(57)【要約】【課題】  アルカリ金属の外部への蒸発を抑制してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置を提供する。【解決手段】  反応容器１０は、金属Ｎａと金属Ｇａとの混合融液１８０を保持する。外部反応容器２０は、反応容器１０の周囲を覆う。配管３０は、反応容器１０の下側において外部反応容器２０に連結される。抑制／導入栓４０は、反応容器１０と外部反応容器２０との連結部よりも下側の配管３０内に固定される。ガスボンベ１２０は、圧力調整器１１０を介して窒素ガスを配管３０へ供給する。抑制／導入栓４０および金属融液１７０は、混合融液１８０から蒸発した金属Ｎａ蒸気の配管３０内への拡散を防止するとともに、空間１３，２１内の圧力と空間３１内の圧力との差圧によって配管３０内の窒素ガスを空間１３，２１内へ供給する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属とＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する反応容器と、
前記反応容器内の前記混合融液に接する容器空間内のアルカリ金属蒸気が外部空間へ流出するのを抑制するとともに、外部から供給された窒素原料ガスを前記容器空間と前記外部空間との間の差圧により前記反応容器内へ導入する抑制／導入器と、
前記混合融液を結晶成長温度に加熱する加熱装置とを備える結晶成長装置。
【請求項２】
前記反応容器の周囲を覆う外部反応容器をさらに備え、
前記抑制／導入器は、
前記反応容器と前記外部反応容器との間に保持された金属融液と、
前記金属融液に接して設けられ、前記金属融液が前記外部反応容器内から前記外部空間へ流出するのを前記金属融液の表面張力により抑制するとともに、前記差圧により前記窒素原料ガスを前記金属融液を介して前記反応容器内へ導入する抑制／導入部材とを含む、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記抑制／導入部材は、前記外部反応容器の前記金属融液に接する面に設けられ、前記金属融液が前記外部空間へ流出するのを前記表面張力により抑制する径を有する貫通孔からなる、請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
前記貫通孔の径は、前記貫通孔が設けられた領域の温度が相対的に高いとき、相対的に小さい値に設定される、請求項３に記載の結晶成長装置。
【請求項５】
前記容器空間における圧力が略一定になるように前記貫通孔へ前記窒素原料ガスを供給するガス供給装置をさらに備える、請求項３または請求項４に記載の結晶成長装置。
【請求項６】
前記外部反応容器に連結された配管をさらに備え、
前記抑制／導入部材は、前記金属融液が前記外部空間へ流出するのを前記表面張力により抑制する凹凸構造を外周面に有し、前記外部反応容器と前記配管との連結部において前記配管の内径に嵌合した嵌合部材からなる、請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項７】
前記凹凸構造と前記配管の内周面との間の間隙のサイズは、前記嵌合部材の温度が相対的に高いとき、相対的に小さい値に設定される、請求項６に記載の結晶成長装置。
【請求項８】
前記外部反応容器に連結された配管をさらに備え、
前記抑制／導入部材は、前記外部反応容器と前記配管との連結部において前記配管の内面または前記外部反応容器の内面と間隙を成すように保持された間隙形成部材からなり、
前記間隙は、前記金属融液が前記外部空間へ流出するのを前記表面張力により抑制する大きさを有する、請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項９】
前記間隙のサイズは、前記間隙形成部材の温度が相対的に高いとき、相対的に小さい値に設定される、請求項８に記載の結晶成長装置。
【請求項１０】
前記容器空間における圧力が略一定になるように、前記連結部へ前記窒素原料ガスを供給するガス供給装置をさらに備える、請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の結晶成長装置。
【請求項１１】
前記抑制／導入部材の温度は、前記金属融液が実質的に蒸発しない温度に設定される、請求項２から請求項１０のいずれか１項に記載の結晶成長装置。
【請求項１２】
前記金属融液は、前記混合融液と異なる、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の結晶成長装置。
【請求項１３】
前記金属融液は、アルカリ金属融液からなる、請求項１２に記載の結晶成長装置。
【請求項１４】
前記容器空間に連通する前記外部反応容器内の空間と前記金属融液との第１の界面または該第１の界面付近における第１の温度は、前記容器空間と前記混合融液との第２の界面または該第２の界面付近における第２の温度以上である、請求項２から請求項１３のいずれか１項に記載の結晶成長装置。
【請求項１５】
前記第１の温度は、前記第２の温度に略一致する、請求項１４に記載の結晶成長装置。
【請求項１６】
結晶成長装置を用いてＩＩＩ族金属窒化物結晶を製造する製造方法であって、
前記結晶成長装置は、
アルカリ金属とＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する反応容器と、
前記反応容器内の前記混合融液に接する容器空間内のアルカリ金属蒸気が外部空間へ流出するのを抑制するとともに、外部から供給された窒素原料ガスを前記容器空間と前記外部空間との間の差圧により前記反応容器内へ導入する抑制／導入器とを備え、
前記製造方法は、
不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中で前記アルカリ金属および前記ＩＩＩ族金属を前記反応容器内に入れる第１の工程と、
前記容器空間に前記窒素原料ガスを充填する第２の工程と、
前記反応容器を結晶成長温度に加熱する第３の工程と、
所定の時間、前記反応容器の温度を前記結晶成長温度に保持する第４の工程と、
前記容器空間内の圧力が所定の圧力に保持されるように前記抑制／導入器を介して前記窒素原料ガスを前記反応容器内へ供給する第５の工程とを備える製造方法。
【請求項１７】
前記結晶成長装置は、前記反応容器の周囲を覆う外部反応容器をさらに備え、
前記金属融液は、前記反応容器と前記外部反応容器との間に配置され、
前記製造方法は、
前記不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中で前記金属融液用の金属を前記反応容器と前記外部反応容器との間に入れる第６の工程と、
前記反応容器と前記外部反応容器との間を前記金属融液用の金属が液体になる温度に加熱する第７の工程とをさらに備える、請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記製造方法は、前記抑制／導入器の温度を前記金属融液が前記抑制／導入器を介して実質的に蒸発しない温度に保持する第８の工程をさらに備える、請求項１７に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記金属融液は、前記混合融液と異なる、請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記金属融液は、アルカリ金属融液である、請求項１９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置およびＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法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、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てＧａＮを結晶成長させる方法においては、結晶成長中に混合融液からアルカリ金属が外部へ蒸発してしまい、アルカリ金属とＩＩＩ族金属とのモル比率が変化する。その結果、結晶サイズの拡大を阻害するという問題および結晶品質が変動するという問題が生じる。
【００１２】
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、アルカリ金属の外部への蒸発を抑制してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置を提供することである。
【００１３】
また、この発明の別の目的は、アルカリ金属の外部への蒸発を抑制してＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明によれば、結晶成長装置は、反応容器と、抑制／導入器と、加熱装置とを備える。反応容器は、アルカリ金属とＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する。抑制／導入器は、反応容器内の混合融液に接する容器空間内のアルカリ金属蒸気が外部空間へ流出するのを抑制するとともに、外部から供給された窒素原料ガスを容器空間と外部空間との間の差圧により反応容器内へ導入する。加熱装置は、混合融液を結晶成長温度に加熱する。
【００１５】
好ましくは、結晶成長装置は、外部反応容器をさらに備える。外部反応容器は、反応容器の周囲を覆う。抑制／導入器は、金属融液と、抑制／導入部材とを含む。金属融液は、反応容器と外部反応容器との間に保持される。抑制／導入部材は、金属融液に接して設けられ、金属融液が外部反応容器内から外部空間へ流出するのを金属融液の表面張力により抑制するとともに、差圧により窒素原料ガスを金属融液を介して反応容器内へ導入する。
【００１６】
好ましくは、抑制／導入部材は、外部反応容器の金属融液に接する面に設けられ、金属融液が外部空間へ流出するのを金属融液の表面張力により抑制する径を有する貫通孔からなる。
【００１７】
好ましくは、貫通孔の径は、貫通孔が設けられた領域の温度が相対的に高いとき、相対的に小さい値に設定される。
【００１８】
好ましくは、結晶成長装置は、容器空間における圧力が略一定になるように貫通孔へ窒素原料ガスを供給するガス供給装置をさらに備える。
【００１９】
好ましくは、結晶成長装置は、外部反応容器に連結された配管をさらに備える。抑制／導入部材は、金属融液が外部空間へ流出するのを金属融液の表面張力により抑制する凹凸構造を外周面に有し、外部反応容器と配管との連結部において配管の内径に嵌合した嵌合部材からなる。
【００２０】
好ましくは、凹凸構造と配管の内周面との間の間隙のサイズは、嵌合部材の温度が相対的に高いとき、相対的に小さい値に設定される。
【００２１】
好ましくは、結晶成長装置は、外部反応容器に連結された配管をさらに備える。抑制／導入部材は、外部反応容器と配管との連結部において配管の内面または外部反応容器の内面と間隙を成すように保持された間隙形成部材からなる。間隙は、金属融液が外部空間へ流出するのを金属融液の表面張力により抑制する大きさを有する。
【００２２】
好ましくは、間隙のサイズは、間隙形成部材の温度が相対的に高いとき、相対的に小さい値に設定される。
【００２３】
好ましくは、結晶成長装置は、容器空間における圧力が略一定になるように、連結部記窒素原料ガスを供給するガス供給装置をさらに備える。
【００２４】
好ましくは、抑制／導入部材の温度は、金属融液が実質的に蒸発しない温度に設定される。
【００２５】
好ましくは、金属融液は、混合融液と異なる。
【００２６】
好ましくは、金属融液は、アルカリ金属融液からなる。
【００２７】
好ましくは、容器空間に連通する外部反応容器内の空間と金属融液との第１の界面または該第１の界面付近における第１の温度は、容器空間と混合融液との第２の界面または該第２の界面付近における第２の温度以上である。
【００２８】
好ましくは、第１の温度は、第２の温度に略一致する。
【００２９】
また、この発明によれば、製造方法は、結晶成長装置を用いてＩＩＩ族金属窒化物結晶を製造する製造方法である。結晶成長装置は、アルカリ金属とＩＩＩ族金属とを含む混合融液を保持する反応容器と、反応容器内の混合融液に接する容器空間内のアルカリ金属蒸気が外部空間へ流出するのを抑制するとともに、外部から供給された窒素原料ガスを容器空間と外部空間との間の差圧により反応容器内へ導入する抑制／導入器とを備える。
【００３０】
そして、製造方法は、不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中でアルカリ金属およびＩＩＩ族金属を反応容器内に入れる第１の工程と、容器空間に前記窒素原料ガスを充填する第２の工程と、反応容器を結晶成長温度に加熱する第３の工程と、所定の時間、反応容器の温度を結晶成長温度に保持する第４の工程と、容器空間内の圧力が所定の圧力に保持されるように抑制／導入器を介して窒素原料ガスを反応容器内へ供給する第５の工程とを備える。
【００３１】
好ましくは、結晶成長装置は、反応容器の周囲を覆う外部反応容器をさらに備える。金属融液は、反応容器と外部反応容器との間に配置される。そして、製造方法は、不活性ガス雰囲気中で金属融液用の金属を反応容器と外部反応容器との間に入れる第６の工程と、反応容器と外部反応容器との間を金属融液用の金属が液体になる温度に加熱する第７の工程とをさらに備える。
【００３２】
好ましくは、製造方法は、抑制／導入器の温度を金属融液が抑制／導入器を介して実質的に蒸発しない温度に保持する第８の工程をさらに備える。
【００３３】
好ましくは、金属融液は、混合融液と異なる。
【００３４】
好ましくは、金属融液は、アルカリ金属融液である。
【発明の効果】
【００３５】
