(57)【要約】【課題】  簡単な構造でアルカリ金属を自動供給でき、成長容器内の原料を一定に保つことの可能なＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法を提供する。【解決手段】  アルカリ金属を含む融液５中で、ＩＩＩ族金属原料と窒素原料を反応させてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、アルカリ金属が蒸発し、融液５の液面がアルカリ金属導入管２よりも低下すると、アルカリ金属補充容器１からアルカリ金属３が自重により供給され、融液５の液面がアルカリ金属導入管２に達すると圧力差によって供給が停止する機構によって、アルカリ金属を補充し、結晶成長を行うことを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属を含む融液中で、ＩＩＩ族金属原料と窒素原料を反応させてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構によって、アルカリ金属を補充し、結晶成長を行うことを特徴とするＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法。
【請求項２】
アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構を有し、アルカリ金属補充容器は、るつぼの上に設置されており、密閉されたアルカリ金属補充容器下部にアルカリ金属導入管が配置されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【請求項３】
アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構を有し、アルカリ金属補充容器は、るつぼの上に設置されており、密閉されたアルカリ金属補充容器下部に、アルカリ金属導入管と、圧力調整管とが配置され、圧力調整管は、アルカリ金属導入管よりも突出量が少ないことを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属導入管の先端の断面は、液面に対して斜めになっていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【請求項５】
請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属補充容器は、アルカリ金属の液面よりも下の部分で分割可能な構造となっていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【請求項６】
請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、るつぼ内の混合融液の液面をアルカリ金属導入管の寸法もしくは圧力調整管の寸法で制御可能となっていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【請求項７】
請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属補充容器の径は、るつぼと同じか、もしくは、るつぼよりも大きいことを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【請求項８】
請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属導入管は、るつぼの中心から離れた位置に設置されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【請求項９】
請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、圧力調整管は、るつぼの中心から離れた位置に設置されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【請求項１０】
請求項８記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属導入管の先端の断面は、るつぼの外周方向を向いていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物結晶成長装置。
【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族窒化物結晶成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高品質の半導体層を基板上にエピタキシャル成長させる場合には、基板と半導体層の格子定数や熱膨張係数が同程度である必要がある。しかし、ＩＩＩ族窒化物半導体はこれらを同時に満足する基板が世の中には存在しない。
【０００３】
