(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長装置であって、１つの反応容器内に、複数の混合融液保持容器を設け、該混合融液保持容器の温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を有し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２】
請求項１記載のIII族窒化物結晶成長装置において、前記複数の温度制御領域は、一の温度制御領域にあるアルカリ金属を他の温度制御領域に輸送するためのアルカリ金属輸送領域によって連通し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】
請求項２記載のIII族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送する際にアルカリ金属輸送領域を減圧状態にするための減圧手段が設けら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４】
請求項１記載のIII族窒化物結晶成長装置において、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域の雰囲気を分離あるいは一体化するための仕切り手段が設けら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５】
請求項４記載のIII族窒化物結晶成長装置において、前記仕切り手段によって複数の異なる温度制御領域の雰囲気を分離している状態で、複数の異なる温度制御領域の雰囲気を独立に制御することが可能に構成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６】
請求項４または請求項５記載のIII族窒化物結晶成長装置において、複数の異なる温度制御領域の雰囲気を一体化してアルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送する際にアルカリ金属輸送領域を減圧状態にするための減圧手段が設けら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７】
反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項８】
請求項７記載のIII族窒化物結晶成長方法において、一の温度制御領域と他の温度制御領域とを分離した雰囲気下で、一の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させた後、一の温度制御領域の雰囲気を他の温度制御領域の雰囲気と一体化して、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送し、その後、一の温度制御領域と他の温度制御領域との雰囲気を分離し、他の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項９】
反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させる工程を、複数の温度制御領域で順次に行ない、アルカリ金属を複数の温度制御領域間で順次に輸送することを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項１０】
反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させる工程を、一の温度制御領域と他の温度制御領域との間で交互に繰り返し行なうことを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項１１】
請求項１０記載のIII族窒化物結晶成長方法において、一の温度制御領域と他の温度制御領域とを分離した雰囲気下で、一の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させた後、一の温度制御領域の雰囲気を他の温度制御領域の雰囲気と一体化して、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送し、その後、一の温度制御領域と他の温度制御領域との雰囲気を分離し、他の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させる工程を、一の温度制御領域と他の温度制御領域との間で交互に繰り返し行なうことを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物結晶を成長させるIII族窒化物結晶成長装置およびIII族窒化物結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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基板あるいは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には、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。このために、デバイス特性が悪く、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ある。
【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III族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。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が、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、サファイア基板上にIII族窒化物半導体膜を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。
【０００５】
例えば文献「Japanese Journal of Applied Physics Vol.36(1997) Part 2, No.12A, L1568-1571」（以下、第１の従来技術という）には、図１０に示すようなレーザダイオード（ＬＤ）が示されている。図１０のレーザダイオードは、ＭＯ−ＶＰＥ（有機金属気相成長）装置にてサファイア基板１上にＧａＮ低温バッファ層２とＧａＮ層３を順次成長した後に、選択成長用のＳｉＯ2マスク４を形成する。このＳｉＯ2マスク４は、別のＣＶＤ（化学気相堆積）装置にて、ＳｉＯ2膜を堆積した後に、フォトリソグラフィ，エッチング工程を経て形成される。次に、このＳｉＯ2マスク４上に再度、ＭＯ−ＶＰＥ装置にて２０μｍの厚さのＧａＮ膜３’を成長することで、横方向にＧａＮが選択成長し、選択横方向成長を行わない場合に比較して結晶欠陥を低減させている。更に、その上層に形成されている変調ドープ歪み超格子層（ＭＤ−ＳＬＳ）５を導入することで、活性層６へ結晶欠陥が延びることを防いでいる。この結果、選択横方向成長及び変調ドープ歪み超格子層を用いない場合に比較して、デバイス寿命を長くすることが可能となる。
【０００６】
この第１の従来技術の場合には、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べて、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、ＳｉＯ2マスク形成工程を挟んで、ＭＯ−ＶＰＥ装置による結晶成長が２回必要となり、工程が複雑化するという問題が新たに生じる。
【０００７】
また、別の方法として、例えば文献「Applied Physics Letters, Vol.73, No.6, p.832-834(1998)」（以下、第２の従来技術という）には、ＧａＮ厚膜基板を応用することが提案されている。この第２の従来技術では、前述の第１の従来技術での２０μｍの選択横方向成長後に、Ｈ−ＶＰＥ（ハイドライド気相成長）装置にて２００μｍのＧａＮ厚膜を成長し、その後に、この厚膜成長したＧａＮ膜を１５０μｍの厚さになるように、サファイア基板側から研磨することにより、ＧａＮ基板を作製する。このＧａＮ基板上に、ＭＯ−ＶＰＥ装置を用いて、ＬＤデバイスとして必要な結晶成長を順次行ない、ＬＤデバイスを作製することで、結晶欠陥を低減させることが可能になるとともに、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点を解決することが可能となる。なお、この第２の従来技術と同様のものとして、特開平１１−４０４８号が提案されており、図１１には特開平１１−４０４８号の半導体レーザが示されている。
