎ型ＧａＮ基板６０の裏面には、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック電極６４が形成され、透明ショットキー電極６３の上部の一部には、Ａｕからなる電極６５が形成されている。
【０１０９】
実施例４の受光素子では、透明ショットキー電極６３側から光（紫外線）６０１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。
【０１１０】
実施例４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５】
【０１１１】
実施例５は第１０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９は実施例５の半導体デバイス（電子デバイス）の断面図である。実施例５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。
【０１１２】
実施例５の高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）は、Ｌｉを添加して結晶成長した第６の形態の高抵抗ＧａＮ結晶で作製したＧａＮ基板７０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。
【０１１３】
ここで、ＧａＮ基板７０の厚さは、３００μｍである。
【０１１４】
高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）の構造は、ＧａＮ基板７０上に積層された絶縁性ＧａＮ層７１、ｎ型ＡｌＧａＮ層７２、ｎ型ＧａＮ層７３からなるリセスゲートＨＥＭＴである。
【０１１５】
ｎ型ＧａＮ層７３はゲート部分がｎ型ＡｌＧａＮ層７２までエッチングされ、ｎ型ＡｌＧａＮ層７２にＮｉ／Ａｕからなるゲート電極７６が形成されている。ゲートをはさんで両脇のｎ型ＧａＮ層７３には、Ｔｉ／Ａｌからなるドレイン電極７５、ソース電極７４がそれぞれ形成されている。
【０１１６】
実施例５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６】
【０１１７】
実施例６は第１１の形態のシステムの一実施例である。すなわち、実施例６は第８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。
【０１１８】
図１０は実施例６の照明装置の模式図である。また、図１１は実施例６の照明装置の回路図である。また、図１２は実施例６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１３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。
【０１１９】
実施例６の照明装置は、２個の白色ＬＥＤモジュール９０２と電流制限抵抗９６，直流電源９７，スイッチ９８とが直列に接続されており、スイッチ９８のオン，オフによって、白色ＬＥＤモジュール９０２を発光させるようになっている。
【０１２０】
ここで、白色ＬＥＤモジュール９０２は、紫外発光ＬＥＤ９０にＹＡＧ系蛍光体９１が塗布された構造をなす。そして、電極端子９４，９５間に所定の電圧を印加すると、紫外発光ＬＥＤ９０が発光し、その紫外光によってＹＡＧ系蛍光体９１が励起され、白色光９０１が取り出される。
【０１２１】
ここで、紫外発光ＬＥＤ９０は、第６の形態のＩＩＩ族窒化物結晶で作製したｎ型ＧａＮ基板８０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。
【０１２２】
ＧａＮ基板８０の厚さは、３００μｍである。
【０１２３】
紫外発光ＬＥＤ９０の構造は、ｎ型ＧａＮ基板８０上に、ｎ型ＧａＮ層８１、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層８２、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する活性層８３、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層８４、ｐ型ＧａＮ層８５が積層され、その上に、Ｎｉ／Ａｕから成る透明オーミック電極８６が形成されている。透明オーミック電極８６上には、Ｎｉ／Ａｕから成るワイヤーボンディング用の電極８７が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板８０の裏面には、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック電極８８が形成されている。
【０１２４】
この紫外発光ＬＥＤ９０では、ｐ側の電極８７とｎ側のオーミック電極８８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８０１が取り出される。
【０１２５】
この実施例６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。
【０１２６】
従って、実施例６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】
【０１２７】
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】
【０１２８】
【図１】実施例１で用いた結晶成長装置の構成例を示す図である。
【図２】実施例１で結晶成長させた板状のＧａＮ結晶を示す図である。
【図３】実施例２で用いた結晶成長装置の構成例を示す図である。
【図４】実施例２で結晶成長させた板状のＧａＮ結晶を示す図である。
【図５】リチウムを添加せずに板状ＧａＮ種結晶に成長させた板状ＧａＮを示す図である。
【図６】実施例３の半導体レーザーの斜視図である。
【図７】実施例３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８】実施例４の受光素子の断面図である。
【図９】実施例５の電子デバイスの断面図である。
【図１０】実施例６の照明装置の模式図である。
【図１１】実施例６の照明装置の回路図である。
【図１２】実施例６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１３】実施例６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１４】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】
【０１２９】
１１          反応容器
１２          融液保持容器
１３          ヒーター
１４          ガス供給管
１５，１８，２１          バルブ
１６，１９          圧力調整器
１７          窒素供給管
２０          アルゴン供給管
２２          圧力計
２３          内部空間
２４          原料ＧａＮ保持容器
２５          融液
２６          融液保持容器保持台
３０          ＧａＮ柱状結晶
３１          ＧａＮ柱状結晶
３２          ＧａＮ種結晶
３３          成長したＧａＮ結晶
３４          従来方法で成長したＧａＮ結晶
４０          ｎ型ＧａＮ層
４１          ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層
４２          ｎ型ＧａＮ光ガイド層
４３          Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸活性層
４４          ｐ型ＧａＮ光ガイド層
４５          ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層
４６          ｐ型ＧａＮキャップ層
４７          絶縁膜
４８          ｐ側のオーミック電極
４９          ｎ側のオーミック電極
５０          ｎ型ＧａＮ基板
５１          電流狭窄リッジ導波路構造
６０          ｎ型ＧａＮ基板
６１          ｎ型ＧａＮ層
６２          絶縁性ＧａＮ層
６３          透明ショットキー電極
６４          オーミック電極
６５          電極
７０          ＧａＮ基板
７１          絶縁性ＧａＮ層
７２          ｎ型ＡｌＧａＮ層
７３          ｎ型ＧａＮ層
７４          ソース電極
７５          ドレイン電極
７６          ゲート電極
８０          ｎ型ＧａＮ基板
８１          ｎ型ＧａＮ層
８２          ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
８３          ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する活性層
８４          ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
８５          ｐ型ＧａＮ層
８６          透明オーミック電極
８７          電極
８８          ｎ側のオーミック電極
９０          紫外発光ＬＥＤ
９１          ＹＡＧ系蛍光体
９２          金ワイヤー
９３          レンズ
９４、９５          電極端子
９６          電流制限抵抗
９７          直流電源
９８          スイッチ
４００          積層構造
４０１、４０２          光共振器面
４１１、４１２          レーザー光
６０１          光（紫外線）
８０１          紫外光
９０１          白色光
９０２          白色ＬＥＤモジュール
【図１】
2005206409.tif 000004
【図２】
2005206409.tif 000005
【図３】
2005206409.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005206409.tif 000010
【図８】
2005206409.tif 000011
【図９】
2005206409.tif 000012
【図１０】
2005206409.tif 000013
【図１１】
2005206409.tif 000014
【図１２】
2005206409.tif 000015
【図１３】
2005206409.tif 000016
【図１４】
2005206409.tif 000017