従って、ＩＩＩ族窒化物では、一般に、サファイアやＧａＡｓのようなＩＩＩ族窒化物半導体とは格子定数や熱膨張係数の大きく異なる異種基板上に、ＥＬＯ等の結晶成長技術を用いて厚膜ＧａＮを成長し、それを基板として半導体レーザー結晶を作製している。
【０００４】
しかるに、異種基板を用いて結晶成長されたＧａＮ基板は、転位密度が１０７ｃｍ−２程度と非常に多くの結晶欠陥が含まれており、実用的な高出力のレーザー素子や電子デバイスを作製するには未だ十分な品質であるとはいえない。
【０００５】
一方、高品質なＧａＮ基板を作製するためのＧａＮバルク単結晶を作製する試みが様々な研究機関においてなされているが、いまだに数ミリ程度のものしか得られていないのが現状であり、実用化には程遠い状態である。
【０００６】
非特許文献１（従来技術１：フラックス法）には、Ｎａをアルカリ金属として用いたＧａＮ結晶成長方法が示されている。この方法は、アルカリ金属としてのアジ化ナトリウム（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）に窒素雰囲気で封入し、この反応容器を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。この方法では、６００℃〜８００℃程度の比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧も高々１００ｋｇ／ｃｍ２程度と低く出来る点が特徴である。この方法で１ｍｍ程度の大きさのＧａＮ結晶が作製できている。
【０００７】
また、特許文献１（従来技術２）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に、ＩＩＩ族金属を追加補充する方法が示されている。この方法は、反応容器内に、アルカリ金属の収容された成長容器と、ＩＩＩ族金属供給管を設け、ＩＩＩ族金属供給管に外部から圧力を加え、成長容器にＩＩＩ族金属を追加補給するようになっている。
【０００８】
また、特許文献２（従来技術３）には、アルカリ金属（Ｎａ）とＩＩＩ族金属（Ｇａ）との混合融液が収容された融液供給管に外部から圧力を加え、アルカリ金属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、成長容器内にアルカリ金属（Ｎａ）とＩＩＩ族金属（Ｇａ）と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とが示されている。
【非特許文献１】Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｖｏｌ．９  （１９９７）  ｐ．４１３−４１６
【特許文献１】特開２００１−５８９００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】
【０００９】
従来技術１に示されているフラックス法によるＧａＮ結晶成長においては、反応容器内の温度−圧力の影響によりアルカリ金属が蒸発し一定の蒸気圧となる。しかし、反応容器内に温度の低い部分があると、アルカリ金属蒸気は温度の低い部分に凝固するので、アルカリ金属原料は温度の低い部分に移動することとなる。反応容器は原料の仕込みや結晶の取り出し等の関係からパッキン部の冷却が必要となることと、窒素原料の供給管が接続しているので低温部をなくすことは出来ない。反応容器の大きさや形状によっても変わってくるが、６００℃〜８００℃で数十〜数百時間の成長であれば、アルカリ金属は高温部から数ｇ〜十数ｇ低温側に移動することが分かっており、アルカリ金属原料が十分でない場合は枯渇し結晶成長がストップする。また、アルカリ金属を大量に仕込む方法も考えられるが、ＩＩＩ族金属とアルカリ金属の混合比が結晶成長に影響を与えていると考えられ、混合比を一定に保つことが必要となるため、アルカリ金属を大量に仕込むことはできない。
【００１０】
また、従来技術２及び従来技術３の方法では、融液供給管に外部から圧力を加える方法を用いているが、アルカリ金属原料の消費量（実際には移動する量）が見積もりにくく、常に液面を一定に確保することが難しい。また、外部から圧力を加えるために装置が複雑となり、自動供給装置等が必要となる。さらに、結晶成長中は混合融液の液面にうねりがあると結晶成長が安定せず結晶欠陥を生じる可能性があるため、アルカリ金属を供給する際には液面にうねりを発生させない工夫が必要となる。
【００１１】
本発明は、簡単な構造でアルカリ金属を自動供給でき、成長容器内の原料を一定に保つことの可能なＩＩＩ族窒化物の結晶成長方法及びＩＩＩ族窒化物結晶成長装置を提供することを目的としている。
【００１２】