【０００８】
しかしながら、この第２の従来技術は、第１の従来技術よりも更に工程が複雑になっており、より一層のコスト高になる。また、この第２の従来技術の方法で２００μｍ程度の厚さのＧａＮ厚膜を成長する場合には、基板であるサファイアとの格子定数差及び熱膨張係数差に伴う応力が大きくなり、基板の反りやクラックが生じるという問題が新たに発生する。
【０００９】
この問題を回避するために、特開平１０−２５６６６２号には、厚膜成長する元の基板（サファイアとスピネル）の厚さを１ｍｍ以上とすることが提案されている。このように、厚さ１ｍｍ以上の基板を用いることにより、２００μｍの厚膜のＧａＮ膜を成長させても、基板の反りやクラックを生じさせないようにしている。しかしながら、このように厚い基板は、基板自体のコストが高く、また研磨に多くの時間を費やす必要があり、研磨工程のコストアップにつながる。すなわち、厚い基板を用いる場合には、薄い基板を用いる場合に比べて、コストが高くなる。また、厚い基板を用いる場合には、厚膜のＧａＮ膜を成長した後には基板の反りやクラックが生じないが、研磨の工程で応力緩和し、研磨途中で反りやクラックが発生する。このため、厚い基板を用いても、容易に、結晶品質の高いＧａＮ基板を大面積化で作製することはできない。
【００１０】
一方、文献「Journal of Crystal Growth, Vol.189/190, p.153-158(1998)」（以下、第３の従来技術という）には、ＧａＮのバルク結晶を成長させ、それをホモエピタキシャル基板として用いることが提案されている。この第３の従来技術は、１４００〜１７００℃の高温、及び数１０ｋｂａｒもの超高圧の窒素圧力中で、液体ＧａからＧａＮを結晶成長させる手法となっている。この場合には、このバルク成長したＧａＮ基板を用いて、デバイスに必要なIII族窒化物半導体膜を成長することが可能となる。従って、第１及び第２の従来技術のように工程を複雑化させることなく、ＧａＮ基板を提供できる。
【００１１】
しかしながら、第３の従来技術では、高温，高圧中での結晶成長が必要となり、それに耐えうる反応容器が極めて高価になるという問題がある。加えて、このような成長方法をもってしても、得られる結晶の大きさは高々１ｃｍ程度であり、デバイスを実用化するには小さ過ぎるという問題がある。
【００１２】
この高温，高圧中でのＧａＮ結晶成長の問題点を解決する手法として、文献「Chemistry of Materials Vol.9 (1997) p.413-416」（以下、第４の従来技術という）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。この第４の従来技術の場合には、６００〜８００℃程度の比較的低温での結晶成長が可能であり、容器内圧力も高々１００ｋｇ／ｃｍ2程度と第３の従来技術に比較して圧力を低くできる点が特徴である。しかし、この第４の従来技術の問題点としては、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。この程度の大きさではデバイスを実用化するには第３の従来技術と同様に小さすぎる。
【００１３】
また、この第４の従来技術の場合には、ＮａＮ3から分解したＮａは結晶成長終了後に、反応生成物とはならず、金属Ｎａとして、あるいは、ＮａとＧａの金属間化合物として、反応容器内に残留する。結晶成長終了後、ＧａＮ結晶を取り出す際にはアルコールによる置換により金属Ｎａを除去したり、王水によりＮａとＧａの金属間化合物を除去したりする。この場合に、Ｎａが反応生成物として消費されないにもかかわらず、Ｎａを除去してしまうという問題がある。これは、工業的に量産化する際にＮａの消費量が増大することにつながり、コスト高の要因となる。さらに、Ｎａのアルコール置換による除去や、ＮａとＧａの金属間化合物の王水による除去では、その廃液を処理するという問題が残り、環境汚染やあるいは廃液処理コストの増大につながる。
【００１４】
また、特開２０００−３２７４９５号（以下、第５の従来技術という）には、上述の第４の従来技術と基板を用いたエピタキシャル法を組み合わせた技術が提案されている。この第５の従来技術では、予め基板表面にＧａＮあるいはＡｌＮを成長させたものを基板として用い、この上に第４の従来技術を用いてＧａＮ膜をエピタキシャル成長させる。しかし、この第５の従来技術は基本的にエピタキシャル成長であり、第１や第２の従来技術と同様に結晶欠陥の問題解決には至らない。更に、予めＧａＮ膜あるいはＡｌＮ膜を基板上に成長させるため、工程が複雑となり高コストにつながる。
【００１５】
また、最近、特開２０００−１２９００号及び特開２０００−２２２１２号（以下、第６の従来技術という）には、ＧａＡｓ基板を用いてＧａＮ厚膜基板を作製する方法が提案されている。図１２，図１３には、この第６の従来技術によるＧａＮ厚膜基板の作製方法が示されている。先ず、図１２を参照すると、（１１１）ＧａＡｓ基板６０上に第１の従来技術と同様にＳｉＯ2膜やＳｉＮ膜をマスク６１として、ＧａＮ膜６３を７０μｍ〜１ｍｍの厚さに選択成長する（図１２（１）〜（３））。この結晶成長はＨ−ＶＰＥにより行う。その後、王水によりＧａＡｓ基板６０をエッチング，除去し、ＧａＮ自立基板６３を作製する（図１２（４））。このＧａＮ自立基板６３を元に、更に再度Ｈ−ＶＰＥにより、数１０ｍｍの厚さのＧａＮ結晶６４を気相成長させる（図１３（１））。この数１０ｍｍの厚さのＧａＮ結晶６４をスライサーによりウェハ状に切り出し、ＧａＮウェハを作製する（図１３（２），（３））。
【００１６】
この第６の従来技術では、ＧａＮ自立基板６３が得られ、更に数１０ｍｍの厚さのＧａＮ結晶６４を得ることができる。しかしながら、第６の従来技術には次のような問題点がある。すなわち、ＳｉＮ膜やＳｉＯ2膜を選択成長用マスクとして用いるため、その作製工程が複雑になり、コスト高につながる。また、Ｈ−ＶＰＥにより数１０ｍｍの厚さのＧａＮ結晶を成長させる際に、反応容器内にも同様の厚さのＧａＮ結晶（単結晶や多結晶）やアモルファス状のＧａＮが付着し、このため、量産性に問題がある。また、ＧａＡｓ基板が犠牲基板として一回の成長毎にエッチング，除去されるため、コスト高につながる。また、結晶品質に関しても、基本的にはＧａＡｓという異種基板上の結晶成長からくる、格子不整、熱膨張係数の違いによる、欠陥密度が高いという問題も残る。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、第１，第２，第５あるいは第６の従来技術の問題点である工程を複雑化させることなく、また、第３の従来技術の問題点である高価な反応容器を用いることも無く、かつ、第３，第４の従来技術の問題点である結晶の大きさが小さくなることなく、高性能の発光ダイオードやＬＤ等のデバイスを作製するために実用的な大きさで、かつ、低コスト，高品質のIII族窒化物結晶を成長させることの可能なIII族窒化物結晶成長方法および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。
【００１８】
さらに、本発明は、第４の従来技術のようにＮａの処理に伴う問題を解決することを目的としている。すなわち、Ｎａなどのアルカリ金属を用いてIII族窒化物結晶を成長させるときに、直接反応生成物を形成しないアルカリ金属（例えばＮａ）をアルコールや酸等の薬液を用いずに、置換やエッチングすることなく、III族窒化物結晶を取り出すことの可能なIII族窒化物結晶成長装置およびIII族窒化物結晶成長方法を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長装置であって、１つの反応容器内に、複数の混合融液保持容器を設け、該混合融液保持容器の温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を有していることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のIII族窒化物結晶成長装置において、前記複数の温度制御領域は、一の温度制御領域にあるアルカリ金属を他の温度制御領域に輸送するためのアルカリ金属輸送領域によって連通していることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のIII族窒化物結晶成長装置において、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送する際にアルカリ金属輸送領域を減圧状態にするための減圧手段が設けられていることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載のIII族窒化物結晶成長装置において、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域の雰囲気を分離あるいは一体化するための仕切り手段が設けられていることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載のIII族窒化物結晶成長装置において、前記仕切り手段によって複数の異なる温度制御領域の雰囲気を分離している状態で、複数の異なる温度制御領域の雰囲気を独立に制御することが可能に構成されていることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項６記載の発明は、請求項４または請求項５記載のIII族窒化物結晶成長装置において、複数の異なる温度制御領域の雰囲気を一体化してアルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送する際にアルカリ金属輸送領域を減圧状態にするための減圧手段が設けられていることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項７記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載のIII族窒化物結晶成長方法において、一の温度制御領域と他の温度制御領域とを分離した雰囲気下で、一の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させた後、一の温度制御領域の雰囲気を他の温度制御領域の雰囲気と一体化して、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送し、その後、一の温度制御領域と他の温度制御領域との雰囲気を分離し、他の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項９記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させる工程を、複数の温度制御領域で順次に行ない、アルカリ金属を複数の温度制御領域間で順次に輸送することを特徴としている。
【００２８】
また、請求項１０記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法であって、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させる工程を、一の温度制御領域と他の温度制御領域との間で交互に繰り返し行なうことを特徴としている。
【００２９】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１０記載のIII族窒化物結晶成長方法において、一の温度制御領域と他の温度制御領域とを分離した雰囲気下で、一の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させた後、一の温度制御領域の雰囲気を他の温度制御領域の雰囲気と一体化して、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送し、その後、一の温度制御領域と他の温度制御領域との雰囲気を分離し、他の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させる工程を、一の温度制御領域と他の温度制御領域との間で交互に繰り返し行なうことを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
本発明は、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるときに、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を有していることを特徴としている。
【００３２】
ここで、III族窒化物結晶を成長させるのに、反応容器内には、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質、及び、少なくとも窒素を含む物質が存在している。これらの物質は、外部から供給されても良いし、あるいは、最初から反応容器内に存在していても良い。
【００３３】
また、この反応容器には温度制御機能が具備されており、結晶成長可能な温度に上げること、及び、結晶成長が停止する温度に下げること、及び、それらの温度に任意の時間保持することが可能となっている。反応容器内の温度および実効窒素分圧をIII族窒化物結晶が結晶成長する条件に設定することにより、III族窒化物の結晶成長を開始させることができる。
【００３４】
また、温度制御領域とは、結晶成長可能な温度に上げること、及び、結晶成長が停止する温度に下げること、及び、それらの温度に任意の時間保持することが可能な領域であり、本発明では、この温度制御領域が複数あり、それらが独立に温度制御可能となっている。
【００３５】
また、本発明において、窒素とは、窒素分子あるいは窒素を含む化合物から生成された窒素分子や原子状窒素、および窒素を含む原子団および分子団のことである。
【００３６】
第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態のIII族窒化物結晶成長装置の構成例を示す図である。図１を参照すると、反応容器１０１内には、第１の混合融液保持容器１０２と、第２の混合融液保持容器１１２とが設置されている。また、第１の混合融液保持容器１０２を任意の温度に加熱制御可能なように第１の加熱装置１０６が設置され、また、第２の混合融液保持容器１１２を任意の温度に加熱制御可能なように第２の加熱装置１１６が設置されている。この第１の加熱装置１０６と第２の加熱装置１１６とは、各々独立に、混合融液保持容器１０２，１１２を温度制御できるものである。
【００３７】
換言すれば、混合融液保持容器１０２および第１の加熱装置１０６が、第１の温度制御領域として機能し、また、混合融液保持容器１１２および第２の加熱装置１１６が、第２の温度制御領域として機能するようになっている。
【００３８】
また、第１の混合融液保持容器１０２の上部と第２の混合融液保持容器１１２の上部は、各々開口しており、連結管１０８によって連通している。この連結管１０８を加熱制御可能なように連結管加熱装置１０７が設置されている。ここで、連結管１０８は、第１，第２の温度制御領域のうちの一の温度制御領域から他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送するためのアルカリ金属輸送領域として機能するようになっている。換言すれば、第１，第２の温度制御領域は、一の温度制御領域にあるアルカリ金属を他の温度制御領域に輸送するためのアルカリ金属輸送領域によって連通している。
【００３９】
また、反応容器１０１内に窒素を含む物質（この例では、窒素ガスとする）を供給するために、窒素供給管１０４が設けられており、また、反応容器１０１内に供給される窒素圧力を調整するために、圧力調整機構１０５が設けられている。なお、この圧力調整機構１０５は圧力センサー及び圧力調整弁等により構成されている。また、連結管１０８と混合融液保持容器１０２，１１２の上部との間には、窒素ガスが出入可能な程度の隙間は設けられている。
【００４０】
また、反応容器１０１の材質は、例えばステンレスからなっており、混合融液保持容器１０２，１１２，連結管１０８の材質は、例えば、ＢＮ（窒化ホウ素）あるいはパイロリティックＢＮなどからなっている。
【００４１】
このような構成のIII族窒化物結晶成長装置におけるIII族窒化物結晶成長方法を図２を用いて説明する。なお、図２において、図２（ａ）乃至（ｄ）は第１の混合融液保持容器１０２の状態を示す図であり、図２（ｅ）乃至（ｈ）は第２の混合融液保持容器１１２の状態を示す図である。図２を参照すると、先ず、図２（ａ），（ｅ）に示すように、第１の混合融液保持容器１０２内には、III族金属としてのＧａとアルカリ金属としてのＮａとの混合融液１０３を準備しておく。このとき、第２の混合融液保持容器１１２内には、III族金属としてのＧａ１１４のみが入っている。
【００４２】
このような状況下で、反応容器１０１内の窒素圧力を例えば５０気圧にし、また、第１の混合融液保持容器１０２の温度を結晶成長が開始する温度７５０℃まで第１の加熱装置１０６を用いて昇温する。このとき、第２の混合融液保持容器１１２内の温度も同様に、７５０℃になるように第２の加熱装置１１６を用いて昇温されており、連結管１０８の温度も同様に、７５０℃となるように連結管加熱装置１０７によって加熱されている。この成長条件を一定時間保持することで、III族窒化物であるＧａＮ結晶１０９が第１の混合融液保持容器１０２内に成長する。このとき、２つの混合融液保持容器１０２，１１２間にはＮａの輸送は起こらず、第２の混合融液保持容器１１２内にはアルカリ金属としてのＮａが無いために、ＧａＮ結晶は成長しない。
