(57)【要約】【課題】水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を提供する。【解決手段】容器３１０は、略Ｕ字形状の断面形状からなり、ガス発生部３１１，３１２を有する。電解液３２０は、１モル／Ｌの塩酸（ＨＣｌ）水溶液からなり、容器３１０に入れられる。陽極電極３３０は、ガス発生部３１１に配置され、電解液３２０に浸漬される。そして、陽極電極３３０は、坩堝１０と、複数のＧａＮ結晶６とからなる。坩堝１０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなる。陰極電極３４０は、ガス発生部３１２に配置され、電解液３２０に浸漬される。そして、陰極電極３４０は、白金（Ｐｔ）からなる。太陽電池３７０は、リード線３５０，３６０を介して直流電圧を陽極電極３３０と陰極電極３４０との間に印加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液と、
前記電解液に浸漬されたＩＩＩ族窒化物結晶を有する陽極電極と、
前記電解液に浸漬された陰極電極と、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電流を流す電流源とを備えるガス発生装置。
【請求項２】
前記陽極電極は、
坩堝と、
前記坩堝の内部に形成された前記ＩＩＩ族窒化物結晶とを含む、請求項１に記載のガス発生装置。
【請求項３】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶は、前記坩堝の壁面および／または底面に形成された複数のＩＩＩ族窒化物結晶からなる、請求項２に記載のガス発生装置。
【請求項４】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶の伝導帯端は、前記電解液中の水素イオンのエネルギーレベルよりも高く、前記ＩＩＩ族窒化物結晶の価電子帯端は、前記電解液中の水のエネルギーレベルよりも高い、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス発生装置。
【請求項５】
前記電流源は、太陽電池からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガス発生装置。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物結晶は、窒化ガリウム結晶からなり、
前記陰極電極は、白金からなり、
前記電解液は、塩酸を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス発生装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス発生装置と、
燃料電池と、
前記陰極電極で発生した水素ガスを前記燃料電池へ供給するガス供給管とを備える燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガス供給管は、さらに、陽極電極で発生した酸素ガスを前記燃料電池へ供給する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の燃料電池システムを備える自動車。
【請求項１０】
請求項７または請求項８に記載の燃料電池システムを備える電気機器。
【請求項１１】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス発生装置と、
前記ガス発生装置が発生した酸素ガスを操作者の周囲の空間に放出する電気機器とを備える電気機器システム。
【請求項１２】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス発生装置と、
前記ガス発生装置が発生した酸素ガスを車室内に供給するガス供給器とを備える自動車。
【請求項１３】
リチウムを含む金属融液と、
前記金属融液に浸漬または接触された窒化ガリウム結晶と備えるガス発生装置。
【請求項１４】
前記窒化ガリウム結晶は、坩堝形状からなり、
前記金属融液は、前記坩堝形状の前記窒化ガリウム結晶内に保持される、請求項１３に記載のガス発生装置。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４に記載のガス発生装置と、
前記ガス発生装置において発生した窒素ガスをタイヤに注入するガス注入器とを備えるタイヤ充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＩＩ族窒化物結晶を用いたガス発生装置、それを用いた燃料電池システム、それを用いた電気機器システム、それを用いた自動車、それを用いたタイヤ充填装置、その燃料電池システムを用いた自動車およびその燃料電池システムを用いた電気機器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）。
【００１１】
一方、水の電気分解により水素ガスおよび酸素ガスを生成することは広く知られている。
【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】
【００１２】
しかし、電気分解により水素ガスおよび酸素ガスを発生する従来の方法では、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることが困難であった。また、タイヤに窒素ガスを空気とともに充填すると、タイヤの空気圧が長持ちすることが知られているが、従来、窒素ガスを簡易に生成することが困難であった。
【００１３】
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、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を提供することである。
【００１４】
また、この発明の別の目的は、窒素ガスを簡易に生成可能なガス発生装置を提供することである。
【００１５】
さらに、この発明の別の目的は、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた燃料電池システムを提供することである。
【００１６】
さらに、この発明の別の目的は、酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた電気機器システムを提供することである。
【００１７】