また、本発明は、アルカリ金属の供給時に混合融液の液面のうねりを小さくすることの可能な結晶成長装置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】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、アルカリ金属を含む融液中で、ＩＩＩ族金属原料と窒素原料を反応させてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構によって、アルカリ金属を補充し、結晶成長を行うことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構を有し、アルカリ金属補充容器は、るつぼの上に設置されており、密閉されたアルカリ金属補充容器下部にアルカリ金属導入管が配置されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構を有し、アルカリ金属補充容器は、るつぼの上に設置されており、密閉されたアルカリ金属補充容器下部に、アルカリ金属導入管と、圧力調整管とが配置され、圧力調整管は、アルカリ金属導入管よりも突出量が少ないことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属導入管の先端の断面は、液面に対して斜めになっていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属補充容器は、アルカリ金属の液面よりも下の部分で分割可能な構造となっていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項６記載の発明は、請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、るつぼ内の混合融液の液面をアルカリ金属導入管の寸法もしくは圧力調整管の寸法で制御可能となっていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項７記載の発明は、請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属補充容器の径は、るつぼと同じか、もしくは、るつぼよりも大きいことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項８記載の発明は、請求項２または請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属導入管は、るつぼの中心から離れた位置に設置されていることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項９記載の発明は、請求項３記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、圧力調整管は、るつぼの中心から離れた位置に設置されていることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項１０記載の発明は、請求項８記載のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属導入管の先端の断面は、るつぼの外周方向を向いていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、アルカリ金属がるつぼから蒸発して混合融液の液面が下がった場合、アルカリ金属を自動供給することができるので、混合融液の混合比を一定に保つことが可能となり、安定してＩＩＩ族窒化物を結晶成長することができる。
【００２４】
また、請求項３，請求項４，請求項１０記載の発明によれば、アルカリ金属の供給時に混合融液の液面のうねりを小さくすることができる。
【００２５】
また、請求項５記載の発明によれば、アルカリ金属原料を容易にアルカリ金属補充容器に充填することができる。
【００２６】
また、請求項６，請求項７記載の発明によれば、アルカリ金属導入管もしくは圧力調整管の寸法で液面を一定に制御することで、アルカリ金属の量を一定に制御でき、この場合、ＩＩＩ族金属の量を把握するだけでアルカリ金属とＩＩＩ族金属との混合比を制御できるので、結晶成長時の原料の仕込みが容易になる。
【００２７】
また、請求項８，請求項９記載の発明によれば、導入管及び圧力調整管をるつぼの中心から離したことで、結晶成長領域を広く確保することができ、これにより、大きなＩＩＩ族窒化物結晶を成長することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２９】
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、アルカリ金属を含む融液中で、ＩＩＩ族金属原料と窒素原料を反応させてＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる結晶成長方法において、アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構によって、アルカリ金属を補充し、結晶成長を行うことを特徴としている。
【００３０】
このような結晶成長方法は、次のようなＩＩＩ族窒化物結晶成長装置によって実現できる。すなわち、アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構を有し、アルカリ金属補充容器は、るつぼの上に設置されており、密閉されたアルカリ金属補充容器下部にアルカリ金属導入管が配置されているＩＩＩ族窒化物結晶成長装置によって実現できる。