【００４３】
所望形状のIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）が第１の混合融液保持容器１０２内で成長するまで、上記の温度，窒素圧力条件を継続する。このとき、図２（ｂ）に示すように、第１の混合融液保持容器１０２内では、全てのＧａはＧａＮ結晶として消費されて、ＧａＮ結晶１０９とＮａ１１１のみが存在する状態となる。なお、このとき、第２の混合融液保持容器１１２内は、図２（ｆ）に示すように、図２（ｅ）と同じ状態である。
【００４４】
次に、窒素圧力を常圧まで下げた後、第１の混合融液保持容器１０２と連結管１０８の温度を９００℃に上げ、第２の混合融液保持容器１１２の温度を室温まで下げる。この状態を一定時間保つことで、第１の混合融液保持容器１０２から第２の混合融液保持容器１１２へアルカリ金属としてのＮａ１１１が移動する。すなわち、第１の混合融液保持容器１０２内に存在していたＮａ１１１が蒸発し、Ｎａ１１１は温度の低い第２の混合融液保持容器１１２内に移動する。このとき、図２（ｃ）に示すように、第１の混合融液保持容器１０２内にはＧａＮ結晶１０９のみが残る。そして、第２の混合融液保持容器１１２内の温度を１００℃程度に上げることで、第２の混合融液保持容器１１２内では、図２（ｇ）に示すように、ＮａとＧａが混合融液１１３を形成する。
【００４５】
次に、反応容器１０１内の窒素圧力を再度５０気圧に昇圧し、第１の混合融液保持容器１０２及び連結管１０８の温度を７５０℃に保ったまま、第２の混合融液保持容器１１２の温度を７５０℃に昇温する。この状態を一定時間保持することで、ＧａＮ結晶１１７が第２の混合融液保持容器１１２内に成長する。すなわち、第２の混合融液保持容器１１２内に当初準備していたＧａ１１４が全てＧａＮ結晶として反応することで、第２の混合融液保持容器１１２内には、図２（ｈ）に示すように、所望のＧａＮ結晶１１７とＮａ１１５のみが残る。なお、このとき、第１の混合融液保持容器１０２内は、図２（ｄ）に示すように、図２（ｃ）と同じ状態である。そして、このとき、第１の混合融液保持容器１０２からＧａＮ結晶１０９を取り出すことができる。
【００４６】
このIII族窒化物結晶成長装置におけるIII族窒化物結晶成長方法では、アルカリ金属であるＮａを２回のIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）の成長に用いている。第４の従来技術で述べたように一度のIII族窒化物結晶成長でアルカリ金属を消費する場合と比較すると、アルカリ金属の消費量が半分で済み、低コスト，低環境負荷につながる。
【００４７】
また、アルカリ金属であるＮａを気相状態を介して液相状態に戻すことで不純物を低減させる、すなわちＮａの精製効果もある。従って、不純物が少ない高品質なIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）を成長させることが可能となる。
【００４８】
このように、図１のIII族窒化物結晶成長装置およびIII族窒化物結晶成長方法では、第１の温度制御領域でIII族窒化物結晶を結晶成長させた後、第２の温度制御領域にアルカリ金属（Ｎａ）を輸送させて、第２の温度制御領域でIII族窒化物結晶を結晶成長させるようになっている。
【００４９】
すなわち、最初に、反応容器１０１内にある、複数の独立制御可能な温度制御領域のうちの一の温度制御領域（第１の温度制御領域）でIII族窒化物結晶を成長させる。次に、他の温度制御領域（第２の温度制御領域）にアルカリ金属（Ｎａ）を輸送させる。ここで、アルカリ金属（Ｎａ）を輸送する方法は、第１の温度制御領域の温度をアルカリ金属（Ｎａ）が蒸発する温度以上に上昇させ、第２の温度制御領域の温度をアルカリ金属（Ｎａ）が蒸発しない温度より低く設定する。この状態を継続することで、アルカリ金属（Ｎａ）を第１の温度制御領域から第２の温度制御領域に輸送させることが可能となる。この後、第２の温度制御領域で第１の温度制御領域で行ったと同様にIII族窒化物結晶を成長させる。
【００５０】
第１の温度制御領域から第２の温度制御領域までアルカリ金属（Ｎａ）を輸送させる場合に、第１の温度制御領域の温度と第２の温度制御領域の温度が最も重要であり、特に規定するものではないが、それ以外の領域の温度は、望ましくは、第１の温度制御領域の温度と同様に、アルカリ金属が蒸発する温度である方が良い。これは第２の温度制御領域に、効率的にアルカリ金属を輸送するためである。
【００５１】
なお、図１の構成例では、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域として、２つの温度制御領域（第１の混合融液保持容器１０２および第１の加熱装置１０６の第１の温度制御領域と、第２の混合融液保持容器１１２および第２の加熱装置１１６の第２の温度制御領域との２つの温度制御領域）が設けられているが、３つ以上の温度制御領域を設けるようにしても良い。すなわち、混合融液保持容器およびその加熱装置を３つ以上、１つの反応容器内に設置しても良い。
【００５２】
図３は１つの反応容器１０１内に３つ以上の温度制御領域（第１，第２，第３，…，第ｎ，第ｎ＋１，…の温度制御領域）が設けられている構成例を示す図である。なお、図３において、互いに隣接する温度制御領域間は、アルカリ金属を異なる温度制御領域に輸送するためのアルカリ金属輸送領域によって連通している。
【００５３】
図３の構成では、先ず、第１の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長した後に、第１の温度制御領域から第２の温度制御領域にアルカリ金属を輸送し、第２の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長する。次に、第２の温度制御領域から第３の温度制御領域にアルカリ金属を輸送し、第３の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長する。このように、第１，第２，第３，…，第ｎ，第ｎ＋１，…の各温度制御領域にアルカリ金属を順次に輸送し、第１，第２，第３，…，第ｎ，第ｎ＋１，…の各温度制御領域においてIII族窒化物を順次に結晶成長させることができる。
【００５４】
このとき、アルカリ金属を輸送する際に、アルカリ金属が存在する（第ｎの）温度制御領域の温度はアルカリ金属が蒸発する温度以上になっており、アルカリ金属が輸送される（第ｎ＋１の）温度制御領域の温度は、アルカリ金属が蒸発する温度より低い。それ以外（第ｎと第ｎ＋１以外）の温度制御領域の温度はアルカリ金属が蒸発する温度に設定されており、アルカリ金属が輸送されることは無い。
【００５５】
このように、図３の構成では、III族窒化物の結晶成長とＮａ輸送を３回以上行なうことで、図１の構成よりもさらにアルカリ金属（Ｎａ）の消費量を低減することができ、低コスト，低環境負荷を実現できる。また、図１の構成において述べたＮａの精製効果がＮａ輸送回数をさらに重ねることで、より効果的になり、Ｎａのより一層の高純度化を図ることが可能となり、高品質のIII族窒化物を結晶成長させることが可能になる。
【００５６】
また、図４は、図１のIII族窒化物結晶成長装置の変形例を示す図である。図４のIII族窒化物結晶成長装置は、図１のIII族窒化物結晶成長装置において、反応容器１０１に真空ポンプ４０３が付加されたものとなっている。すなわち、真空ポンプ４０３は、排気配管４０１により、反応容器１０１に接続されている。そして、反応容器１０１と真空ポンプ４０３との間の排気配管４０１の途中には、排気バルブ４０２が設置されている。
【００５７】
このような構成では、真空ポンプ４０３および排気配管４０１により、反応容器１０１内の雰囲気を減圧にすることが可能となっており、また、排気バルブ４０２により、真空ポンプ４０３と反応容器１０１内の雰囲気とを分離したり一体化したりすることが可能となっている。すなわち、真空ポンプ４０３を動作させ、排気バルブ４０２を開けることで、反応容器１０１内の雰囲気を減圧することが可能となっている。
【００５８】
すなわち、このような真空ポンブ４０３，排気配管４０１，排気バルブ４０２は、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送する際にアルカリ金属輸送領域を減圧状態にするための減圧手段として設けられている。