この発明においては、抑制／導入器を用いて、アルカリ金属とＩＩＩ族金属との混合融液からアルカリ金属が蒸発するのが抑制されるとともに、混合融液に接する容器空間へ窒素原料ガスが安定的に供給される。その結果、混合融液中におけるアルカリ金属とＩＩＩ族金属とのモル比率が安定する。
【００３６】
したがって、この発明によれば、大きいサイズを有する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】
【００３７】
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。
【００３８】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による結晶成長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による結晶成長装置１００は、反応容器１０と、外部反応容器２０と、配管３０と、抑制／導入栓４０と、加熱装置５０，６０と、ガス供給管７０，８０と、バルブ９０，９１，１４０と、圧力調整器１１０と、ガスボンベ１２０と、排気管１３０と、真空ポンプ１５０と、圧力センサー１６０と、金属融液１７０とを備える。
【００３９】
反応容器１０は、略円柱形状を有し、本体部１１と、蓋部１２とからなる。外部反応容器２０は、反応容器１０と所定の間隔を隔てて反応容器１０の周囲に配置される。そして、反応容器１０は、窒化ホウ素（ＢＮ）からなり、外部反応容器２０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなる。
【００４０】
配管３０は、重力方向ＤＲ１において、反応容器１０の下側で外部反応容器２０に連結される。抑制／導入栓４０は、たとえば、金属およびセラミック等からなり、外部反応容器２０と配管３０との連結部よりも下側の配管３０内に保持される。
【００４１】
加熱装置５０は、外部反応容器２０の外周面２０Ａを囲むように配置される。加熱装置６０は、外部反応容器２０の底面２０Ｂに対向して配置される。ガス供給管７０は、一方端がバルブ９０を介して外部反応容器２０に連結され、他方端が圧力調整器１１０を介してガスボンベ１２０に連結される。ガス供給管８０は、一方端がバルブ９１を介して配管３０に連結され、他方端がガス供給管７０に連結される。
【００４２】
バルブ９０は、外部反応容器２０の近傍でガス供給管７０に装着される。バルブ９１は、配管３０の近傍でガス供給管８０に装着される。圧力調整器１１０は、ガスボンベ１２０の近傍でガス供給管７０に装着される。ガスボンベ１２０は、ガス供給管７０に連結される。
【００４３】
排気管１３０は、一方端がバルブ１４０を介して外部反応容器２０に連結され、他方端が真空ポンプ１５０に連結される。バルブ１４０は、外部反応容器２０の近傍で排気管１３０に装着される。真空ポンプ１５０は、排気管１３０に連結される。
【００４４】
圧力センサー１６０は、外部反応容器２０に取り付けられる。金属融液１７０は、金属ナトリウム（金属Ｎａ）融液からなり、反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持される。
【００４５】
反応容器１０は、金属Ｎａと、金属ガリウム（金属Ｇａ）との混合融液１８０を保持する。外部反応容器２０は、反応容器１０の周囲を覆う。配管３０は、ガス供給管７０，８０を介してガスボンベ１２０から供給された窒素ガス（Ｎ２ガス）を抑制／導入栓４０に導く。
【００４６】
抑制／導入栓４０は、配管３０の内壁との間に数十μｍの孔が形成されるように外周面に凹凸構造を有し、配管３０内の窒素ガスを金属融液１７０の方向へ通過させ、窒素ガスを金属融液１７０を介して空間２１内へ供給する。また、金属融液１７０の表面張力により、数十μｍの孔の中には金属融液１７０は入らず、金属融液１７０は、抑制／導入栓４０上に金属融液１７０を保持する。この結果、抑制／導入栓４０は、金属融液１７０を反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持する。
【００４７】
加熱装置５０は、反応容器１０および外部反応容器２０を外部反応容器２０の外周面２０Ａから加熱する。加熱装置６０は、反応容器１０および外部反応容器２０を外部反応容器２０の底面２０Ｂから加熱する。
【００４８】
ガス供給管７０は、ガスボンベ１２０から圧力調整器１１０を介して供給された窒素ガスをバルブ９０を介して外部反応容器２０内へ供給する。ガス供給管８０は、ガスボンベ１２０から圧力調整器１１０を介して供給された窒素ガスをバルブ９１を介して配管３０内へ供給する。
【００４９】
バルブ９０は、ガス供給管７０内の窒素ガスを外部反応容器２０内へ供給し、または窒素ガスの外部反応容器２０内への供給を停止する。バルブ９１は、ガス供給管８０内の窒素ガスを配管３０内へ供給し、または窒素ガスの配管３０内への供給を停止する。圧力調整器１１０は、ガスボンベ１２０からの窒素ガスを所定の圧力にしてガス供給管７０，８０に供給する。
【００５０】
ガスボンベ１２０は、窒素ガスを保持する。排気管１３０は、外部反応容器２０内の気体を真空ポンプ１５０へ通過させる。バルブ１４０は、外部反応容器２０内と排気管１３０とを空間的に繋げ、または外部反応容器２０内と排気管１３０とを空間的に遮断する。真空ポンプ１５０は、排気管１３０およびバルブ１４０を介して外部反応容器２０内の真空引きを行なう。
【００５１】
圧力センサー１６０は、外部反応容器２０内の圧力を検出する。金属融液１７０と抑制／導入栓４０とを介して窒素ガスが空間２１へ供給される。
【００５２】
図２は、図１に示す抑制／導入栓４０の斜視図である。図２を参照して、抑制／導入栓４０は、栓４１と、凸部４２とを含む。栓４１は、略円柱形状からなる。凸部４２は、略半円形の断面形状を有し、栓４１の外周面に栓４１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。
【００５３】
図３は、抑制／導入栓４０の配管３０への取付状態を示す平面図である。図３を参照して、凸部４２は、栓４１の円周方向に複数個形成され、複数の凸部４２は、数十μｍの間隔ｄで形成される。また、凸部４２は、数十μｍの高さＨを有する。抑制／導入栓４０の複数の凸部４２は、配管３０の内壁３０Ａに接する。これにより、抑制／導入栓４０は、配管３０の内壁３０Ａに嵌合する。
【００５４】
凸部４２が数十μｍの高さＨを有し、数十μｍの間隔ｄで栓４１の外周面に配置される結果、抑制／導入栓４０が配管３０の内壁３０Ａに嵌合した状態では、抑制／導入栓４０と配管３０の内壁３０Ａとの間に、直径が略数十μｍである空隙４３が複数個形成される。
【００５５】
この空隙４３は、栓４１の長さ方向ＤＲ２に窒素ガスを通過させるとともに、この空隙４３があっても金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を保持し、金属融液１７０が栓４１の長さ方向ＤＲ２に通過するのを阻止する。
【００５６】
図４は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。図４を参照して、一連の動作が開始されると、Ａｒガスが充填されたグローブボックス内へ反応容器１０および外部反応容器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を反応容器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のモル比率で反応容器１０に入れる。なお、Ａｒガスは、水分量が１０ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素量が１０ｐｐｍ以下であるＡｒガスである（以下、同じ）。
【００５７】
その後、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを反応容器１０と外部反応容器２０との間に入れる（ステップＳ２）。そして、反応容器１０および外部反応容器２０内にＡｒガスを充填した状態で反応容器１０および外部反応容器２０を結晶成長装置１００に設定する。
【００５８】
引続いて、バルブ１４０を開け、真空ポンプ１５０によって反応容器１０および外部反応容器２０内に充填されたＡｒガスを排気する。真空ポンプ１５０によって反応容器１０および外部反応容器２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きした後、バルブ１４０を閉じ、バルブ９０，９１を開けて窒素ガスをガスボンベ１２０からガス供給管７０，８０を介して反応容器１０および外部反応容器２０内へ充填する。この場合、圧力調整器１１０によって反応容器１０および外部反応容器２０内の圧力が１気圧程度になるように反応容器１０および外部反応容器２０内へ窒素ガスを供給する。
【００５９】
そして、圧力センサー１６０によって検出した外部反応容器２０内の圧力が１気圧程度になると、バルブ９０，９１を閉じ、バルブ１４０を開けて真空ポンプ１５０によって反応容器１０および外部反応容器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１５０によって反応容器１０および外部反応容器２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きする。
【００６０】
そして、この反応容器１０および外部反応容器２０内の真空引きと反応容器１０および外部反応容器２０への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。
【００６１】
その後、真空ポンプ１５０によって反応容器１０および外部反応容器２０内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１４０を閉じ、バルブ９０，９１を開けて圧力調整器１１０によって反応容器１０および外部反応容器２０内の圧力が１０〜５０気圧の範囲になるように反応容器１０および外部反応容器２０内へ窒素ガスを充填する（ステップＳ３）。
【００６２】
この場合、反応容器１０と外部反応容器２０との間の金属Ｎａは、固体であるので、窒素ガスは、抑制／導入栓４０を介して配管３０の空間３１から外部反応容器２０内の空間２１および反応容器１０内の空間１３へ供給される。蓋部１２は、本体部１１上に載せられているだけであり、本体部１１と蓋部１２との間には間隙が有るので、空間２１へ供給された窒素ガスは、その間隙を介して反応容器１０内の空間１３にも充填される。そして、圧力センサー１６０によって検出した空間２１内の圧力が１０〜５０気圧になった時点でバルブ９０が閉じられる。この時点で、空間１３，２１，３１内の圧力は１０〜５０気圧になっている。
【００６３】
その後、加熱装置５０，６０によって反応容器１０および外部反応容器２０を８００℃に加熱する（ステップＳ４）。この場合、反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは、融点が約９８℃であるので、反応容器１０および外部反応容器２０が８００℃に加熱される過程で溶融され、金属融液１７０になる。そして、２つの気液界面１，２が発生する（図１参照）。気液界面１は、金属融液１７０と外部反応容器２０内の空間２１との界面に位置し、気液界面２は、金属融液１７０と抑制／導入栓４０との界面に位置する。
【００６４】
また、反応容器１０および外部反応容器２０の温度が８００℃に昇温された時点で、抑制／導入栓４０の温度は、１５０℃である。従って、気液界面２における金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）の蒸気圧は、７．６×１０−９気圧であり、金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）は、抑制／導入栓４０の空隙４３を介して殆ど蒸発しない。その結果、金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）は、殆ど減少しない。
【００６５】
抑制／導入栓４０の温度が３００℃または４００℃に昇温されても、金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）の蒸気圧は、それぞれ、１．８×１０−５気圧および４．７×１０−４気圧であり、この程度の蒸気圧では、金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）の減少を殆ど無視できる。
【００６６】
このように、結晶成長装置１００においては、抑制／導入栓４０の温度は、金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）が蒸発によって実質的に減少しない温度に設定される。
【００６７】
さらに、反応容器１０および外部反応容器２０の温度が８００℃に昇温されると、反応容器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１８０が発生する。そして、空間１３内の窒素ガスが混合融液１８０中へ取り込まれ、混合融液１８０中にＧａＮ結晶が成長し始める。
【００６８】
その後、ＧａＮ結晶の成長が進行すると、空間１３内の窒素ガスが消費され、空間１３内の窒素ガスが減少する。そうすると、空間１３，２１内の圧力Ｐ１が配管３０内の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなり（Ｐ１＜Ｐ２）、空間１３，２１内と空間３１内との間に差圧が発生し、空間３１の窒素ガスは、抑制／導入栓４０および金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）を介して空間２１および空間１３内へ順次供給される（ステップＳ５）。
【００６９】