【００３１】
より詳細に、このＩＩＩ族窒化物結晶成長装置は、密閉されたアルカリ金属補充容器下部の一部にアルカリ金属導入管が配置され、アルカリ金属補充容器内のアルカリ金属をアルカリ金属導入管からるつぼに供給できる構造のものとなっており、るつぼ内の液面がアルカリ金属導入管より下降したときにアルカリ金属の自重によりアルカリ金属が自動供給され、るつぼ内の液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止するように構成されている。
【００３２】
より具体的に説明すると、密閉されたアルカリ金属補充容器下部にはアルカリ金属導入管が配置されており、この容器の下に設置されたるつぼにアルカリ金属導入管からアルカリ金属が自重により供給される。このとき、アルカリ金属補充容器は密閉されているため、アルカリ金属補充容器内は減圧となり、アルカリ金属導入管からガスが入り込んでアルカリ金属補充容器内の圧力が高くなり、また、アルカリ金属の自重によってアルカリ金属がるつぼに供給されるということが繰り返される。アルカリ金属が供給されることで、るつぼ内の液面が上昇しアルカリ金属導入管まで達すると、アルカリ金属補充容器内が減圧になってもガスが入り込めないため供給が停止するようになっている。
【００３３】
この第１の形態では、簡単な構造でアルカリ金属を自動供給でき、成長容器内の原料を一定に保つことができる。
【００３４】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、アルカリ金属が蒸発し、融液液面がアルカリ金属導入管よりも低下すると、アルカリ金属補充容器からアルカリ金属が自重により供給され、融液液面がアルカリ金属導入管に達すると圧力差によって供給が停止する機構を有し、アルカリ金属補充容器は、るつぼの上に設置されており、密閉されたアルカリ金属補充容器下部に、アルカリ金属導入管と、圧力調整管とが配置され、圧力調整管は、アルカリ金属導入管よりも突出量が少ないことを特徴としている。
【００３５】
すなわち、第２の形態は、補充容器にアルカリ金属導入管の他に圧力調整管を設置したものとなっている。換言すれば、前述した第１の形態の供給装置は、アルカリ金属の供給管とガスが入り込む部分が同じであるが、第２の形態では、これらを別々にしたものとなっている。これらを別々にすることで、アルカリ金属の供給がスムーズに行われるばかりでなく、脈動を抑えられるので、るつぼ内の液面のうねりを少なくすることができる。液面のうねりが少なくなると、結晶成長中、安定して成長させることが可能となる。また、圧力調整管はアルカリ金属導入管よりも突出量が短くなっているため、アルカリ金属導入管の先端は常にるつぼ内液面の下になり、アルカリ金属が供給されても液面のうねりを小さくできる。
【００３６】
このように第２の形態では、さらに、アルカリ金属の供給時に混合融液の液面のうねりを小さくすることができる。
【００３７】
（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ＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属導入管の先端の断面が、液面に対して斜めになっていることを特徴としている。アルカリ金属は主にＮａ金属等が用いられるので、粘度が高く、るつぼ内の液面がアルカリ金属導入管先端より下がっても、アルカリ金属の切れが悪くなる。アルカリ金属の切れが悪くなると、導入開始と導入停止時の液面の変位量が大きくなるので、るつぼ内のＩＩＩ族金属とアルカリ金属の混合比が変動する。アルカリ金属導入管の先端形状が平らであれば、接触面積が大きくなるのでこの傾向は顕著となるが、本発明の第３の形態では、アルカリ金属導入管の先端の断面を斜めにすることで、アルカリ金属の切れを良くすることができる。
【００３８】
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第１または第２の形態のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属補充容器はアルカリ金属の液面よりも下の部分で分割可能な構造となっていることを特徴としている。
【００３９】
このように、アルカリ金属補充容器はアルカリ金属の液面よりも下の部分で分割可能な構造となっているので、アルカリ金属を仕込む際の利便性を良くすることができる。
【００４０】
アルカリ金属補充容器を分割すると接続部分からガスが洩れるのでパッキンが必要となるが、成長温度が６００℃以上となる雰囲気においてパッキンを使用することは不可能である。そこで、アルカリ金属補充容器のアルカリ金属の液面よりも下の部分で分割することで、アルカリ金属の表面張力によりガスの侵入を抑えることができる。より詳しくは、アルカリ金属補充容器内のアルカリ金属の液面よりも下に接続部を設けることで、接続部からのガス洩れに対してアルカリ金属の表面張力が優るためガスの進入を抑えることができる。（ここで、ガス洩れと記載したが、接続部分は突き合わせにより接続されており、できるだけ洩れない構造をとっているがパッキンレベルではないということ。）