【００５９】
図４のIII族窒化物結晶成長装置では、一の温度制御領域にあるアルカリ金属を他の温度制御領域に輸送する前に、真空ポンプ４０３によって反応容器１０１内を減圧にし、反応容器１０１内を減圧にした状態で、上述したような仕方でＮａの輸送を行う。この場合、反応容器１０１内が減圧されているので、反応容器１０１内を常圧にした状態でＮａを輸送する場合に比べて、Ｎａを高速に輸送することが可能となる。従って、より低コストでのＧａＮ結晶の成長が可能となる。
【００６０】
以上のように、第１の実施形態では、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させる場合に、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させるようになっている。
【００６１】
より詳細に、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させる工程を、複数の温度制御領域で順次に行ない、アルカリ金属を複数の温度制御領域間で順次に輸送するようになっている。
【００６２】
第２の実施形態
図５は本発明の第２の実施形態のIII族窒化物結晶成長装置の構成例を示す図である。図５を参照すると、反応容器２０１内には、第１の混合融液保持容器２０２と、第２の混合融液保持容器２１２とが設置されている。また、第１の混合融液保持容器２０２を任意の温度に加熱制御可能なように第１の加熱装置２０６が設置され、また、第２の混合融液保持容器２１２を任意の温度に加熱制御可能なように第２の加熱装置２１６が設置されている。この第１の加熱装置２０６と第２の加熱装置２１６とは、各々独立に、混合融液保持容器２０２，２１２を温度制御できるものである。
【００６３】
換言すれば、第１の混合融液保持容器２０２および第１の加熱装置２０６が、第１の温度制御領域として機能し、また、第２の混合融液保持容器２１２および第２の加熱装置２１６が、第２の温度制御領域として機能するようになっている。
【００６４】
また、反応容器２０１全体の温度を混合融液とは独立に加熱制御可能なように、反応容器加熱装置２０７が設置されている。なお、この反応容器加熱装置２０７は反応容器２０１の外側に配置されている。
【００６５】
また、図５のIII族窒化物結晶成長装置では、第１の混合融液保持容器２０２の周辺雰囲気２２０と第２の混合融液保持容器２１２の周辺雰囲気２２１との分離あるいは一体化の制御が可能なように、仕切り手段としてゲートバルブ２０８が設置されている。換言すれば、図５のIII族窒化物結晶成長装置では、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域の雰囲気を分離あるいは一体化するための仕切り手段が設けられている。
【００６６】
ここで、複数の異なる温度制御領域の雰囲気を分離するということは、異なる温度制御領域の雰囲気を全く独立のままに保持することが可能であるということであり、それらの領域の雰囲気が混じらないようにすることである。また、複数の異なる温度制御領域の雰囲気を一体化するということは、これらの領域を同じ雰囲気にすることが可能であるということである。これらの雰囲気を分離あるいは一体化の制御が可能な仕切り手段は、雰囲気の分離，一体化を任意に繰り返すことが可能となっている。
【００６７】
図５のIII族窒化物結晶成長装置では、ゲートバルブ２０８を開放することで、第１の混合融液保持容器２０２の周辺雰囲気２２０と第２の混合融液保持容器２１２の周辺雰囲気２２１とを一体化することができる。また、ゲートバルブ２０８を閉じることで、第１の混合融液保持容器２０２の周辺雰囲気２２０と第２の混合融液保持容器２１２の周辺雰囲気２２１とを分離することができる。
【００６８】
また、この第２の実施形態のIII族窒化物結晶成長装置では、上記仕切り手段によって複数の異なる温度制御領域の雰囲気を分離している状態で、複数の異なる温度制御領域の雰囲気を独立に制御することが可能に構成されている。
【００６９】
すなわち、図５のIII族窒化物結晶成長装置では、第１の温度制御領域あるいは第２の温度制御領域のいずれかでIII族窒化物結晶を成長する際には、第１の温度制御領域と第２の温度制御領域の雰囲気を仕切り手段２０８により分離するようになっている。また、アルカリ金属（Ｎａ）を輸送する際には、仕切り手段２０８を開放し、第１の温度制御領域と第２の温度制御領域の雰囲気とを一体化する。
【００７０】
なお、このアルカリ金属（Ｎａ）を輸送する仕方は、第１の実施形態における場合と同様である。すなわち、第１の温度制御領域から第２の温度制御領域にアルカリ金属を輸送する場合には、この２つの領域の雰囲気を一体化しておき、第１の温度制御領域をアルカリ金属が蒸発する温度以上に保持した上で、第２の温度制御領域の温度をアルカリ金属が蒸発する温度より低くしておく。そうすることで、アルカリ金属は第１の温度制御領域から第２の温度制御領域に輸送される。
【００７１】
また、図５のIII族窒化物結晶成長装置では、第１の混合融液保持容器２０２の周辺雰囲気２２０（以下、第１の雰囲気２２０と称す）に窒素を含む物質（この例では、窒素ガス）を供給するために、第１の窒素供給管２０４が設けられており、また、第２の混合融液保持容器２１２の周辺雰囲気２２１（以下、第２の雰囲気２２１と称す）に窒素を含む物質（この例では、窒素ガス）を供給するために、第２の窒素供給管２２４が設けられている。また、第１の雰囲気２２０内に供給される窒素圧力を調整するために、第１の圧力調整機構２０５が設けられ、第２の雰囲気２２１内に供給される窒素圧力を調整するために、第２の圧力調整機構２２５が設けられている。なお、これらの圧力調整機構２０５，２２５は圧力センサー及び圧力調整弁等から構成されている。
【００７２】
また、反応容器２０１の材質は、例えばステンレスからなっており、第１，第２の混合融液保持容器２０２，２１２の材質は、例えば、ＢＮ（窒化ホウ素）あるいはパイロリティックＢＮなどからなっている。
【００７３】
このような構成のIII族窒化物結晶成長装置におけるIII族窒化物結晶成長方法を図６を用いて説明する。なお、図６において、図６（ａ）乃至（ｄ）は第１の混合融液保持容器２０２の状態を示す図であり、図６（ｅ）乃至（ｈ）は第２の混合融液保持容器２１２の状態を示す図である。図６を参照すると、先ず、図６（ａ），（ｅ）に示すように、第１の混合融液保持容器２０２内には、III族金属としてのＧａとアルカリ金属としてのＮａとの混合融液２０３を準備しておき、第２の混合融液保持容器２１２内には、III族金属としてのＧａ２１４を準備しておく。このとき、反応容器２０１内の２つの雰囲気２２０，２２１は、分離していても、あるいは一体化していてもどちらでも良い。すなわち、ゲートバルブ２０８は、閉じた状態でも、開放の状態でもどちらでも良い。
【００７４】
次に、ゲートバルブ２０８を閉じ、第１の雰囲気２２０の窒素圧力を例えば５０気圧にし、第１の混合融液保持容器２０２の温度を結晶成長が開始する温度７５０℃まで第１の加熱装置２０６を用いて昇温する。このとき、第２の混合融液保持容器２１２内の温度は室温のままである。この成長条件を一定時間保持することで、III族窒化物であるＧａＮ結晶２０９が第１の混合融液保持容器２０２内に成長する。所望形状のＧａＮ結晶が第１の混合融液保持容器２０２内で成長するまで、上記の温度，窒素圧力条件を継続する。このとき、第１の混合融液保持容器２０２内では、全てのＧａはＧａＮ結晶として消費されて、図６（ｂ）に示すように、ＧａＮ結晶２０９とＮａ２１１のみが存在する状態となる。また、このとき、ゲートバルブ２０８が閉じていることで、第１の雰囲気２２０と第２の雰囲気２２１とは分離されたままであることから、２つの混合融液保持容器２０１，２１２間にはＮａの輸送は起こらず、第２の混合融液保持容器２１２内には、図６（ｆ）に示すように、図６（ｅ）と同様に、Ｇａ２１４が存在するのみである。
【００７５】
次に、第１の雰囲気２２０の窒素圧力を常圧まで下げた後に、ゲートバルブ２０８を開放し、第１の雰囲気２２０と第２の雰囲気２２１とを一体化する。この状態で、第１の混合融液保持容器２０２の温度を９００℃に上げ、第２の混合融液保持容器２１２の温度は室温のままとする。この状態を一定時間保つことで、第１の混合融液保持容器２０２から第２の混合融液保持容器２１２へＮａ２１１が移動する。すなわち、第１の混合融液保持容器２０２内に存在していたＮａ２１１が蒸発し、Ｎａ２１１は温度の低い第２の混合融液保持容器２１２内に移動する。このとき、図６（ｃ）に示すように、第１の混合融液保持容器２０２内にはＧａＮ結晶２０９のみが残る。また、このとき、反応容器２０１の内壁にＮａが付着しない程度に、反応容器加熱装置２０７を用いて、反応容器２０１の温度を８００℃程度に上げておく。そして、第２の混合融液保持容器２１２内の温度を１００℃程度に上げることで、図６（ｇ）に示すように、第２の混合融液保持容器２１２内には、ＮａとＧａとの混合融液２１３が形成される。このように、第１の混合融液保持容器２０２から第２の混合融液保持容器２１２にＮａの輸送が完了した後に、第１の混合融液保持容器２０２及び反応容器２０１全体の温度を室温に戻す。