その後、反応容器１０および外部反応容器２０の温度が、所定の時間（数十時間〜数百時間）、８００℃に保持される（ステップＳ６）。これによって、大きなサイズのＧａＮ結晶が成長する。このＧａＮ結晶は、ｃ軸（＜０００１＞）方向に成長した柱状形状を有し、欠陥フリーの結晶である。
【００７０】
そして、反応容器１０および外部反応容器２０の温度が降温されて（ステップＳ７）、ＧａＮ結晶の製造が終了する。
【００７１】
図５は、反応容器１０および外部反応容器２０の温度のタイミングチャートである。また、図６は、図５に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における反応容器１０および外部反応容器２０内の状態を示す模式図である。さらに、図７は、図４に示すステップＳ５における反応容器１０および外部反応容器２０内の状態を示す模式図である。
【００７２】
図５を参照して、反応容器１０および外部反応容器２０が加熱装置５０，６０によって加熱され始めると、反応容器１０および外部反応容器２０の温度は、上昇し始め、タイミングｔ１において９８℃に達し、タイミングｔ２で８００℃に達する。
【００７３】
そうすると、反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは溶け、金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）になる。そして、空間１３，２１内の窒素ガス３は、金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）および抑制／導入栓４０を介して配管３０内の空間３１へ拡散することができず、空間１３，２１内に閉じ込められる（図６参照）。
【００７４】
このように、結晶成長装置１００においては、抑制／導入栓４０および金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）によって窒素ガス３を反応容器１０および外部反応容器２０内の空間１３，２１に閉じ込めてＧａＮ結晶を成長させることを特徴とする。
【００７５】
タイミングｔ２以降、反応容器１０および外部反応容器２０の温度は、８００℃に保持され、混合融液１８０中でＧａＮ結晶の成長が進行する。タイミングｔ１以降、金属融液１７０および混合融液１８０中の金属Ｎａが蒸発し始め、徐々に蒸気圧が高くなる。タイミングｔ２以降、８００℃ではＮａは、０．４５気圧の蒸気圧を有する。その結果、空間１３，２１内には、窒素ガス３および金属Ｎａ蒸気４が混在する。
【００７６】
そして、窒素ガス３の消費によって、空間１３，２１内の圧力Ｐ１が配管３０内の空間３１の圧力Ｐ２よりも低下する。そうすると、金属融液１７０は、空間１３，２１側へ移動し、金属融液１７０の気液界面１，２は、上昇する。
【００７７】
このような状態において、窒素ガスは、配管３０の空間３１から抑制／導入栓４０を介して金属融液１７０に供給され、金属融液１７０中を泡１７１となって移動し、気液界面１から空間１３，２１へ供給される。そして、空間１３，２１内の圧力Ｐ１が空間３１内の圧力Ｐ２とほぼ同じになると、金属融液１７０が元の位置まで降下し、配管３０の空間３１から抑制／導入栓４０および金属融液１７０を介した窒素ガスの反応容器１０および外部反応容器２０への供給が停止される。
【００７８】
このように、抑制／導入栓４０が存在することにより、金属融液１７０（＝金属Ｎａ融液）の表面張力によって反応容器１０と外部反応容器２０との間に金属融液１７０が保持されるとともに、窒素ガスが空間３１から反応容器１０および外部反応容器２０内へ供給される。従って、抑制／導入栓４０は、金属融液１７０の通過を阻止する構造からなる。
【００７９】
また、結晶成長装置１００においては、金属Ｎａ蒸気４を空間１３，２１内へ閉じ込めた状態でＧａＮ結晶を成長させることを特徴とする。この特徴によって、混合融液１８０中からの金属Ｎａの蒸発が抑制され、混合融液１８０中における金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率をほぼ一定に保持でき、大きく、かつ、高品質なＧａＮ結晶を成長させることができる。
【００８０】
さらに、結晶成長装置１００においては、反応容器１０内の空間１３に連通した外部反応容器２０内の空間２１と金属融液１７０との気液界面１または気液界面１付近における温度Ｔ１は、空間１３と混合融液１８０との気液界面５または気液界面５付近における温度Ｔ２に略一致するように、加熱装置５０は、反応容器１０および外部反応容器２０を加熱する。
【００８１】
このように、気液界面１または気液界面１付近における温度Ｔ１を気液界面５または気液界面５付近における温度Ｔ２に略一致させることによって、金属融液１７０から蒸発した金属Ｎａ蒸気と混合融液１８０から蒸発した金属Ｎａ蒸気とが空間１３，２１内で平衡状態になり、空間１３内の金属Ｎａ蒸気が空間２１内へ拡散するのを抑制できる。その結果、混合融液１８０からの金属Ｎａの蒸発を確実に抑制して混合融液１８０中における金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を安定化でき、高品質で且つ大きなサイズを有するＧａＮ結晶を安定して製造できる。
【００８２】
さらに、結晶成長装置１００においては、温度Ｔ１が温度Ｔ２よりも高くなるように反応容器１０および外部反応容器２０を加熱してもよい。この場合、反応容器１０と外部反応容器２０との間に加熱装置をさらに設置し、その設置した加熱装置によって反応容器１０を加熱して気液界面５または気液界面５付近を温度Ｔ２に加熱し、加熱装置５０によって気液界面１または気液界面１付近を温度Ｔ１に加熱する。
【００８３】
このように、温度Ｔ１を温度Ｔ２よりも高い温度に設定することによって、気液界面１における金属Ｎａの蒸気圧が気液界面５における金属Ｎａの蒸気圧よりも高くなり、金属Ｎａ蒸気が空間２１から空間１３内へ拡散する。そうすると、空間１３内において金属Ｎａ蒸気の濃度が高くなり、混合融液１８０からの金属Ｎａの蒸発をさらに抑制できる。その結果、混合融液１８０中における金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を確実に安定化でき、高品質で且つ大きいサイズを有するＧａＮ結晶を安定して製造できる。
【００８４】
したがって、結晶成長装置１００においては、温度Ｔ１が温度Ｔ２以上に設定されてＧａＮ結晶の製造が行なわれる。
【００８５】
上記においては、抑制／導入栓４０の凸部４２の高さＨおよび複数の凸部４２の間隔ｄは、数十μｍであると説明したが、凸部４２の高さＨおよび複数の凸部４２の間隔ｄは、抑制／導入栓４０の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、抑制／導入栓４０の温度が相対的に高い場合、凸部４２の高さＨは相対的に低くされ、かつ、複数の凸部４２の間隔ｄは、相対的に小さくされる。また、抑制／導入栓４０の温度が相対的に低い場合、凸部４２の高さＨは相対的に高くされ、かつ、複数の凸部４２の間隔ｄは、相対的に大きくされる。つまり、抑制／導入栓４０の温度が相対的に高い場合、抑制／導入栓４０と配管３０との間の空隙４３のサイズが相対的に小さくされ、抑制／導入栓４０の温度が相対的に低い場合、抑制／導入栓４０と配管３０との間の空隙４３のサイズが相対的に大きくされる。
【００８６】
凸部４２の高さＨおよび複数の凸部４２の間隔ｄによって空隙４３の大きさが決定され、金属融液１７０の表面張力により金属融液１７０を保持可能な空隙４３の大きさが抑制／導入栓４０の温度によって変化する。したがって、凸部４２の高さＨおよび複数の凸部４２の間隔ｄを抑制／導入栓４０の温度に応じて変化させ、金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を確実に保持できるようにしたものである。
【００８７】
そして、抑制／導入栓４０の温度制御は、加熱装置６０によって行われる。すなわち、抑制／導入栓４０の温度を１５０℃よりも高い温度に昇温する場合には、加熱装置６０によって抑制／導入栓４０を加熱する。
【００８８】
実施の形態１によれば、ＧａＮ結晶の結晶成長時には、金属Ｎａ蒸気が金属融液１７０および抑制／導入器４０によって空間１３，２１内へ閉じ込められるとともに、窒素ガスが配管３０から空間１３，２１内へ安定して供給されるので、混合融液１８０中の金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を安定化できるとともに、窒素ガスを混合融液１８０中へ安定して供給できる。その結果、高品質で且つサイズの大きいＧａＮ結晶を製造できる。
【００８９】
なお、実施の形態１においては、抑制／導入栓４０と加熱装置６０との距離によって抑制／導入栓４０の温度を制御するようにしてもよい。この場合、抑制／導入栓４０の温度を相対的に高くする場合、抑制／導入栓４０と加熱装置６０との距離を相対的に短く設定し、抑制／導入栓４０の温度を相対的に低くする場合、抑制／導入栓４０と加熱装置６０との距離を相対的に長く設定する。
【００９０】
また、混合融液１８０からの金属Ｎａの蒸発を抑制する観点から、加熱装置５０を重力方向において２つの加熱装置５０Ａ，５０Ｂに分離し、加熱装置５０Ａを金属融液１７０の上部に対向する位置に配置し、加熱装置５０Ｂを金属融液１７０の下部に対向する位置に配置する。そして、加熱装置５０Ａによって金属融液１７０の上部の温度を相対的に高く設定し、加熱装置５０Ｂによって金属融液１７０の下部の温度を相対的に低くする。これによって、金属融液１７０から空間２１への金属Ｎａの蒸発を促進でき、空間２１内の金属Ｎａ蒸気の濃度を空間１３内の金属Ｎａ蒸気の濃度よりも高くできる。その結果、金属Ｎａ蒸気の空間１３から空間２１への拡散をさらに抑制し、混合融液１８０からの金属Ｎａの蒸発をさらに抑制できる。
【００９１】
さらに、実施の形態１においては、抑制／導入栓４０および金属融液１７０は、「抑制／導入器」を構成する。
【００９２】
また、抑制／導入栓４０は、「抑制／導入部材」を構成する。
【００９３】
さらに、圧力調整器１１０およびガスボンベ１２０は、「ガス供給装置」を構成する。
【００９４】
さらに、抑制／導入栓４０は、「嵌合部材」を構成する。
【００９５】
［実施の形態２］
図８は、実施の形態２による結晶成長装置の概略断面図である。図８を参照して、実施の形態２による結晶成長装置１００Ａは、図１に示す結晶成長装置１００の抑制／導入栓４０を抑制／導入栓４００に代えたものであり、その他は、結晶成長装置１００と同じである。
【００９６】
抑制／導入栓４００は、たとえば、金属およびセラミック等からなり、外部反応容器２０と配管３０との連結部に固定される。そして、抑制／導入栓４００は、金属融液１７０を介して配管３０の空間３１から反応容器１０および外部反応容器２０の空間２１，１３へ窒素ガスを供給する。また、抑制／導入栓４００は、金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持する。
【００９７】
なお、結晶成長装置１００Ａにおいては、加熱装置６０は、反応容器１０および外部反応容器２０を８００℃に加熱するのではなく、抑制／導入栓４００の温度を金属融液１７０が抑制／導入栓４００を介して実質的に蒸発しない温度に設定するように、反応容器１０および外部反応容器２０を加熱する。
【００９８】
図９は、図８に示す抑制／導入栓４００の斜視図である。また、図１０は、図８に示す抑制／導入栓４００の固定方法を説明するための断面図である。図９を参照して、抑制／導入栓４００は、栓４０１と、複数の凸部４０２とからなる。栓４０１は、長さ方向ＤＲ３へ直径が変化する円柱形状からなる。複数の凸部４０２の各々は、略半球形状を有し、直径が数十μｍである。そして、複数の凸部４０２は、栓４０１の外周面４０１Ａにランダムに形成される。ただし、隣接する２つの凸部４０２の間隔は、数十μｍに設定される。
【００９９】
図１０を参照して、抑制／導入栓４００は、支持部材４０３，４０４によって外部反応容器２０と配管３０との連結部に固定される。より具体的には、抑制／導入栓４００は、一方端が外部反応容器２０に固定された支持部材４０３と、一方端が配管３０の内壁に固定された支持部材４０４とによって挟まれることによって固定される。
【０１００】
この場合、抑制／導入栓４００の凸部４０２は、外部反応容器２０および配管３０に接していてもよく、接していなくてもよい。凸部４０２が外部反応容器２０および配管３０に接しないように抑制／導入栓４００が固定される場合、凸部４０２と外部反応容器２０および配管３０との間隔を金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を保持可能な間隔に設定して抑制／導入栓４００を支持部材４０３，４０４によって固定する。
【０１０１】
反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは、反応容器１０および外部反応容器２０の加熱が開始される前、固体であるので、ガスボンベ１２０から供給された窒素ガスは、外部反応容器２０の空間２１と配管３０の空間３１との間を抑制／導入栓４００を介して拡散可能である。
【０１０２】
そして、反応容器１０および外部反応容器２０の加熱が開始され、反応容器１０および外部反応容器２０の温度が９８℃以上に昇温されると、反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは、溶けて金属融液１７０になり、窒素ガスを空間１３，２１に閉じ込める。
【０１０３】
また、抑制／導入栓４００は、金属融液１７０が外部反応容器２０の内部から配管３０の空間３１へ流出しないように金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を保持する。
【０１０４】