【００４１】
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第１または第２の形態のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、るつぼ内の混合融液の液面をアルカリ金属導入管の寸法もしくは圧力調整管の寸法で制御可能となっていることを特徴としている。すなわち、第５の形態は、るつぼ内の混合融液の混合比をアルカリ金属導入管の寸法で制御できる構造となっている。
【００４２】
るつぼには予め計量されたＩＩＩ族金属を仕込み、アルカリ金属補充容器内にはアルカリ金属を仕込んだ上で温度を上昇させると、アルカリ金属は融液となりアルカリ金属導入管からるつぼに補充される。るつぼ内の液面がアルカリ金属導入管に達すると供給が停止するので、るつぼの容量が分かっていればアルカリ金属導入管の長さを規定するだけでアルカリ金属の量をコントロールすることができる。従って、ＩＩＩ族金属の量だけを正確に計量するだけで、るつぼ内の混合比（アルカリ金属とＩＩＩ族金属との混合比）を一定にすることが可能となる。
【００４３】
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１または第２の形態のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属補充容器の径は、るつぼと同じか、もしくは、るつぼよりも大きいことを特徴としている。本発明では、るつぼの上にアルカリ金属補充容器を置くだけで、るつぼ内の液面を一定にすることができるため、複雑なセッティングを必要としない。
【００４４】
（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第１または第２の形態のＩＩＩ族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属導入管は、るつぼの中心から離れた位置に設置されていることを特徴としている。第７の形態では、アルカリ金属導入管をるつぼの中心から離したことで、るつぼ内の結晶成長領域を広く確保することができ、大きなＩＩＩ族窒化物結晶を成長することが可能となる。
【００４５】
（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第２の形態において、圧力調整管は、るつぼの中心から離れた位置に設置されていることを特徴としている。第８の形態では、圧力調整管をるつぼの中心から離れた位置に設置したことで、第７の形態と同様に、るつぼ内の結晶成長領域を広く確保することができ、大きなＩＩＩ族窒化物結晶を成長することが可能となる。
【００４６】
（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第７の形態において、アルカリ金属導入管の先端の断面は、るつぼの外周方向を向いていることを特徴としている。これは、アルカリ金属が供給されたときにるつぼ内の液面のうねりを抑えるもので、アルカリ金属導入管の先端の断面がるつぼの中心を向いている場合には、アルカリ金属が供給されたときに液面のうねりが大きくなるが、アルカリ金属導入管の先端の断面がるつぼの外周方向に向いていると、導入されたアルカリ金属はるつぼの側壁に当たることで方向が変わり、液面のうねりが減少する。
【実施例１】
【００４７】
図１は実施例１の結晶成長装置を示す図である。
【００４８】
図１の結晶成長装置は、ステンレス製の反応容器６とフランジ７からなる反応容器内１０に、ＩＩＩ族金属とアルカリ金属の混合融液５が収容されたるつぼ４が設けられており、その上にはアルカリ金属融液３が収容されたアルカリ金属補充容器１が設けられている。フランジ７にはＮ２ガスを導入できるように配管８がなされ、反応容器内１０をＮ２ガスにて加圧することができるようになっている。
【００４９】
また、アルカリ金属補充容器１の下部にはアルカリ金属を導入するためのアルカリ金属導入管２が付いており、アルカリ金属導入管２の先端の断面は、第３の形態に記載したように、液面に対して斜めになっている。また、第７の形態に記載したようにアルカリ金属導入管２をるつぼ４の中心から離れた位置に設置しているため、結晶成長領域を広くすることができて大きな結晶を成長することができる。また、第９の形態に記載したようにアルカリ金属導入管２の先端の断面方向はるつぼ４の外周方向を向いており、アルカリ金属がるつぼ４に導入されたときに、るつぼ４の側壁に当たって液流が分割されるので、液面のうねりが少なくなる。
【００５０】