【００７６】
次に、ゲートバルブ２０８を閉じ、第１の雰囲気２２０と第２の雰囲気２２１とを分離し、第２の雰囲気２２１の窒素圧力を５０気圧に昇圧する。そして、第１の混合融液保持容器２０２の温度を室温のまま、第２の混合融液保持容器２１２の温度を７５０℃に昇温する。この状態を一定時間保持することで、第２の混合融液保持容器２１２内には、ＧａＮ結晶２１７が成長する。当初準備していたＧａが全てＧａＮ結晶として反応することで、第２の混合融液保持容器２１２内には、図６（ｈ）に示すように、所望のＧａＮ結晶２１７とＮａ２１５のみが残る。なお、このとき、第１の混合融液保持容器１０２内は、図２（ｄ）に示すように、図２（ｃ）と同じ状態である。
【００７７】
図６の例では、アルカリ金属であるＮａを２回のIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）の成長に用いている。第４の従来技術で述べたように一度のIII族窒化物結晶成長でアルカリ金属を消費する場合と比較すると、アルカリ金属の消費量が半分で済み、低コスト，低環境負荷につながる。
【００７８】
また、アルカリ金属であるＮａを気相状態を介して液相状態に戻すことで不純物を低減させる、すなわちＮａの精製効果もある。従って、不純物が少ない高品質なIII族窒化物結晶（ＧａＮ結晶）を成長させることが可能となる。
【００７９】
なお、図６の例では、第１の混合融液保持容器２０２においてIII族窒化物を結晶成長させた後、Ｎａを第１の混合融液保持容器２０２から第２の混合融液保持容器２１２に移動させ、第２の混合融液保持容器２１２においてIII族窒化物を結晶成長させるようにしているが、この後、さらに、Ｎａを第２の混合融液保持容器２１２から第１の混合融液保持容器２０２に移動させて第１の混合融液保持容器２０２においてIII族窒化物を結晶成長させるというように、第１の混合融液保持容器２０２と第２の混合融液保持容器２１２との間でＮａを交互に繰り返し移動させて、第１の混合融液保持容器２０２と第２の混合融液保持容器２１２とで交互にIII族窒化物を複数回繰り返すことができる。
【００８０】
図７には、図６の最後の状態の後（すなわち、図６（ｄ），図６（ｈ）の状態の後）、同じＮａを用いたまま、第１の混合融液保持容器２０２と第２の混合融液保持容器２１２との間で、さらに複数回結晶成長を繰り返す例が示されている。なお、図７において、図７（ａ）乃至（ｄ）は第１の混合融液保持容器２０２の状態を示す図であり、図７（ｅ）乃至（ｈ）は第２の混合融液保持容器２１２の状態を示す図である。
【００８１】
図７を参照すると、図６の例において、第２の混合融液保持容器２１２でIII族窒化物の結晶成長が終わった後（図６（ｄ），（ｈ）の状態において）、第２の混合融液保持容器２１２の温度を室温に戻す。このときＮａ２１５は第２の混合融液保持容器２１２内にある。そして、ゲートバルブ２０８を閉じたまま、図６（ｄ）の状態の第１の混合融液保持容器２０２からＧａＮ２０９を取り出し、図７（ａ）に示すように、金属Ｇａ３０１を第１の混合融液保持容器２０２内に新たに収容する。このとき、第１の混合融液保持容器２０２からＧａＮ結晶２０９のみを取り出し、Ｇａ３０１と入れ替えても良いし、あるいは、混合融液保持容器２０２ごと入れ替えても良い。また、このとき、第２の混合融液保持容器２１２内は、図７（ｅ）に示すように、図６（ｈ）と同様の状態、すなわち、ＧａＮ結晶２１７とＮａ２１５とが存在しているままである。
【００８２】
次に、第１の雰囲気２２０を窒素雰囲気に置換し、圧力を常圧にした状態で、ゲートバルブ２０８を開放し、第１の雰囲気２２０と第２の雰囲気２２１とを一体化する。そして、今度は第２の混合融液保持容器２１２から第１の混合融液保持容器２０２にＮａ２１５を輸送する。すなわち、第１の雰囲気２２０と第２の雰囲気２２１とを一体化した状態で、第２の混合融液保持容器２１２の温度を９００℃に上げ、第１の混合融液保持容器２０２の温度は室温のままとする。この状態を一定時間保つことで、第２の混合融液保持容器２１２から第１の混合融液保持容器２０２へＮａ２１５が移動する。すなわち、第２の混合融液保持容器２１２内に存在していたＮａ２１５が蒸発し、温度の低い第１の混合融液保持容器２０２内に移動する。このとき、図７（ｆ）に示すように、第２の混合融液保持容器２１２内にはＧａＮ結晶２１７のみが残る。また、このとき、反応容器２０１の内壁にＮａが付着しない程度に、反応容器加熱装置２０７を用いて温度を８００℃程度に上げておく。そして、Ｎａ２１５の輸送が完了した後に、第２の混合融液保持容器２１２及び反応容器２０１全体の温度を室温に戻す。次いで、第１の混合融液保持容器２０２内の温度を１００℃程度に上げることで、図７(ｂ）に示すように、第１の混合融液保持容器２０２内では、ＮａとＧａが混合融液３０２を形成する。
【００８３】
次に、ゲートバルブ２０８を閉じ、第１の雰囲気２２０と第２の雰囲気２２１とを分離し、第１の雰囲気２２０の窒素圧力を５０気圧に昇圧する。そして、第２の混合融液保持容器２１２の温度を室温のままの状態にし、第１の混合融液保持容器２０２の温度を７５０℃に昇温する。この状態を一定時間保持することで、ＧａＮ結晶３０３が第１の混合融液保持容器２０２内に成長する。当初準備していたＧａが全てＧａＮ結晶として反応することで、第１の混合融液保持容器２０２内には、図７（ｃ）に示すように、所望のＧａＮ結晶３０３とＮａ３０４のみが残る。
【００８４】
第１の混合融液保持容器２０２内でのＧａＮ結晶成長が完了した後に、第１の混合融液保持容器２０２の温度を室温に戻す。このとき、Ｎａ３０４は第１の混合融液保持容器２０２内にある。次に、ゲートバルブを閉じたまま、第２の混合融液保持容器２１２からＧａＮ結晶２１７を取り出し、図７（ｇ）に示すように金属Ｇａ３０５を第２の混合融液保持容器２１２内に設置する。このとき、第２の混合融液保持容器２１２からＧａＮ結晶２１７のみを取り出し、Ｇａ３０５と入れ替えても良いし、あるいは、混合融液保持容器２１２ごと入れ替えても良い。また、このとき、第１の混合融液保持容器２０２内は、ＧａＮ結晶３０３とＮａ３０４が存在しているままである。
【００８５】
次に第２の雰囲気２２１を窒素雰囲気に置換し、圧力を常圧にした状態で、ゲートバルブ２０８を開放し、第１の雰囲気２２０と第２の雰囲気２２１を一体化する。前述したように、今度は第１の混合融液保持容器２０２から第２の混合融液保持容器２１２にＮａ３０４を輸送する。すなわち、第１の雰囲気２２０と第２の雰囲気２２１を一体化した状態で、第１の混合融液保持容器２０２の温度を９００℃に上げ、第２の混合融液保持容器２１２の温度は室温のままとする。この状態を一定時間保つことで、第１の混合融液保持容器２０２から第２の混合融液保持容器２１２へＮａ３０４が移動する。すなわち、第１の混合融液保持容器２０２内に存在していたＮａ３０４が蒸発し、温度の低い第２の混合融液保持容器２１２内に移動する。このとき、図７（ｄ）に示すように、第１の混合融液保持容器２０２内にはＧａＮ結晶３０３のみが残る。また、このとき、反応容器２０１の内壁にＮａが付着しない程度に、反応容器加熱装置２０７を用いて温度を８００℃程度に上げておく。次いで、第２の混合融液保持容器２１２内の温度を１００℃程度に上げることで、図７（ｈ）に示すように、ＮａとＧａとが混合融液３０６を形成する。このようにして、第１の混合融液保持容器２０２から第２の混合融液保持容器２１２内にＮａの輸送が完了した後に、第１の混合融液保持容器２０２及び反応容器２０１全体の温度を室温に戻す。
【００８６】
この状態は、図６（ｃ），（ｇ）の状態と同じであり、それ以後、同様の処理を繰り返し行なうことで、Ｎａを交換することなく、Ｇａを交換することで、何度でもＧａＮ結晶の成長が可能となる。従って、第１の実施形態以上にアルカリ金属であるＮａの消費量を低減させることができ、低コスト，低環境負荷につながる。
【００８７】
また、この第２の実施形態においても、Ｎａ輸送回数を重ねることで、Ｎａの精製効果が得られ、Ｎａの一層の高純度化を図ることが可能となる。
【００８８】
なお、この第２の実施形態の上述の例では、２回目以降のＧａＮ結晶の取り出しを、もう一方の混合融液保持容器での結晶成長が完了した後に行っているが、アルカリ金属を輸送した後に、次の結晶成長が開始する前に行なっても良い。