さらに、金属融液１７０および抑制／導入栓４００は、ＧａＮ結晶の成長が進行すると、窒素ガスと、金属融液１７０および混合融液１８０から蒸発した金属Ｎａ蒸気とを空間１３，２１に閉じ込める。その結果、混合融液１８０からの金属Ｎａの蒸発を抑制でき、混合融液１８０中における金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を安定させることができる。そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間１３内の窒素ガスが減少すると、空間１３内の圧力Ｐ１は、配管３０の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなり、抑制／導入栓４００は、空間３１の窒素ガスを外部反応容器２０の方向へ通過させ、金属融液１７０を介して空間２１，１３へ供給する。
【０１０５】
このように、抑制／導入栓４００は、上述した抑制／導入栓４０と同じように作用する。したがって、結晶成長装置１００Ａを用いたＧａＮ結晶の製造方法は、結晶成長装置１００を用いたＧａＮ結晶の製造方法と同じであり、図４に示すフローチャートからなる。
【０１０６】
上記においては、抑制／導入栓４００は、凸部４０２を有すると説明したが、抑制／導入栓４００は、凸部４０２を有していなくてもよい。この場合、栓４０１と外部反応容器２０および配管３０との間隔が数十μｍになるように、抑制／導入栓４００は、支持部材によって固定される。
【０１０７】
そして、抑制／導入栓４００（凸部４０２を有する場合と凸部４０２を有さない場合とを含む。以下、同じ）と外部反応容器２０および配管３０との間隔は、抑制／導入栓４００の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、抑制／導入栓４００の温度が相対的に高い場合、抑制／導入栓４００と外部反応容器２０および配管３０との間隔は、相対的に小さく設定される。また、抑制／導入栓４００の温度が相対的に低い場合、抑制／導入栓４００と外部反応容器２０および配管３０との間隔は、相対的に大きく設定される。
【０１０８】
金属融液１７０の表面張力により金属融液１７０を保持可能な抑制／導入栓４００と外部反応容器２０および配管３０との間隔は、抑制／導入栓４００の温度によって変化する。したがって、抑制／導入栓４００と外部反応容器２０および配管３０との間隔を抑制／導入栓４００の温度に応じて変化させ、金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を確実に保持できるようにしたものである。
【０１０９】
そして、抑制／導入栓４００の温度制御は、加熱装置６０によって行われる。すなわち、抑制／導入栓４００の温度を１５０℃よりも高い温度に昇温する場合には、加熱装置６０によって抑制／導入栓４００を加熱する。
【０１１０】
実施の形態２によれば、ＧａＮ結晶の結晶成長時には、金属Ｎａ蒸気が金属融液１７０および抑制／導入器４００によって空間１３，２１内へ閉じ込められるとともに、窒素ガスが配管３０から空間１３，２１内へ安定して供給されるので、混合融液１８０中の金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を安定化できるとともに、窒素ガスを混合融液１８０中へ安定して供給できる。その結果、高品質で且つサイズの大きいＧａＮ結晶を製造できる。
【０１１１】
なお、抑制／導入栓４００および金属融液１７０は、「抑制／導入器」を構成する。
【０１１２】
また、抑制／導入栓４００は、「抑制／導入部材」を構成する。
【０１１３】
さらに、抑制／導入栓４００は、「間隙形成部材」を構成する。
【０１１４】
その他は、実施の形態１と同じである。
【０１１５】
［実施の形態３］
図１１は、実施の形態３による結晶成長装置の概略断面図である。図１１を参照して、実施の形態３による結晶成長装置１００Ｂは、図１に示す結晶成長装置１００の抑制／導入栓４００を貫通孔４１０に代えたものであり、その他は、結晶成長装置１００と同じである。
【０１１６】
貫通孔４１０は、外部反応容器２０と配管３０との連結部において外部反応容器２０に設けられる。そして、貫通孔４１０は、数十μｍの直径を有する。
【０１１７】
なお、結晶成長装置１００Ｂにおいては、加熱装置６０は、反応容器１０および外部反応容器２０を８００℃に加熱するのではなく、貫通孔４１０の温度を金属融液１７０が貫通孔４１０を介して実質的に蒸発しない温度に設定するように、反応容器１０および外部反応容器２０を加熱する。
【０１１８】
反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは、反応容器１０および外部反応容器２０の加熱が開始される前、固体であるので、ガスボンベ１２０から供給された窒素ガスは、外部反応容器２０の空間２１と配管３０の空間３１との間を貫通孔４１０を介して拡散可能である。
【０１１９】
そして、反応容器１０および外部反応容器２０の加熱が開始され、反応容器１０および外部反応容器２０の温度が９８℃以上に昇温されると、反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持された金属Ｎａは、溶けて金属融液１７０になり、窒素ガスを空間１３，２１内に閉じ込める。
【０１２０】
また、貫通孔４１０は、金属融液１７０が外部反応容器２０の内部から配管３０の空間３１へ流出しないように金属融液１７０を金属融液１７０の表面張力によって保持する。
【０１２１】
さらに、金属融液１７０および貫通孔４１０は、ＧａＮ結晶の成長が進行すると、窒素ガスと、金属融液１７０および混合融液１８０から蒸発した金属Ｎａ蒸気とを空間１３，２１に閉じ込める。その結果、混合融液１８０からの金属Ｎａの蒸発が抑制され、混合融液１８０中における金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を安定させることができる。そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間１３内の窒素ガスが減少すると、空間１３内の圧力Ｐ１は、配管３０の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなり、貫通孔４１０は、空間３１内の窒素ガスを金属融液１７０の方向へ通過させ、金属融液１７０を介して窒素ガスを空間２１，１３へ供給する。
【０１２２】
このように、貫通孔４１０は、上述した抑制／導入栓４０と同じように作用する。したがって、結晶成長装置１００Ｂを用いたＧａＮ結晶の製造方法は、結晶成長装置１００を用いたＧａＮ結晶の製造方法と同じであり、図４に示すフローチャートからなる。
【０１２３】
なお、結晶成長装置１００Ｂにおいては、貫通孔４１０の径は、貫通孔４１０が設けられた領域２３の温度に応じて決定されるようにしてもよい。この場合、領域２３の温度が相対的に高い場合、貫通孔４１０の径は、相対的に小さく設定される。また、領域２３の温度が相対的に低い場合、貫通孔４１０の径は、相対的に大きく設定される。
【０１２４】
金属融液１７０の表面張力により金属融液１７０を保持可能な貫通孔４１０の径は、領域の温度によって変化する。したがって、貫通孔４１０の径を領域２３の温度に応じて変化させ、金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を確実に保持できるようにしたものである。
【０１２５】
そして、領域２３の温度制御は、加熱装置６０によって行われる。
【０１２６】
図１２は、図１１に示す貫通孔４１０に代わる部材の平面図である。図１２の（ａ）は、多孔部材４２０を示し、図１２の（ｂ）は、メッシュ部材４３０を示す。多孔部材４２０は、碁盤目状に配置された複数の孔４２１からなる。そして、複数の孔４２１の各々は、直径が数十μｍである。
【０１２７】
メッシュ部材４３０は、複数のワイヤー４３１と複数のワイヤー４３２とを網目状に編んだ構造からなる。そして、網目４３３は、１辺の長さが数十μｍの略正方形からなる。
【０１２８】
多孔部材４２０およびメッシュ部材４３０の各々は、外部反応容器２０と配管３０との連結部２３に貫通孔４１０に代えて配設される。
【０１２９】
多孔部材４２０またはメッシュ部材４３０を貫通孔４１０に代えて用いた場合、多孔部材４２０またはメッシュ部材４３０は、貫通孔４１０と同じ機能を果たす。したがって、多孔部材４２０またはメッシュ部材４３０を用いたＧａＮ結晶の製造方法は、貫通孔４１０を用いたＧａＮ結晶の製造方法と同じであり、図４に示すフローチャートからなる。
【０１３０】
実施の形態３によれば、ＧａＮ結晶の結晶成長時には、金属Ｎａ蒸気が金属融液１７０および貫通孔４１０によって空間１３，２１内へ閉じ込められるとともに、窒素ガスが配管３０から空間１３，２１内へ安定して供給されるので、混合融液１８０中の金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を安定化できるとともに、窒素ガスを混合融液１８０中へ安定して供給できる。その結果、高品質で且つサイズの大きいＧａＮ結晶を製造できる。
【０１３１】
なお、多孔部材４２０においては、複数の孔４２１は、ランダムに配置されていてもよい。
【０１３２】
また、金属融液１７０および貫通孔４１０は、「抑制／導入器」を構成する。
【０１３３】
さらに、金属融液１７０および多孔部材４２０は、「抑制／導入器」を構成する。
【０１３４】
さらに、金属融液１７０およびメッシュ部材４３０は、「抑制／導入器」を構成する。
【０１３５】
さらに、貫通孔４１０は、「抑制／導入部材」を構成する。
【０１３６】
さらに、多孔部材４２０は、「抑制／導入部材」を構成する。
【０１３７】
さらに、メッシュ部材４３０は、「抑制／導入部材」を構成する。
【０１３８】
その他は、実施の形態１と同じである。
【０１３９】
［実施の形態４］
図１３は、実施の形態４による結晶成長装置の概略断面図である。図１３を参照して、実施の形態４による結晶成長装置２００は、反応容器２１０と、外部反応容器２２０と、貫通孔２３０と、加熱装置２４０，２５０と、ガス供給管２６０，２７０と、バルブ２８０，２９０，３４０，３５０と、圧力調整器３００と、ガスボンベ３１０と、排気管３２０，３３０と、真空ポンプ３６０と、圧力センサー３７０，３８０とを備える。
【０１４０】
反応容器２１０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなり、略円柱形状を有する。外部反応容器２２０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなり、反応容器２１０と所定の間隔を隔てて反応容器２１０の周囲に配置される。貫通孔２３０は、外部反応容器２２０の底面２１０Ａに設けられ、数十μｍの直径を有する。
【０１４１】
加熱装置２４０は、反応容器２１０と外部反応容器２２０との間に反応容器２１０の外周面２１０Ｂに対向して配置され、加熱装置２５０は、反応容器２１０と外部反応容器２２０との間に反応容器２１０の底面２１０Ａに対向して配置される。
【０１４２】
ガス供給管２６０は、一方端がバルブ２８０を介して反応容器２１０に連結され、他方端が圧力調整器３００を介してガスボンベ３１０に連結される。ガス供給管２７０は、一方端がバルブ２９０を介して外部反応容器２２０に連結され、他方端がガス供給管２６０に連結される。
【０１４３】
バルブ２８０は、反応容器２１０の近傍でガス供給管２６０に装着される。バルブ２９０は、外部反応容器２２０の近傍でガス供給管２７０に装着される。圧力調整器３００は、ガスボンベ３１０の近傍でガス供給管２６０に装着される。ガスボンベ３１０は、ガス供給管２６０に連結される。
【０１４４】
排気管３２０は、一方端がバルブ３４０を介して反応容器２１０に連結され、他方端が真空ポンプ３６０に連結される。排気管３３０は、一方端がバルブ３５０を介して外部反応容器２２０に連結され、他方端が排気管３２０に連結される。バルブ３４０は、反応容器２１０の近傍で排気管３２０に装着される。バルブ３５０は、外部反応容器２２０の近傍で排気管３３０に装着される。真空ポンプ３６０は、排気管３２０に連結される。
【０１４５】
圧力センサー３７０は、反応容器２１０に取り付けられ、圧力センサー３８０は、外部反応容器２２０に取り付けられる。
【０１４６】
反応容器２１０は、金属Ｎａと、金属Ｇａとの混合融液１８０を保持する。そして、貫通孔２３０は、外部反応容器２２０内の空間２２１から反応容器２１０内の空間２１３へ混合融液１８０を介して窒素ガスを導入するとともに、混合融液１８０の表面張力により混合融液１８０を反応容器２１０内に保持する。
【０１４７】
外部反応容器２２０は、反応容器２１０の周囲を覆う。加熱装置２４０は、反応容器２１０を反応容器２１０の外周面２１０Ｂから加熱する。加熱装置２５０は、反応容器２１０を反応容器２１０の底面２１０Ａから加熱する。
【０１４８】
ガス供給管２６０は、ガスボンベ３１０から圧力調整器３００を介して供給された窒素ガスをバルブ２８０を介して反応容器２１０内へ供給する。ガス供給管２７０は、ガスボンベ３１０から圧力調整器３００を介して供給された窒素ガスをバルブ２９０を介して外部反応容器２２０へ供給する。
【０１４９】
バルブ２８０は、ガス供給管２６０内の窒素ガスを反応容器２１０内へ供給し、または窒素ガスの反応容器２１０内への供給を停止する。バルブ２９０は、ガス供給管２７０内の窒素ガスを外部反応容器２２０内へ供給し、または窒素ガスの外部反応容器２２０内への供給を停止する。圧力調整器３００は、ガスボンベ３１０からの窒素ガスを所定の圧力にしてガス供給管２６０，２７０に供給する。
【０１５０】