るつぼ４の大きさは、外径５０ｍｍ（内径４４ｍｍ）、高さ５０ｍｍ（内部の高さ：４７ｍｍ）であり、材質はＢＮ（窒化ボロン）である。また、補充容器１の大きさは、外径５０ｍｍ（内径４６ｍｍ）、高さ５０ｍｍ（内部の高さ：４６ｍｍ）であり、導入管２は、内径７ｍｍ、長さ１５ｍｍであり、材質はステンレス製である。アルカリ金属導入管２の内径は大きいほどアルカリ金属３を補充しやすく、また、アルカリ金属補充容器１内が減圧になったときガスが入り込みやすくなるが、内径を大きくするためにアルカリ金属導入管２を太くしすぎると、るつぼ４内の結晶成長領域が狭まるので、なるべく内径を小さく設定したい。しかし、細すぎるとアルカリ金属３の粘度が高いため、るつぼ４内の液面が下がってもアルカリ金属３がアルカリ金属導入管２内に留まり、るつぼ４内に補充されない。従って、アルカリ金属導入管２の内径の大きさは７ｍｍ〜１０ｍｍが適当である。なお、るつぼ４やアルカリ金属補充容器１の材質はＢＮ（窒化ボロン）やステンレスに限られるものではなく、ＡｌＮ等の窒化物、又はＷやＭｏ等の金属製でも良い。
【００５１】
この実施例１では、ＩＩＩ族金属をＧａとし、アルカリ金属をＮａとして、るつぼ４に仕込んである。るつぼ４内にはＧａだけを仕込んでも良いし、ＧａとＮａを同時に仕込んでも良い。るつぼ４内の混合融液の量は、るつぼ４の大きさとアルカリ金属導入管２の長さで決まるので、ＧａとＮａの混合比を考慮してＧａ量を正確に計量して仕込む。
【００５２】
補充容器１にＮａを仕込む手順を説明すると、図２（ａ）に示すように、アルカリ金属補充容器１を上下逆にしてからホットプレートで加熱しながらＮａ３をアルカリ金属補充容器１内に導入する。導入が終了したら加熱を止めて冷却するとＮａ３は固化してアルカリ金属補充容器１の上部に固定される。
【００５３】
次に、図２（ｂ）に示すように、るつぼ４をステンレス製反応容器６にセットし、るつぼ４上にはアルカリ金属補充容器１をセットする。補充容器１は前記したように、るつぼ４の上に置くだけで良い。
【００５４】
次に、ステンレス製の反応容器６内の空気を真空排気した後、Ｎ２ガスをステンレス製反応容器６に充填する。この実施例１では、Ｎ２圧力を５ＭＰａとした。この状態ではアルカリ金属補充容器１の上部にＮａ３が固まっているので、反応容器内１０とアルカリ金属補充容器１内の空間は同じ圧力となる。
【００５５】
次に、ヒーター９を加熱して、るつぼ４内の混合融液５が８００℃となるよう温度をコントロールする。温度上昇に伴いアルカリ金属補充容器１内のＮａ３が溶けて、図２（ｃ）に示すようにアルカリ金属導入管２からるつぼ４にＮａ３が供給され、Ｇａ１６との混合融液５の液面が上昇し、アルカリ金属導入管２に達した時点で供給は停止する。温度が８００℃一定になった時点から時間を計測し、１００時間の結晶成長を行った。
【００５６】
るつぼ４の混合融液５は温度上昇と共に蒸発し、大量のＮａが凝固１１（点線部分）していたが、液面は実験開始時の状態と変わってはおらずアルカリ金属補充容器１からＮａがるつぼ４内に自動供給されていた。
【００５７】
図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施例１の結晶成長装置の動作を説明するための図である。
【００５８】
図３（ａ）のようにるつぼ４内のＮａが蒸発して液面が下がった場合、アルカリ金属補充容器１内のＮａ融液３がアルカリ金属導入管２からるつぼ４内に供給される。
【００５９】
図３（ｂ）のようにアルカリ金属補充容器１内が減圧になると、アルカリ金属導入管２からＮ２ガス（図３（ｂ）の矢印で表示）がアルカリ金属補充容器１内に入りこみ、アルカリ金属補充容器１内外の圧力差がなくなり、Ｎａが自重によりるつぼ４内に供給される。
【００６０】
これにより、図３（ｃ）のように、るつぼ４内の液面が上昇し、アルカリ金属導入管２に達すると、Ｎ２ガスがアルカリ金属補充容器１内に入り込まなくなるので、アルカリ金属補充容器１内の圧力（減圧）とＮａ自重が均衡して、Ｎａの補充は停止する。
【実施例２】
【００６１】
図４は実施例２の結晶成長装置を示す図である。
【００６２】
実施例２の結晶成長装置は、第２の形態に記載したように、補充容器１に、アルカリ金属導入管２と圧力調整管１２が配置された構造となっている。圧力調整管１２は、アルカリ金属導入管２よりも突出量が短く、アルカリ金属補充容器１内のアルカリ金属３の液面上に位置するように設置されている。
【００６３】
実施例１（図１）の自動供給装置では、アルカリ金属３の供給経路とアルカリ金属補充容器１内が減圧となったときにＮ２ガスがアルカリ金属補充容器１内に入りこむ経路とは、アルカリ金属導入管２を共有していたが、実施例２では、アルカリ金属３のるつぼ４への導入経路にはアルカリ金属導入管２が用いられ、アルカリ金属補充容器１内が減圧となったときにＮ２ガスが入り込む経路には圧力調整管１２が用いられるよう、分離したものである。
【００６４】
実施例２では、圧力調整管１２を設置することで、Ｎ２ガス経路とアルカリ金属経路とを分離できるので、アルカリ金属をスムーズにるつぼ４内に供給することができる。また、圧力調整管１２の突出量をアルカリ金属導入管２より短くしているので、るつぼ４内の液面が下がってもアルカリ金属導入管２は液面の下に位置し、アルカリ金属３が補充された場合でも液面のうねりを抑えることができる。