【００８９】
このように、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させる場合に、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させるようになっている。ただし、第２の実施形態では、一の温度制御領域と他の温度制御領域とを分離した雰囲気下で、一の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させた後、一の温度制御領域の雰囲気を他の温度制御領域の雰囲気と一体化して、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送し、その後、一の温度制御領域と他の温度制御領域との雰囲気を分離し、他の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させる。
【００９０】
また、第２の実施形態では、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させる工程を、一の温度制御領域と他の温度制御領域との間で交互に繰り返し行なうようになっている。
【００９１】
より詳細に、一の温度制御領域と他の温度制御領域とを分離した雰囲気下で、一の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させた後、一の温度制御領域の雰囲気を他の温度制御領域の雰囲気と一体化して、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送し、その後、一の温度制御領域と他の温度制御領域との雰囲気を分離し、他の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させる工程を、一の温度制御領域と他の温度制御領域との間で交互に繰り返し行なうようになっている。
【００９２】
なお、ここで、交互に繰り返し行なうということは、III族窒化物の結晶成長，アルカリ金属の輸送を、第１の温度制御領域と第２の温度制御領域とで交互に繰り返し行なうということである。
【００９３】
また、図８は、図５のIII族窒化物結晶成長装置の変形例を示す図である。図８のIII族窒化物結晶成長装置は、図５のIII族窒化物結晶成長装置において、反応容器２０１に真空ポンプ４１３が付加されたものとなっている。すなわち、真空ポンプ４１３は、排気配管４１１により、反応容器２０１に接続されている。そして、反応容器２０１と真空ポンプ４１３との間の排気配管４１１の途中には、排気バルブ４１２が設置されている。
【００９４】
このような構成では、真空ポンプ４１３および排気配管４１１により、反応容器２０１内の雰囲気を減圧にすることが可能となっており、また、排気バルブ４１２により、真空ポンプ４１３と反応容器２０１の雰囲気とを分離したり一体化したりすることが可能となっている。すなわち、真空ポンプ４１３を動作させ、排気バルブ４１２を開けることで、反応容器２０１内の雰囲気を減圧することが可能となっている。
【００９５】
すなわち、このような真空ポンブ４１３，排気配管４１１，排気バルブ４１２は、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送する際にアルカリ金属輸送領域を減圧状態にするための減圧手段として設けられている。
【００９６】
図８のIII族窒化物結晶成長装置では、一の温度制御領域にあるアルカリ金属を他の温度制御領域に輸送する前に、真空ポンプ４１３によって反応容器２０１内を減圧にし、反応容器２０１内を減圧にした状態で、上述したような仕方でＮａの輸送を行う。この場合、反応容器２０１内が減圧されているので、反応容器２０１内を常圧にした状態でＮａを輸送する場合に比べて、Ｎａを高速に輸送することが可能となる。従って、より低コストでのＧａＮ結晶の成長が可能となる。
【００９７】
このように、本発明によれば、高性能の発光ダイオードやＬＤ等のデバイスを作製するために実用的な大きさで、かつ、低コスト，高品質のIII族窒化物結晶（例えば、ＧａＮ結晶）を作製し、提供することができる。
【００９８】
従って、このようにして得られた実用的な大きさの高品質のIII族窒化物結晶を用いて、高品質，高性能のIII族窒化物半導体デバイスを作製することができる。なお、ここで言う高性能とは、例えば半導体レーザや発光ダイオードの場合には、従来実現できていない高出力かつ長寿命なものであり、電子デバイスの場合には、低消費電力、低雑音、高速動作、高温動作可能なものであり、受光デバイスの場合には、低雑音、長寿命等のものである。
【００９９】
例えば、III族窒化物半導体デバイスとして、４００ｎｍより短い波長で発光する半導体発光デバイスを作製することができる。すなわち、従来技術では、ＧａＮ膜の発光スペクトルが深い順位からの発光が支配的となり、４００ｎｍより短い波長ではデバイス特性が悪いという問題があったが、本発明では、紫外領域でも良好な特性を有する発光デバイスを提供することができる。すなわち、本発明により得られた高品質のIII族窒化物結晶を基板に用いることで、結晶欠陥，不純物の少ないIII族窒化物半導体デバイスが実現可能となり、その結果、深い順位からの発光が抑制された、高効率な発光特性を実現することが可能となる。
【０１００】
図９は本発明により得られたIII族窒化物結晶を用いて作製されたIII族窒化物半導体デバイスの一例を示す図であり、図９の例では、III族窒化物半導体デバイスは半導体レーザとして構成されている。図９を参照すると、このIII族窒化物半導体デバイスは、本発明により得られたIII族窒化物結晶（ＧａＮ）を用いて作製したｎ型ＧａＮ基板５０１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０２、ｎ型ＧａＮガイド層５０３、ＩｎＧａＮ  ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層５０４、ｐ型ＧａＮガイド層５０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層５０７が順次に結晶成長されて積層構造として構成されている。なお、この結晶成長方法としては、ＭＯ−ＶＰＥ（有機金属気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法等の薄膜結晶成長方法を用いることができる。
【０１０１】
そして、上記積層構造にはリッジ構造が形成され、ＳｉＯ2絶縁膜５０８がコンタクト層５０７の領域のみ取り除かれた状態で形成され、コンタクト層５０７上にはｐ側オーミック電極Ａｕ／Ｎｉ５０９が形成されている。また、基板５０１の裏面にはｎ側オーミック電極Ａｌ／Ｔｉ５１０が形成されている。
【０１０２】
この半導体レーザでは、ｐ側オーミック電極Ａｕ／Ｎｉ５０９及びｎ側オーミック電極Ａｌ／Ｔｉ５１０から電流を注入することで、レーザ発振し、図の矢印方向にレーザ光が出射される。
【０１０３】
この半導体レーザは、本発明により得られたＧａＮ結晶を基板５０１として用いているため、半導体レーザデバイス中の結晶欠陥が少なく、大出力動作かつ長寿命のものとなる。また、ＧａＮ基板５０１はｎ型であることから、基板５０１に直接電極を形成することができ、第１の従来技術（図１０）のようにｐ側とｎ側の２つの電極を表面からのみ取り出すことが必要なく、低コスト化を図ることが可能となる。更に、光出射端面を劈開で形成することが可能となり、チップの分離と併せて、低コストで高品質のデバイスを実現することができる。
【０１０４】
なお、図９の例では、ＩｎＧａＮ  ＭＱＷを活性層５０４としたが、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷを活性層５０４として、発光波長の短波長化を図ることも可能である。いずれにしても、図９の例では、ＧａＮ基板５０１の欠陥及び不純物が少ないことによって、深い順位からの発光が少なくなり、短波長化しても高効率な発光デバイスが可能となる。すなわち、より発光波長の短い発光デバイスの作製が容易となる。
【０１０５】
また、上述の例では、本発明により得られたIII族窒化物結晶の光デバイスへの適用について述べたが、本発明により得られたIII族窒化物結晶を電子デバイスに適用することもできる。すなわち、欠陥の少ないＧａＮ基板を用いることで、その上にエピタキシャル成長したＧａＮ系薄膜も結晶欠陥が少なく、その結果、リーク電流を抑制できたり、量子構造にした場合のキャリア閉じ込め効果を高めたり、高性能なデバイスが実現可能となる。