ガスボンベ３１０は、窒素ガスを保持する。排気管３２０は、反応容器２１０内の気体を真空ポンプ３６０へ通過させる。バルブ３４０は、反応容器２１０内と排気管３２０とを空間的に繋げ、または反応容器２１０内と排気管３２０とを空間的に遮断する。
【０１５１】
排気管３３０は、外部反応容器２２０内の気体を真空ポンプ３６０へ通過させる。バルブ３５０は、外部反応容器２２０内と排気管３３０とを空間的に繋げ、または外部反応容器２２０内と排気管３３０とを空間的に遮断する。
【０１５２】
真空ポンプ３６０は、排気管３２０およびバルブ３４０を介して反応容器２１０内の真空引きを行なうとともに、排気管３３０およびバルブ３５０を介して外部反応容器２２０内の真空引きを行なう。
【０１５３】
圧力センサー３７０は、反応容器２１０内の圧力を検出し、圧力センサー３８０は、外部反応容器２２０内の圧力を検出する。
【０１５４】
結晶成長装置２００を用いてＧａＮ結晶を成長させる場合、グローブボックスを用いてＡｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを反応容器２１０内に入れ、反応容器２１０内の空間２１３および外部反応容器２２０内の空間２２１をＡｒガスで充填した状態で反応容器２１０および外部反応容器２２０を結晶成長装置２００に設定する。
【０１５５】
そして、バルブ３４０，３５０を開け、真空ポンプ３６０によって排気管３２０，３３０を介して反応容器２１０および外部反応容器２２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きした後、バルブ３４０，３５０を閉じ、バルブ２８０，２９０を開けて窒素ガスをガスボンベ３１０からガス供給管２６０，２７０を介して反応容器２１０および外部反応容器２２０内へ充填する。この場合、圧力調整器３００によって反応容器２１０および外部反応容器２２０内の圧力が１気圧程度になるように反応容器２１０および外部反応容器２２０内へ窒素ガスを供給する。
【０１５６】
そして、圧力センサー３７０，３８０によって検出した反応容器２１０および外部反応容器１２０内の圧力が１気圧程度になると、バルブ２８０，２９０を閉じ、バルブ３４０，３５０を開けて真空ポンプ３６０によって反応容器２１０および外部反応容器２２０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３６０によって反応容器２１０および外部反応容器２２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きする。
【０１５７】
そして、この反応容器２１０および外部反応容器２２０内の真空引きと反応容器２１０および外部反応容器２２０への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。
【０１５８】
その後、真空ポンプ３６０によって反応容器２１０および外部反応容器２２０内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ３４０，３５０を閉じ、バルブ２８０，２９０を開けて圧力調整器３００によって反応容器２１０および外部反応容器２２０内の圧力が１０〜５０気圧の範囲になるように反応容器２１０および外部反応容器２２０内へ窒素ガスを充填する。
【０１５９】
そして、圧力センサー３７０，３８０によって検出した圧力が１０〜５０気圧になった時点でバルブ２８０を閉じる。この時点では、反応容器２１０および外部反応容器２２０の温度は室温であるので、反応容器２１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａは、固体である。したがって、バルブ２９０を介して外部反応容器２２０内へ充填された窒素ガスは、貫通孔２３０を介して反応容器２１０内にも拡散し、反応容器２１０内の圧力は、外部反応容器２２０内の圧力と容易に一致する。
【０１６０】
反応容器２１０および外部反応容器２２０への窒素ガスの充填が終了すると、加熱装置２４０，２５０によって反応容器２１０を８００℃に加熱し、その後、数十時間〜数百時間、反応容器２１０の温度を８００℃に保持する。
【０１６１】
反応容器２１０に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａは、反応容器２１０が加熱される過程で融け、反応容器２１０内で混合融液１８０が生成される。そうすると、反応容器２１０内の空間２１３に存在する窒素ガスは、混合融液１８０に接し、バルブ２８０が閉じているため、空間２１３内に閉じ込められる。
【０１６２】
そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、混合融液１８０から金属Ｎａが蒸発し、金属Ｎａ蒸気および窒素ガスが空間２１３内に閉じ込められる。この場合、空間２１３における金属Ｎａ蒸気の圧力は、０．４５気圧である。また、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間２１３内の窒素ガスが消費され、反応容器２１０内の圧力Ｐ３が外部反応容器２２０内の圧力Ｐ４よりも低くなると（Ｐ３＜Ｐ４）、外部反応容器２２０内の空間２２１に存在する窒素ガスは、貫通孔２３０を介して反応容器２１０内へ導入される。
【０１６３】
図１４は、図１３に示す結晶成長装置２００におけるＧａＮ結晶の成長の１つの過程を示す模式図である。空間２２１から貫通孔２３０を介して反応容器２１０内へ導入された窒素ガスは、混合融液１８０を泡１８１となって移動し、空間２１３内へ導入される。これによって、窒素ガスが空間２１３内へ安定的に供給される。
【０１６４】
ＧａＮ結晶の成長時には、貫通孔２３０の温度は８００℃である。しかし、貫通孔２３０は、上述したように、数十μｍの直径を有するので、混合融液１８０が反応容器２１０から流出しないように混合融液１８０の表面張力によって混合融液１８０を反応容器２１０内に保持する。
【０１６５】
このように、反応容器２１０の底面に貫通孔２３０を形成し、混合融液１８０の表面張力によって混合融液１８０を反応容器２１０内に保持することにより、混合融液１８０に接する空間２１３内に窒素ガスおよび金属Ｎａ蒸気を閉じ込めることができる。
【０１６６】
その結果、図１に示す結晶成長装置１００と同じように、高品質、大型、および均一なＧａＮ結晶を実現できる。
【０１６７】
図１５は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態４におけるフローチャートである。図１５を参照して、一連の動作が開始されると、Ａｒガスが充填されたグローブボックス内へ反応容器２１０および外部反応容器２２０を入れる。そして、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを反応容器２１０に入れる（ステップＳ１１）。この場合、金属Ｎａおよび金属Ｇａを５：５のモル比率で反応容器２１０に入れる。
【０１６８】
そして、反応容器２１０および外部反応容器２２０内にＡｒガスを充填した状態で反応容器２１０および外部反応容器２２０を結晶成長装置２００に設定する。
【０１６９】
その後、上述した動作によって、反応容器２１０および外部反応容器２２０内の真空引きと、反応容器２１０および外部反応容器２２０内への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。そして、真空ポンプ３６０によって反応容器２１０および外部反応容器２２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きした後、バルブ３４０，３５０を閉じ、バルブ２８０，２９０を開けて窒素ガスをガスボンベ３１０からガス供給管２６０，２７０を介して反応容器２１０および外部反応容器２２０内へ供給する。そして、圧力調整器３００によって反応容器２１０および外部反応容器２２０内の圧力が１０〜５０気圧になるように反応容器２１０および外部反応容器２２０内へ窒素ガスを充填する（ステップＳ１２）。
【０１７０】
この場合、反応容器２１０内へ入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａは、固体であるので、窒素ガスは、反応容器２１０の貫通孔２３０を介して外部反応容器２２０の空間２２１からも反応容器２１０内の空間２１３へ供給される。そして、圧力センサー３７０，３８０によって検出した空間２１３，２２１内の圧力が１０〜５０気圧になった時点でバルブ２８０が閉じられる。
【０１７１】
その後、加熱装置２４０，２５０によって反応容器２１０を８００℃まで加熱する（ステップＳ１３）。これにより、反応容器２１０内の金属Ｎａおよび金属Ｇａが溶け、混合融液１８０が反応容器２１０内に生成される。そして、混合融液１８０の温度が８００℃になると、混合融液中でＧａＮ結晶が成長し始める。
【０１７２】
なお、反応容器２１０が８００℃に昇温されると、貫通孔２３０も８００℃に昇温されるが、貫通孔２３０は、数十μｍの直径を有するので、混合融液１８０の表面張力によって混合融液１８０を反応容器２１０内に保持する。
【０１７３】
また、ＧａＮ結晶の成長が進行すると、混合融液１８０から金属Ｎａが蒸発し、金属Ｎａ蒸気が空間２１３内に生成される。この場合、金属Ｎａ蒸気の圧力は、８００℃において、約０．４５気圧である。金属Ｎａ蒸気が空間２１３内に生成されても、金属Ｎａ蒸気は、混合融液１８０および反応容器２１０にのみ、接するので、空間２１３から反応容器２１０外へ流出することがない。その結果、混合融液１８０中の金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率は、安定する。
【０１７４】
さらに、ＧａＮ結晶の成長が進行すると、空間２１３内の窒素ガスが消費され、空間２１３内の窒素ガスが減少する。そうすると、空間２１３内の圧力Ｐ３が空間２２１の圧力Ｐ４よりも低くなり（Ｐ３＜Ｐ４）、空間２１３内と空間２２１内との間に差圧が発生し、空間２２１の窒素ガスは、貫通孔２３０および混合融液１８０を介して空間２１３内へ供給される（ステップＳ１４）。
【０１７５】
その後、反応容器２１０の温度が、所定の時間（数十時間〜数百時間）、８００℃に保持される（ステップＳ１５）。これによって、大きなサイズのＧａＮ結晶が成長する。このＧａＮ結晶は、ｃ軸（＜０００１＞）方向に成長した柱状形状を有し、欠陥フリーの結晶である。
【０１７６】
そして、反応容器２１０の温度が降温されて（ステップＳ１６）、ＧａＮ結晶の製造が終了する。
【０１７７】
実施の形態４によれば、ＧａＮ結晶の結晶成長時には、金属Ｎａ蒸気が混合融液１８０および貫通孔２３０によって空間２１３内へ閉じ込められるとともに、窒素ガスが外部反応容器２２０の空間２２１から空間２１３内へ安定して供給されるので、混合融液１８０中の金属Ｎａと金属Ｇａとのモル比率を安定化できるとともに、窒素ガスを混合融液１８０中へ安定して供給できる。その結果、高品質で且つサイズの大きいＧａＮ結晶を製造できる。
【０１７８】
また、結晶成長装置２００を用いた場合には、結晶成長装置１００の配管３０を設ける必要がないので、結晶成長装置２００を単純な構造にできる。
【０１７９】
さらに、結晶成長装置２００においては、混合融液１８０をＧａＮ結晶の原料とするとともに、窒素ガスおよび金属Ｎａ蒸気を反応容器２１０の空間２１３内に閉じ込めるために用いるので、結晶成長装置１００のように混合融液１８０の他に金属融液１７０を必要とせず、結晶成長装置１００に比べ金属Ｎａの量を少なくできる。その結果、低コストなＧａＮ結晶を製造できる。
【０１８０】
なお、実施の形態４においては、図１２に示す多孔部材４２０またはメッシュ部材４３０を貫通孔２３０の代わりに用いてもよい。
【０１８１】
また、混合融液１８０および貫通孔２３０は、「抑制／導入器」を構成する。
【０１８２】
さらに、混合融液１８０および多孔部材４２０は、「抑制／導入器」を構成する。
【０１８３】
さらに、混合融液１８０およびメッシュ部材４３０は、「抑制／導入器」を構成する。
【０１８４】
さらに、圧力調整器３００およびガスボンベ３１０は、「ガス供給装置」を構成する。
【０１８５】
その他は、実施の形態１および実施の形態３と同じである。
【０１８６】
［実施の形態５］
図１６は、実施の形態５による結晶成長装置の概略断面図である。図１６を参照して、実施の形態５による結晶成長装置１００Ｃは、図１に示す結晶成長装置１００の配管３０を配管３０１に代え、金属融液１７０を金属融液１９０に代え、加熱装置６１を追加したものであり、その他は、結晶成長装置１００と同じである。
【０１８７】
結晶成長装置１００Ｃにおいては、抑制／導入栓４０は、配管３０１内に設置され、ガス供給管８０は、配管３０１の空間３０２に連結される。
【０１８８】
配管３０１は、略Ｌ字形状からなり、反応容器１０の蓋部１２の近傍で外部反応容器２０に連結される。金属融液１９０は、金属Ｎａ融液からなり、外部反応容器２０内の空間２１に連通する配管３０１内の空間３０３に抑制／導入栓４０によって保持される。
【０１８９】
加熱装置６１は、配管３０１に対向して配置され、金属融液１９０と空間３０３との気液界面６を８００℃に加熱する。この場合、抑制／導入栓４０の温度は、金属融液１９０が実質的に蒸発しない温度に設定される。
【０１９０】
結晶成長装置１００Ｃを用いてＧａＮ結晶を成長させる場合、グローブボックスを用いてＡｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを反応容器１０内に入れ、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを配管３０１の空間３０３に入れる。そして、反応容器１０内の空間１３、外部反応容器２０内の空間２１および配管３０１内の空間３０２，３０３をＡｒガスで充填した状態で反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１を結晶成長装置１００Ｃに設定する。