【００６５】
実施例２の結晶成長装置の動作は実施例１とほぼ同じで、るつぼ４内のアルカリ金属が蒸発して液面が下がった場合、アルカリ金属補充容器１内のアルカリ金属３がアルカリ金属導入管２からるつぼ４に供給される。アルカリ金属が供給されると補充容器１内のアルカリ金属の液面が下がり、その分、圧力調整管１２からＮ２ガスがアルカリ金属補充容器１に導入される。るつぼ４内の液面が圧力調整管１２に達すると、Ｎ２ガスはアルカリ金属補充容器１内に入らなくなるため、アルカリ金属補充容器１内は減圧となり、アルカリ金属３はるつぼ４には供給されなくなる。
【００６６】
導入管２及び圧力調整管１２は、第７，第８の形態に記載したように、るつぼ４の中心から離れた位置に設置することで、結晶成長領域を広くすることができ、大きな結晶を成長することが可能となる。
【実施例３】
【００６７】
図５は実施例３を説明するための図であり、図５には補充容器１が示されている。図５を参照すると、アルカリ金属補充容器１は、第４の形態に記載したように、アルカリ金属３の液面より下の部分で分割できる構造となっている。具体的に、このアルカリ金属補充容器１はＢＮ（窒化ボロン）等からなり、ネジ１３等の手段により分割できるもので、突き当て１４によりＮ２の洩れを極力少なくしており、分割部分はアルカリ金属３の液面よりも下の部分となっている。突き当て部分１４には高い面精度加工が施されており、大きな洩れはないが、時間と共にＮ２が徐々に洩れてくる。しかし、アルカリ金属３の表面張力によって１５の部分に溜まるだけで、アルカリ金属補充容器１内の圧力に影響を及ぼすことはない。アルカリ金属補充容器１の材質はＢＮ（窒化ボロン）に限られるものではなく、ＡｌＮ等の窒化物、又はＷやＭｏ等の金属製でも良い。
【００６８】
実施例３では、圧力容器１を分割できる構造にしたことにより、アルカリ金属３を仕込む作業が容易となり、結晶成長準備工程の時間を短縮することが可能となる。
【実施例４】
【００６９】
本発明の第５の形態は、第１，第２の形態において、るつぼ４内の混合融液の液面をアルカリ金属導入管２の寸法あるいは圧力調整管１２の寸法で制御するようにしたものである。前述したように混合融液５の液面はアルカリ金属導入管２の位置で決まるため、アルカリ金属導入管２の長さで制御できる。第６の形態のように、アルカリ金属補充容器１をるつぼ４と同じかもしくは大きくすることで、るつぼ４上に補充容器１を置くだけで混合融液の液面を制御することが可能となるので、セッティングが容易である。
【００７０】
この実施例４では、るつぼ４は、外径５０ｍｍ（内径４４ｍｍ）、高さ５０ｍｍ（内部の高さ４７ｍｍ）である。アルカリ金属導入管２の長さは１０ｍｍであるので、るつぼ４内の混合融液５の液面はるつぼ４の底から３７ｍｍの高さとなり、るつぼ４内の混合融液５の容量は２５．５ｃｃとなる。ＧａとＮａの混合比を容積比１：１で仕込むことを考えると、Ｇａは７７．６４ｇ（比重が６．０９なので１２．７５ｃｃ）で、Ｎａは１３．７５ｇ（比重が０．９２７なので１２．７５ｃｃ）となる。るつぼ４にはＧａを７７．６４ｇ仕込み、Ｎａはアルカリ金属補充容器１からアルカリ金属導入管２の高さまで補充されるのでＮａの計量は必要ない。るつぼ４には予めＧａとＮａを仕込んでも良く、Ｎａは適当（この場合は１３．７５ｇより少なくなるよう）で良い。
【００７１】
以上説明したように、るつぼ４の内径と高さを決め、アルカリ金属導入管２の長さを規定するだけで混合融液の量が決まるので、混合比を決定した後にＧａの量を計量するだけでＮａの計量が必要なくなる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、半導体発光素子、電子デバイスの結晶成長用基板などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】実施例１の結晶成長装置を示す図である。
【図２】実施例１の結晶成長装置における処理の仕方を説明するための図である。
【図３】実施例１の結晶成長装置の動作を説明するための図である。
【図４】実施例２の結晶成長装置を示す図である。
【図５】実施例３を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７４】
１          アルカリ金属補充容器
２          アルカリ金属導入管
３          アルカリ金属融液
４          るつぼ
５          混合融液
６          反応容器
７          フランジ
８          配管
９          ヒーター
１２        圧力調整管
１６        Ｇａ
【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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