【０１０６】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項１１記載の発明によれば、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるので、第１，第２の従来技術で記述したような、複雑な工程を必要とせず、低コストで高品質なIII族窒化物結晶及びそれを用いたデバイスを実現することが可能となる。さらに、１０００℃以下と成長温度が低く、１００気圧程度以下と圧力も低い条件下でIII族窒化物の結晶成長が可能となることから、第３の従来技術のように超高圧，超高温に耐えうる高価な反応容器を用いる必要がなく、その結果、低コストでのIII族窒化物結晶及びそれを用いたデバイスを実現することが可能となる。
【０１０７】
すなわち、請求項１乃至請求項１１記載の発明によれば、第１，第２，第５あるいは第６の従来技術の問題点である工程を複雑化させることなく、また、第３の従来技術の問題点である高価な反応容器を用いることも無く、かつ、第３，第４の従来技術の問題点である結晶の大きさが小さくなることなく、高性能の発光ダイオードやＬＤ等のデバイスを作製するために実用的な大きさで、かつ、低コスト，高品質のIII族窒化物結晶を成長させることが可能となる。
【０１０８】
特に、請求項１乃至請求項３，請求項７，請求項９記載の発明では、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させる場合に、１つの反応容器内に、温度を独立に制御可能な複数の異なる温度制御領域を設け、一の温度制御領域でIII族窒化物を成長させた後、他の温度制御領域にアルカリ金属を輸送させて、他の温度制御領域でIII族窒化物を結晶成長させるようになっており、アルカリ金属を異なる温度制御領域間で輸送することが可能となっているので、一回の結晶成長に必要なアルカリ金属量で、複数回のIII族窒化物の結晶成長を行うことができる。これは低コスト化及び環境負荷の低減につながる。さらに、アルカリ金属を気相状態を介して輸送することで、アルカリ金属の高純度化（精製）が可能となり、高純度なIII族窒化物結晶の成長を行うことが可能となる。
【０１０９】
さらに、請求項３記載の発明では、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送する際にアルカリ金属輸送領域を減圧状態にするための減圧手段が設けられており、アルカリ金属を異なる温度制御領域に輸送する際に、アルカリ金属輸送領域を減圧状態にすることで、より効率的にアルカリ金属の輸送が可能となる。すなわち、減圧状態でアルカリ金属を輸送することで、常圧状態に比較して、高速にアルカリ金属を輸送することができる。その結果、低コストでIII族窒化物結晶を成長することが可能となる。
【０１１０】
また、請求項４乃至請求項６，請求項８，請求項１０，請求項１１記載の発明では、一の温度制御領域と他の温度制御領域とを分離した雰囲気下で、一の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させた後、一の温度制御領域の雰囲気を他の温度制御領域と一体化して、アルカリ金属を一の温度制御領域から他の温度制御領域に輸送し、その後、一の温度制御領域と他の温度制御領域との雰囲気を分離し、他の温度制御領域においてIII族窒化物結晶を成長させるようになっているので、アルカリ金属を異なる温度制御領域間で輸送することが可能となることに加えて、アルカリ金属を反応容器内に留めたままで、所望のIII族窒化物結晶のみを取り出すことが可能となる。
【０１１１】
この結果、一回の結晶成長に必要なアルカリ金属量で、III族窒化物結晶の成長を複数回行なうことができ、しかも、メンテナンス等の特別な装置補修すること以外に、継続的にIII族窒化物結晶の成長を行うことができる。これは、より一層の低コスト化及び環境負荷の低減につながる。さらに、アルカリ金属を気相状態を介して輸送することを繰り返すことで、アルカリ金属の高純度化（精製）がより一層可能となり、より高純度なIII族窒化物結晶の成長を行うことができる。
【０１１２】
さらに、請求項６記載の発明では、アルカリ金属を異なる温度制御領域に輸送する際に、アルカリ金属輸送領域を減圧状態にすることで、より効率的にアルカリ金属の輸送が可能となる。すなわち、減圧状態でアルカリ金属を輸送することで、常圧状態に比較して、高速にアルカリ金属を輸送することができる。その結果、低コストでIII族窒化物結晶を成長することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のIII族窒化物結晶成長装置の構成例を示す図である。
【図２】図１のIII族窒化物結晶成長装置におけるIII族窒化物結晶成長方法を説明するための図である。
【図３】図１のIII族窒化物結晶成長装置の変形例を示す図である。
【図４】図１のIII族窒化物結晶成長装置の変形例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のIII族窒化物結晶成長装置の構成例を示す図である。
【図６】図５のIII族窒化物結晶成長装置におけるIII族窒化物結晶成長方法を説明するための図である。
【図７】図５のIII族窒化物結晶成長装置におけるIII族窒化物結晶成長方法を説明するための図である。
【図８】図５のIII族窒化物結晶成長装置の変形例を示す図である。
【図９】本発明により得られたIII族窒化物結晶を用いて作製されたIII族窒化物半導体デバイスの一例を示す図である。
【図１０】従来のレーザダイオードを示す図である。
【図１１】従来の半導体レーザを示す図である。
【図１２】第６の従来技術によるＧａＮ厚膜基板の作製方法を示す図である。
【図１３】第６の従来技術によるＧａＮ厚膜基板の作製方法を示す図である。
【符号の説明】
１０１，２０１                    反応容器
１０２，２０２                    第１の混合融液保持容器
１１２，２１２                    第２の混合融液保持容器
１０３，１１３，２０３，２１３，３０２，３０６            混合融液
１０４，２０４，２２４            窒素供給管
１０５，２０５，２２５            圧力調整機構
１０６，１１６，２０６，２１６    加熱装置
１０７                            連結管加熱装置
１０８                            連結管
１０９，１１７，２０９，２１７，３０３        III族窒化物（ＧａＮ）結晶
１１１，１１５，２１１，２１５，３０４        アルカリ金属（Ｎａ）
１１４，２１４，３０１，３０５                III族金属（Ｇａ）
４０１，４１１            排気配管
４０２，４１２            排気バルブ
４０３，４１３            真空ポンプ
５０１                    ｎ型ＧａＮ基板
５０２                    ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
５０３                    ｎ型ＧａＮガイド層
５０４                    ＩｎＧａＮ  ＭＱＷ活性層
５０５                    ｐ型ＧａＮガイド層
５０６                    ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
５０７                    ｐ型ＧａＮコンタクト層
５０８                    ＳｉＯ2絶縁膜
５０９                    ｐ側オーミック電極
５１０                    ｎ側オーミック電極
【図１】
0004551026.tif 000002
【図２】
0004551026.tif 000003
【図３】
0004551026.tif 000004
【図４】
0004551026.tif 000005
【図５】
0004551026.tif 000006
【図６】
0004551026.tif 000007
【図７】
0004551026.tif 000008
【図８】
0004551026.tif 000009
【図９】
0004551026.tif 000010
【図１０】
0004551026.tif 000011
【図１１】
0004551026.tif 000012
【図１２】
0004551026.tif 000013
【図１３】
0004551026.tif 000014