【０１９１】
そして、実施の形態１において説明した方法によって、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内の真空引きと、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内への窒素ガスの充填とを数回繰り返す。
【０１９２】
その後、真空ポンプ１５０によって反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１４０を閉じ、バルブ９０，９１を開けて圧力調整器１１０によって反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内の圧力が１０〜５０気圧の範囲になるように反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１へ窒素ガスを充填する。
【０１９３】
そして、圧力センサー１６０によって検出した圧力が１０〜５０気圧になった時点でバルブ９０を閉じる。この時点では、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１の温度は室温であるので、配管３０１内の金属Ｎａは、固体である。したがって、配管３０１の空間３０２へ供給された窒素ガスは、抑制／導入栓４０と配管３０１の内壁３０Ａとの空隙４３を介して（３０を３０１として図３参照）外部反応容器２０および反応容器１０内にも拡散し、空間１３，２１，３０２，３０３の圧力は、容易に一致する。
【０１９４】
反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１への窒素ガスの充填が終了すると、加熱装置５０，６０によって反応容器１０および外部反応容器２０を８００℃に加熱するとともに、加熱装置６１によって気液界面６を８００℃に加熱し、その後、数十時間〜数百時間、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面６の温度を８００℃に保持する。
【０１９５】
反応容器１０に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａは、反応容器１０が加熱される過程で融け、反応容器１０内で混合融液１８０が生成される。また、配管３０１内の金属Ｎａは、配管３０１が加熱される過程で融け、金属融液１９０が配管３０１内で生成される。そうすると、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内の窒素ガスは、バルブ９０，１４０が閉じており、金属融液１９０を通過できないため、空間１３，２１，３０３内に閉じ込められる。
【０１９６】
そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、混合融液１８０および金属融液１９０から金属Ｎａが蒸発し、金属Ｎａ蒸気および窒素ガスが空間１３，２１，３０３内に閉じ込められる。この場合、空間１３，２１，３０３における金属Ｎａ蒸気の圧力は、０．４５気圧である。また、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間１３内の窒素ガスが消費され、反応容器１０内の圧力Ｐ１が配管３０１の空間３０２内の圧力Ｐ５よりも低くなると（Ｐ１＜Ｐ５）、配管３０１の空間３０２内に存在する窒素ガスは、抑制／導入栓４０および金属融液１９０を介して空間１３，２１，３０３内へ導入される。
【０１９７】
その結果、図１に示す結晶成長装置１００と同じように、高品質、大型、および均一なＧａＮ結晶を実現できる。
【０１９８】
なお、結晶成長装置１００Ｃを用いてＧａＮ結晶を製造する製造方法は、図４に示すフローチャートと同じフローチャートからなる。この場合、ステップＳ２において、金属Ｎａは、Ａｒガス雰囲気中で配管３０１の空間３０３内に入れられる。また、ステップＳ３において、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内へ窒素ガスが所定の圧力（１０〜５０気圧）まで充填される。さらに、ステップＳ４において、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面６が８００℃に加熱され、ステップＳ６において、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面６の温度が８００℃に保持され、ステップＳ７において、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１の温度が降温される。
【０１９９】
また、結晶成長装置１００Ｃにおいては、空間３０３と金属融液１９０との気液界面６または気液界面６付近における温度Ｔ６が気液界面５または気液界面５付近における温度Ｔ２以上に設定されてＧａＮ結晶の製造が行なわれる。温度Ｔ６が温度Ｔ２以上に設定されるのは、実施の形態１において温度Ｔ１が温度Ｔ２以上に設定される理由と同じである。
【０２００】
さらに、結晶成長装置１００Ｃにおいては、加熱装置６１は、配管３０１内の金属Ｎａが液体になり、気液界面６が８００℃よりも低い温度になるように配管３０１を加熱するようにしてもよい。
【０２０１】
さらに、結晶成長装置１００Ｃにおいては、抑制／導入栓４０に代えて抑制／導入栓４００を用いてもよい。
【０２０２】
図１７は、実施の形態５による結晶成長装置の他の概略断面図である。実施の形態５による結晶成長装置は、図１７に示す結晶成長装置１００Ｄであってもよい。図１７を参照して、結晶成長装置１００Ｄは、図１６に示す結晶成長装置１００Ｃの配管３０１を配管３０４に代え、加熱装置６１を加熱装置６２に代えたものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｃと同じである。
【０２０３】
結晶成長装置１００Ｄにおいては、抑制／導入栓４０は、配管３０４内に設置され、ガス供給管８０は、配管３０４の空間３０５に連結される。
【０２０４】
配管３０４は、直線形状からなり、反応容器１０の蓋部１２の近傍で外部反応容器２０に連結される。金属融液１９１は、金属Ｎａ融液からなり、外部反応容器２０内の空間２１に連通する配管３０４内の空間３０６に抑制／導入栓４０によって保持される。
【０２０５】
加熱装置６２は、配管３０４に対向して配置され、金属融液１９１と空間３０６との気液界面７を８００℃に加熱する。この場合、抑制／導入栓４０の温度は、金属融液１９１が実質的に蒸発しない温度に設定される。
【０２０６】
結晶成長装置１００Ｄを用いてＧａＮ結晶を成長させる場合、グローブボックスを用いてＡｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを反応容器１０内に入れ、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを配管３０４の空間３０６に入れる。そして、反応容器１０内の空間１３、外部反応容器２０内の空間２１および配管３０４内の空間３０５，３０６をＡｒガスで充填した状態で反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４を結晶成長装置１００Ｄに設定する。
【０２０７】
そして、実施の形態１において説明した方法によって、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内の真空引きと、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内への窒素ガスの充填とを数回繰り返す。
【０２０８】
その後、真空ポンプ１５０によって反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１４０を閉じ、バルブ９０，９１を開けて圧力調整器１１０によって反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内の圧力が１０〜５０気圧の範囲になるように反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４へ窒素ガスを充填する。
【０２０９】
そして、圧力センサー１６０によって検出した圧力が１０〜５０気圧になった時点でバルブ９０を閉じる。この時点では、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４の温度は室温であるので、配管３０４内の金属Ｎａは、固体である。したがって、配管３０４の空間３０５へ供給された窒素ガスは、抑制／導入栓４０と配管３０４の内壁との空隙を介して外部反応容器２０および反応容器１０内にも拡散し、空間１３，２１，３０５，３０６の圧力は、容易に一致する。
【０２１０】
反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４への窒素ガスの充填が終了すると、加熱装置５０，６０によって反応容器１０および外部反応容器２０を８００℃に加熱するとともに、加熱装置６２によって気液界面７を８００℃に加熱し、その後、数十時間〜数百時間、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面７の温度を８００℃に保持する。
【０２１１】
反応容器１０に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａは、反応容器１０が加熱される過程で融け、反応容器１０内で混合融液１８０が生成される。また、配管３０４内の金属Ｎａは、配管３０４が加熱される過程で融け、金属融液１９１が配管３０４内で生成される。そうすると、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内の窒素ガスは、バルブ９０，１４０が閉じており、金属融液１９１を通過できないため、空間１３，２１，３０６内に閉じ込められる。
【０２１２】
そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、混合融液１８０および金属融液１９１から金属Ｎａが蒸発し、金属Ｎａ蒸気および窒素ガスが空間１３，２１，３０６内に閉じ込められる。この場合、空間１３，２１，３０６における金属Ｎａ蒸気の圧力は、０．４５気圧である。また、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間１３内の窒素ガスが消費され、反応容器１０内の圧力Ｐ１が配管３０４の空間３０５内の圧力Ｐ６よりも低くなると（Ｐ１＜Ｐ６）、配管３０４の空間３０５内に存在する窒素ガスは、抑制／導入栓４０および金属融液１９１を介して空間１３，２１，３０６内へ導入される。
【０２１３】
その結果、図１に示す結晶成長装置１００と同じように、高品質、大型、および均一なＧａＮ結晶を実現できる。
【０２１４】
なお、結晶成長装置１００Ｄを用いてＧａＮ結晶を製造する製造方法は、図４に示すフローチャートと同じフローチャートからなる。この場合、ステップＳ２において、金属Ｎａは、Ａｒガス雰囲気中で配管３０４の空間３０６内に入れられる。また、ステップＳ３において、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内へ窒素ガスが所定の圧力（１０〜５０気圧）まで充填される。さらに、ステップＳ４において、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面７が８００℃に加熱され、ステップＳ６において、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面７の温度が８００℃に保持され、ステップＳ７において、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４の温度が降温される。
【０２１５】
また、結晶成長装置１００Ｄにおいては、空間３０６と金属融液１９１との気液界面７または気液界面７付近における温度Ｔ７が気液界面５または気液界面５付近における温度Ｔ２以上に設定されてＧａＮ結晶の製造が行なわれる。温度Ｔ７が温度Ｔ２以上に設定されるのは、実施の形態１において温度Ｔ１が温度Ｔ２以上に設定される理由と同じである。
【０２１６】
さらに、結晶成長装置１００Ｄにおいては、加熱装置６２は、配管３０４内の金属Ｎａが液体になり、気液界面７が８００℃よりも低い温度になるように配管３０４を加熱するようにしてもよい。
【０２１７】
さらに、結晶成長装置１００Ｄにおいては、抑制／導入栓４０に代えて抑制／導入栓４００を用いてもよい。
【０２１８】
さらに、結晶成長装置１００Ｄにおいては、金属融液１９１が抑制／導入栓４０，４００の空間３０６側の端面の全面に接するように、抑制／導入栓４０，４００が設置される配管３０４の一部分を配管３０４の他の部分よりも細くしてもよい。
【０２１９】
図１８は、実施の形態５による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。実施の形態５による結晶成長装置は、図１８に示す結晶成長装置１００Ｅであってもよい。図１８を参照して、結晶成長装置１００Ｅは、図１６に示す結晶成長装置１００Ｃから金属融液１９０を削除したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｃと同じである。
【０２２０】
結晶成長装置１００Ｅにおいては、加熱装置６１は、加熱装置５０，６０によって反応容器１０および外部反応容器２０が８００℃に加熱された後に配管３０１内の一部の領域３０７を８００℃に加熱する。
【０２２１】
図１９は、図１８に示す反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１の一部の領域３０７の温度変化を示す図である。図１９において、曲線ｋ１は、反応容器１０および外部反応容器２０の温度変化を示し、図５に示す温度変化と同じである。また、曲線ｋ２は、配管３０１の一部の領域３０７の温度変化を示す。
【０２２２】
図１９を参照して、加熱装置６１は、加熱装置５０，６０によって反応容器１０および外部反応容器２０が８００℃に加熱されるタイミングｔ２になると、配管３０１の一部の領域３０７を加熱し始め、タイミングｔ３で配管３０１の一部の領域３０７を８００℃に加熱する。そして、加熱装置６１は、タイミングｔ３以降、配管３０１の一部の領域３０７を８００℃に保持する（曲線ｋ２参照）。
【０２２３】
反応容器１０および外部反応容器２０が８００℃に加熱され、混合融液１８０の温度が８００℃になると、タイミングｔ２以降、混合融液１８０中でＧａＮ結晶の成長が開始されるとともに、金属Ｎａが混合融液１８０から蒸発し始める。そうすると、反応容器１０内における金属Ｎａ蒸気が増加し、空間１３内の金属Ｎａ蒸気は、本体部１１と蓋部１２との空隙を介して空間２１，３０３へ拡散する。
【０２２４】
この場合、加熱装置６１は、配管３０１を加熱していないため、抑制／導入栓４０の温度は室温である。したがって、空間３０３内へ拡散した金属Ｎａ蒸気は、配管３０１内で冷却され、図１６に示す金属融液１９０のように金属融液もしくは固体となって抑制／導入栓４０上に溜まる。そして、空間１３から空間３０３への金属Ｎａ蒸気の拡散は、空間１３，２１，３０３において金属Ｎａ蒸気が平衡状態になるまで継続される。つまり、空間１３から空間３０３への金属Ｎａ蒸気の拡散は、気液界面５における温度Ｔ２と気液界面６における温度Ｔ６とが略一致するまで、すなわち、気液界面６における温度Ｔ６が気液界面５における温度Ｔ２に一致するタイミングｔ３まで継続される。
【０２２５】
そして、タイミングｔ３以降、空間１３，２１，３０３内における金属Ｎａ蒸気が平衡状態に達すると、混合融液１８０からの金属Ｎａの蒸発が抑制され、混合融液１８０中で大きなＧａＮ結晶が成長する。
【０２２６】
結晶成長装置１００Ｅを用いてＧａＮ結晶を成長させる場合、グローブボックスを用いてＡｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを反応容器１０内に入れる。そして、反応容器１０内の空間１３、外部反応容器２０内の空間２１および配管３０１内の空間３０２，３０３をＡｒガスで充填した状態で反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１を結晶成長装置１００Ｅに設定する。
【０２２７】
そして、実施の形態１において説明した方法によって、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内の真空引きと、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内への窒素ガスの充填とを数回繰り返す。
【０２２８】
その後、真空ポンプ１５０によって反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１４０を閉じ、バルブ９０，９１を開けて圧力調整器１１０によって反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内の圧力が１０〜５０気圧の範囲になるように反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１へ窒素ガスを充填する。
【０２２９】
反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１への窒素ガスの充填が終了すると、加熱装置５０，６０によって反応容器１０および外部反応容器２０を８００℃に加熱し、反応容器１０および外部反応容器２０が８００℃に加熱されると、加熱装置６１によって配管３０１の一部の領域３０７を８００℃に加熱し、その後、数十時間〜数百時間、反応容器１０、外部反応容器２０および一部の領域３０７の温度を８００℃に保持する。
【０２３０】
反応容器１０に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａは、反応容器１０が加熱される過程で融け、反応容器１０内で混合融液１８０が生成される。そして、混合融液１８０から金属Ｎａが蒸発し、金属Ｎａ蒸気が空間１３、空間２１および空間３０３へ拡散する。
【０２３１】
そうすると、空間３０３内へ拡散した金属Ｎａ蒸気は、上述したように、金属融液１９０となって抑制／導入栓４０上に溜まる。その後、配管３０１内の気液界面６が８００℃になると、空間１３，２１，３０３における金属Ｎａ蒸気が平衡状態になり、金属Ｎａ蒸気の空間１３から空間３０３への拡散が停止される。
【０２３２】
そうすると、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内の窒素ガスは、バルブ９０，１４０が閉じており、金属融液１９０を通過できないため、空間１３，２１，３０３内に閉じ込められる。
【０２３３】
そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、混合融液１８０および金属融液１９０から金属Ｎａが蒸発し、金属Ｎａ蒸気および窒素ガスが空間１３，２１，３０３内に閉じ込められる。この場合、空間１３，２１，３０３における金属Ｎａ蒸気の圧力は、０．４５気圧である。また、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間１３内の窒素ガスが消費され、反応容器１０内の圧力Ｐ１が配管３０１の空間３０３内の圧力Ｐ５よりも低くなると（Ｐ１＜Ｐ５）、配管３０１の空間３０２内に存在する窒素ガスは、抑制／導入栓４０および金属融液１９０を介して空間１３，２１，３０３内へ導入される。
【０２３４】
その結果、図１に示す結晶成長装置１００と同じように、高品質、大型、および均一なＧａＮ結晶を実現できる。
【０２３５】
なお、結晶成長装置１００Ｅを用いてＧａＮ結晶を製造する製造方法は、図４に示すフローチャートからステップＳ２を削除したフローチャートからなる。この場合、ステップＳ３において、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１内へ窒素ガスが所定の圧力（１０〜５０気圧）まで充填される。また、ステップＳ４において、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面６が８００℃に加熱され、ステップＳ６において、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面６の温度が８００℃に保持され、ステップＳ７において、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０１の温度が降温される。
【０２３６】
その他は、結晶成長装置１００Ｃと同じである。
【０２３７】
図２０は、実施の形態５による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。実施の形態５による結晶成長装置は、図２０に示す結晶成長装置１００Ｆであってもよい。図２０を参照して、結晶成長装置１００Ｆは、図１７に示す結晶成長装置１００Ｄから金属融液１９１を削除したものであり、その他は、結晶成長装置１００Ｄと同じである。
【０２３８】
結晶成長装置１００Ｆにおいては、加熱装置６２は、加熱装置５０，６０によって反応容器１０および外部反応容器２０が８００℃に加熱された後に配管３０４内の一部の領域３０８を８００℃に加熱する。この場合、加熱装置６２は、図１９に示す曲線ｋ２に従って一部の領域３０８を８００℃に加熱する。
【０２３９】
結晶成長装置１００Ｆを用いてＧａＮ結晶を成長させる場合、グローブボックスを用いてＡｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを反応容器１０内に入れる。そして、反応容器１０内の空間１３、外部反応容器２０内の空間２１および配管３０４内の空間３０５，３０６をＡｒガスで充填した状態で反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４を結晶成長装置１００Ｆに設定する。
【０２４０】
そして、実施の形態１において説明した方法によって、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内の真空引きと、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内への窒素ガスの充填とを数回繰り返す。
【０２４１】
その後、真空ポンプ１５０によって反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１４０を閉じ、バルブ９０，９１を開けて圧力調整器１１０によって反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内の圧力が１０〜５０気圧の範囲になるように反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４へ窒素ガスを充填する。
【０２４２】
反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４への窒素ガスの充填が終了すると、加熱装置５０，６０によって反応容器１０および外部反応容器２０を８００℃に加熱し、反応容器１０および外部反応容器２０が８００℃に加熱されると、加熱装置６２によって配管３０４の一部の領域３０８を８００℃に加熱し、その後、数十時間〜数百時間、反応容器１０、外部反応容器２０および一部の領域３０８の温度を８００℃に保持する。
【０２４３】
反応容器１０に入れられた金属Ｎａおよび金属Ｇａは、反応容器１０が加熱される過程で融け、反応容器１０内で混合融液１８０が生成される。そして、混合融液１８０から金属Ｎａが蒸発し、金属Ｎａ蒸気が空間１３、空間２１および空間３０６へ拡散する。
【０２４４】
そうすると、空間３０６内へ拡散した金属Ｎａ蒸気は、上述したように、金属融液１９１となって、図１７に示すように抑制／導入栓４０に接して空間３０６内に溜まる。その後、配管３０４内の気液界面７が８００℃になると、空間１３，２１，３０６における金属Ｎａ蒸気が平衡状態になり、金属Ｎａ蒸気の空間１３から空間３０６への拡散が停止される。
【０２４５】
そうすると、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内の窒素ガスは、バルブ９０，１４０が閉じており、金属融液１９１を通過できないため、空間１３，２１，３０６内に閉じ込められる。
【０２４６】
そして、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、混合融液１８０および金属融液１９１から金属Ｎａが蒸発し、金属Ｎａ蒸気および窒素ガスが空間１３，２１，３０６内に閉じ込められる。この場合、空間１３，２１，３０６における金属Ｎａ蒸気の圧力は、０．４５気圧である。また、ＧａＮ結晶の成長が進行するに伴って、空間１３内の窒素ガスが消費され、反応容器１０内の圧力Ｐ１が配管３０４の空間３０６内の圧力Ｐ６よりも低くなると（Ｐ１＜Ｐ６）、配管３０４の空間３０５内に存在する窒素ガスは、抑制／導入栓４０および金属融液１９１を介して空間１３，２１，３０６内へ導入される。
【０２４７】
その結果、図１に示す結晶成長装置１００と同じように、高品質、大型、および均一なＧａＮ結晶を実現できる。
【０２４８】
なお、結晶成長装置１００Ｆを用いてＧａＮ結晶を製造する製造方法は、図４に示すフローチャートからステップＳ２を削除したフローチャートからなる。この場合、ステップＳ３において、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４内へ窒素ガスが所定の圧力（１０〜５０気圧）まで充填される。また、ステップＳ４において、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面７が８００℃に加熱され、ステップＳ６において、反応容器１０、外部反応容器２０および気液界面７の温度が８００℃に保持され、ステップＳ７において、反応容器１０、外部反応容器２０および配管３０４の温度が降温される。
【０２４９】
その他は、結晶成長装置１００Ｄと同じである。
【０２５０】
図２１は、抑制／導入栓の他の斜視図である。図２１を参照して、抑制／導入栓４４０は、複数の貫通孔４４２が形成された栓４４１からなる。複数の貫通孔４４２は、栓４４１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。そして、複数の貫通孔４４２の各々は、数十μｍの直径を有する（図２１の（ａ）参照）。
【０２５１】
なお、抑制／導入栓４４０においては、貫通孔４４２は、少なくとも１個形成されていればよい。
【０２５２】
また、抑制／導入栓４５０は、複数の貫通孔４５２が形成された栓４５１からなる。複数の貫通孔４５２は、栓４５１の長さ方向ＤＲ２に沿って形成される。そして、複数の貫通孔４５２の各々は、長さ方向ＤＲ２へ複数段に変化された直径ｒ１，ｒ２，ｒ３を有する。直径ｒ１，ｒ２，ｒ３の各々は、金属融液１７０を表面張力により保持可能な範囲で決定され、たとえば、数μｍ〜数十μｍの範囲で決定される（図２１の（ａ）参照）。
【０２５３】
なお、抑制／導入栓４５０においては、貫通孔４５２は、少なくとも１個形成されていればよい。また、貫通孔４５２の直径は、少なくとも２個に変化されればよい。さらに、貫通孔４５２の直径は、長さ方向ＤＲ２へ連続的に変えられてもよい。
【０２５４】
抑制／導入栓４４０または４５０は、結晶成長装置１００，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆの抑制／導入栓４０または結晶成長装置１００Ａの抑制／導入栓４００に代えて用いられる。
【０２５５】
特に、抑制／導入栓４５０が抑制／導入栓４０，４００に代えて用いられた場合、結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆにおいて、抑制／導入栓４５０の温度制御を精密に行なわなくても、複数段に変えられた直径のいずれかによって金属融液１７０，１９０，１９１を表面張力により保持できるので、抑制／導入栓４５０の温度制御を精密に行なわなくても、大きさサイズを有するＧａＮ結晶を製造できる。
【０２５６】
抑制／導入栓４４０または４５０が用いられる場合、抑制／導入栓４４０および金属融液１７０，１９０，１９１は、「抑制／導入器」を構成し、抑制／導入栓４５０および金属融液１７０，１９０，１９１は、「抑制／導入器」を構成する。また、抑制／導入栓４４０，４５０の各々は、「抑制／導入部材」を構成する。
【０２５７】
図２２は、抑制／導入栓のさらに他の斜視図である。図２２を参照して、抑制／導入栓４６０は、栓４６１と、複数の凸部４６２とを含む。栓４６１は、球形状からなる。複数の凸部４６２は、栓４６１の表面４６１Ａにランダムに形成される。
【０２５８】
複数の凸部４６２は、数十μｍの間隔で形成される。また、凸部４６２は、数十μｍの高さを有する。抑制／導入栓４６０の複数の凸部４６２は、配管３０の内壁３０Ａに接する。これにより、抑制／導入栓４６０は、抑制／導入栓４０と同じように配管３０の内壁３０Ａに嵌合する。
【０２５９】
凸部４６２が数十μｍの高さを有し、数十μｍの間隔で栓４６１の表面４６１Ａに配置される結果、抑制／導入栓４６０が配管３０の内壁３０Ａに嵌合した状態では、抑制／導入栓４６０と配管３０の内壁３０Ａとの間に、直径が略数十μｍである空隙が複数個形成される。
【０２６０】
この空隙は、配管３０の空間３１から外部反応容器２０の空間２１へ窒素ガスを通過させるとともに、金属融液１７０を金属融液１７０の表面張力によって保持し、金属融液１７０が配管３０の空間３１へ通過するのを阻止する。
【０２６１】
なお、抑制／導入栓４６０は、結晶成長装置１００，１００Ａ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆの抑制／導入栓４０，４００に代えて用いられる。
【０２６２】
また、抑制／導入栓４６０においては、凸部４６２は設けられていなくてもよい。この場合、栓４６１の表面４６１Ａと配管３０，３０１，４０３の内壁との間の間隙が数十μｍになるように抑制／導入栓４６０が配置される。
【０２６３】
抑制／導入栓４６０が用いられる場合、抑制／導入栓４６０および金属融液１７０，１９０，１９１は、「抑制／導入器」を構成し、抑制／導入栓４６０は、「抑制／導入部材」を構成する。
【０２６４】
図２３は、抑制／導入栓のさらに他の斜視図である。図２３を参照して、抑制／導入栓４７０は、本体部４７１と、溝４７２とからなる。本体部４７１は、略直方体からなる。溝４７２は、本体部４７１の一主面４７１Ａに直線状に設けられる。そして、溝４７２は、半円形の断面形状を有する。この場合、溝４７２の直径は、たとえば、数十μｍであり、一般的には、金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を保持可能な値からなる。
【０２６５】
図２４および図２５は、それぞれ、図２３に示す抑制／導入栓４７０の配置状態を示す第１および第２の概略断面図である。図２４は、抑制／導入栓４７０の溝４７２が延びる方向から見た概略断面図を示し、図２５は、抑制／導入栓４７０の溝４７２が延びる方向と直交する方向から見た概略断面図を示す。
【０２６６】
図２４および図２５を参照して、図２３に示す抑制／導入栓４７０は、抑制／導入栓４０に代えて結晶成長装置１００に用いられる。この場合、外部反応容器２０は、配管３０との連結部に貫通孔４８０を有する。そして、貫通孔４８０は、溝４７２の直径よりも大きく、金属融液１７０を表面張力によって保持できない直径を有する。
【０２６７】
抑制／導入栓４７０は、外部反応容器２０の貫通孔４８０を覆い、かつ、溝４７２が貫通孔４８０上に位置するように外部反応容器２０の内面に設置される。
【０２６８】
そうすると、金属融液１７０が反応容器１０と外部反応容器２０との間に保持された場合、溝４７２の端面４７２Ａ，４７２Ｂは、金属融液１７０に接し、抑制／導入栓４７０は、金属融液１７０の表面張力によって金属融液１７０を保持する。その結果、金属融液１７０が溝４７２および貫通孔４８０を介して配管３０の空間３１内へ流入することがない。
【０２６９】
一方、反応容器１０内の空間１３の圧力が配管３０の空間３１内の圧力よりも低くなると、空間３１内の窒素ガスは、貫通孔４８０および溝４７２を介して金属融液１７０中へ導入され、金属融液１７０中を泡１７１となって移動し（図７参照）、空間２１，１３へ導入される。
【０２７０】
このように、抑制／導入栓４７０は、金属融液１７０を表面張力によって保持するとともに、配管３０内の窒素ガスを金属融液１７０を介して空間２１，１３へ導入する。
【０２７１】
図２６は、図２３に示す抑制／導入栓４７０の変形例を示す斜視図である。図２６を参照して、抑制／導入栓４９０は、図２３に示す抑制／導入栓４７０に溝４７３を追加したものであり、その他は、抑制／導入栓４７０と同じである。
【０２７２】
溝４７３は、溝４７２に直交するように一主面４７１Ａに直線状に設けられる。そして、溝４７３は、半円形の断面形状を有する。この場合、溝４７３の直径は、たとえば、数十μｍであり、一般的には、表面張力によって金属融液１７０を保持可能な値からなる。
【０２７３】
抑制／導入栓４９０は、抑制／導入栓４７０と同じ方法によって結晶成長装置１００の外部反応容器２０と配管３０との連結部に配置される。
【０２７４】
なお、抑制／導入栓４９０においては、溝４７２，４７３は、相互に異なる直径を有していてもよく、９０度以外の角度で相互に交わっていてもよい。また、溝４７２，４７３は、三角形、四角形、および五角形等の多角形の断面形状を有していてもよい。また、溝４７２，４７３は、直線状でなく曲線であってもよい。
【０２７５】
抑制／導入栓４７０，４９０は、抑制／導入栓４００に代えて結晶成長装置１００Ａに用いられてもよい。
【０２７６】
抑制／導入栓４７０，４９０が結晶成長装置１００，１００Ａに用いられる場合、抑制／導入栓４７０および金属融液１７０は、「抑制／導入器」を構成し、抑制／導入栓４９０および金属融液１７０は、「抑制／導入器」を構成し、抑制／導入栓４７０または４９０は、「抑制／導入部材」を構成する。
【０２７７】
なお、上述した実施の形態１から実施の形態５においては、結晶成長温度は、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、６００℃以上であればよい。また、窒素ガス圧力も数気圧以上の加圧状態の本結晶成長方法で成長可能な圧力であればよい。すなわち、上限も本実施の形態の５０気圧に限定されるものではなく、５０気圧以上の圧力であってもよい。
【０２７８】
また、上記においては、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを反応容器１０，２１０に入れ、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを反応容器１０，２１０および外部反応容器２０，２２０間または配管３０１，３０４内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を反応容器１０，２１０に入れ、金属Ｎａを反応容器１０，２１０および外部反応容器２０，２２０間または配管３０１，３０４内に入れてもよく、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を反応容器１０，２１０に入れ、金属Ｎａを反応容器１０，２１０および外部反応容器２０，２２０間または配管３０１，３０４内に入れればよい。そして、この場合、不活性ガスまたは窒素ガスは、水分量が１０ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素量が１０ｐｐｍ以下である。
【０２７９】
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１８０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。
【０２８０】
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。
【０２８１】
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。
【０２８２】
したがって、この発明による結晶成長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。
【０２８３】
そして、この発明による結晶成長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。
【０２８４】
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】
【０２８５】
この発明は、アルカリ金属の外部への蒸発を抑制してＩＩＩ族窒化物結晶を結晶成長する結晶成長装置に適用される。また、この発明は、アルカリ金属の外部への蒸発を抑制してＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０２８６】
【図１】この発明の実施の形態１による結晶成長装置の概略断面図である。
【図２】図１に示す抑制／導入栓の斜視図である。
【図３】抑制／導入栓の配管への取付状態を示す平面図である。
【図４】ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。
【図５】反応容器および外部反応容器の温度のタイミングチャートである。
【図６】図５に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における反応容器および外部反応容器内の状態を示す模式図である。
【図７】図４に示すステップＳ５における反応容器および外部反応容器内の状態を示す模式図である。
【図８】実施の形態２による結晶成長装置の概略断面図である。
【図９】図８に示す抑制／導入栓の斜視図である。
【図１０】図８に示す抑制／導入栓の固定方法を説明するための断面図である。
【図１１】実施の形態３による結晶成長装置の概略断面図である。
【図１２】図１１に示す貫通孔に代わる部材の平面図である。
【図１３】実施の形態４による結晶成長装置の概略断面図である。
【図１４】図１３に示す結晶成長装置におけるＧａＮ結晶の成長の１つの過程を示す模式図である。
【図１５】ＧａＮ結晶の製造方法を説明するための実施の形態４におけるフローチャートである。
【図１６】実施の形態５による結晶成長装置の概略断面図である。
【図１７】実施の形態５による結晶成長装置の他の概略断面図である。
【図１８】実施の形態５による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。
【図１９】図１８に示す反応容器、外部反応容器および配管の一部の領域の温度変化を示す図である。
【図２０】実施の形態５による結晶成長装置のさらに他の概略断面図である。
【図２１】抑制／導入栓の他の斜視図である。
【図２２】抑制／導入栓のさらに他の斜視図である。
【図２３】抑制／導入栓のさらに他の斜視図である。
【図２４】図２３に示す抑制／導入栓の配置状態を示す第１の概略断面図である。
【図２５】図２３に示す抑制／導入栓の配置状態を示す第２の概略断面図である。
【図２６】図２３に示す抑制／導入栓の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０２８７】
１，２  気液界面、３  窒素ガス、４  金属Ｎａ蒸気、１０，２１０  反応容器、１１，４７１  本体部、１２  蓋部、１３，２１，２１３，２２１  空間、２０，２２０  外部反応容器、２０Ａ  外周面、２０Ｂ，２１０Ａ  底面、３０  配管、３０Ａ  内壁、４０，４００，３１０，４２０，４４０，４５０，４６０，４７０，４９０  抑制／導入栓、４１，４０１，４１１，４２１，４４１，４５１，４６１  栓、４２，４０２，４６２  凸部、４３  空隙、５０，６０，２３０，２４０  加熱装置、７０，８０，２６０，２７０  ガス供給管、９０，９１，１４０，２８０，２９０，３４０，３５０  バルブ、１００，１００Ａ，１００Ｂ，２００  結晶成長装置、１１０，３００  圧力調整器、１２０，３１０  ガスボンベ、１３０，３２０，３３０  排気管、１５０，３６０  真空ポンプ、１６０，３７０，３８０  圧力センサー、１７０  金属融液、１８０  混合融液、１７１，１８１  泡、２１０Ｂ，４０１Ａ  外周面、２３０，４１２，４２２，４４２，４５２，４８０  貫通孔、４０３，４０４  支持部材、４２０  多孔部材、４２１  孔、４３０  メッシュ部材、４３１，４３２  ワイヤー、４３３  網目、４６１Ａ  表面、４７１Ａ  一主面、４７２，４７３  溝。
【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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