さらに、この発明の別の目的は、酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた自動車を提供することである。
【００１８】
さらに、この発明の別の目的は、窒素ガスを簡易に生成可能なガス発生装置を用いたタイヤ充填装置を提供することである。
【００１９】
さらに、この発明の別の目的は、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた燃料電池システムを搭載した自動車を提供することである。
【００２０】
さらに、この発明の別の目的は、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた燃料電池システムを搭載した電気機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明によれば、ガス発生装置は、電解液と、陽極電極と、陰極電極と、電流源とを備える。陽極電極は、電解液に浸漬されたＩＩＩ族窒化物結晶を有する。陰極電極は、電解液に浸漬される。電流源は、陽極電極と陰極電極との間に直流電流を流す。
【００２２】
好ましくは、陽極電極は、坩堝と、ＩＩＩ族窒化物結晶とを含む。ＩＩＩ族窒化物結晶は、坩堝の内部に形成される。
【００２３】
好ましくは、ＩＩＩ族窒化物結晶は、坩堝の壁面および／または底面に形成された複数のＩＩＩ族窒化物結晶からなる。
【００２４】
好ましくは、ＩＩＩ族窒化物結晶の伝導帯端は、電解液中の水素イオンのエネルギーレベルよりも高く、ＩＩＩ族窒化物結晶の価電子帯端は、電解液中の水のエネルギーレベルよりも高い。
【００２５】
好ましくは、電流源は、太陽電池からなる。
【００２６】
好ましくは、ＩＩＩ族窒化物結晶は、窒化ガリウム結晶からなり、陰極電極は、白金からなり、電解液は、塩酸を含む。
【００２７】
また、この発明によれば、燃料電池システムは、ガス発生装置と、燃料電池と、ガス供給管とを備える。ガス発生装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス発生装置からなる。ガス供給管は、陰極電極で発生した水素ガスを燃料電池へ供給する。
【００２８】
好ましくは、ガス供給管は、さらに、陽極電極で発生した酸素ガスを燃料電池へ供給する。
【００２９】
さらに、この発明によれば、自動車は、請求項７または請求項８に記載の燃料電池システムを備える。
【００３０】
さらに、この発明によれば、電気機器は、請求項７または請求項８に記載の燃料電池システムを備える。
【００３１】
さらに、この発明によれば、電気機器システムは、ガス発生装置と、電気機器とを備える。ガス発生装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス発生装置からなる。電気機器は、ガス発生装置が発生した酸素ガスを操作者の周囲の空間に放出する。
【００３２】
さらに、この発明によれば、自動車は、ガス発生装置と、ガス供給器とを備える。ガス発生装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス発生装置からなる。ガス供給器は、ガス発生装置が発生した酸素ガスを車室内に供給する。
【００３３】
さらに、この発明によれば、ガス発生装置は、金属融液と、窒化ガリウム結晶とを備える。金属融液は、リチウムを含む。窒化ガリウム結晶は、金属融液に浸漬または接触される。
【００３４】
好ましくは、窒化ガリウム結晶は、坩堝形状からなる。金属融液は、坩堝形状の窒化ガリウム結晶内に保持される。
【００３５】
さらに、この発明によれば、タイヤ充填装置は、ガス発生装置と、ガス注入器とを備える。ガス発生装置は、請求項１１または請求項１２に記載のガス発生装置からなる。ガス注入器は、ガス発生装置において発生した窒素ガスをタイヤに注入する。
【発明の効果】
【００３６】
この発明においては、陽極電極のＩＩＩ族窒化物結晶および陰極電極が電解液に浸漬され、陽極電極と陰極電極との間に直流電圧が印加される。そうすると、ＩＩＩ族窒化物結晶は、正孔を電解液中へ放出し、陰極電極は、電子を電解液中へ放出する。
【００３７】
したがって、この発明によれば、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
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。
【００３９】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１によるガス発生装置の構成を示す概略図である。図１を参照して、実施の形態１によるガス発生装置３００は、容器３１０と、電解液３２０と、陽極電極３３０と、陰極電極３４０と、リード線３５０，３６０と、太陽電池３７０とを備える。
【００４０】
容器３１０は、略Ｕ字形状の断面形状からなり、ガス発生部３１１，３１２を有する。電解液３２０は、１モル／Ｌの塩酸（ＨＣｌ）水溶液からなり、容器３１０に入れられる。陽極電極３３０は、ガス発生部３１１に配置され、電解液３２０に浸漬される。そして、陽極電極３３０は、坩堝１０と、複数のＧａＮ結晶６とからなる。坩堝１０は、ＳＵＳ３１６Ｌからなる。複数のＧａＮ結晶６は、坩堝１０の内壁および底面に形成される。そして、複数のＧａＮ結晶６の各々は、柱状形状からなる。
【００４１】
陰極電極３４０は、ガス発生部３１２に配置され、電解液３２０に浸漬される。そして、陰極電極３４０は、白金（Ｐｔ）からなる。リード線３５０は、陽極電極３３０の坩堝１０を太陽電池３７０の正極に接続する。リード線３６０は、陰極電極３４０を太陽電池３７０の陰極に接続する。太陽電池３７０は、たとえば、アモルファスシリコン太陽電池からなり、リード線３５０とリード線３６０との間に接続される。そして、太陽電池３７０は、光を受けると、所定の直流電圧を発生し、その発生した所定の直流電圧を陽極電極３３０と陰極電極３４０との間に印加する。  
【００４２】
図２は、図１に示す陽極電極３３０を作製する結晶成長装置の概略断面図である。図２を参照して、結晶成長装置１００は、坩堝１０と、反応容器２０と、配管３０と、融液保持部材４０と、加熱装置５０，６０と、温度センサー５１，６１と、ガス供給管７０，８０と、バルブ９０，１１０，１５０と、圧力調整器１２０と、ガスボンベ１３０と、排気管１４０と、真空ポンプ１６０と、圧力センサー１７０，１９０と、金属融液１８０と、制御装置２００とを備える。
【００４３】
坩堝１０は、略円柱形状を有する。反応容器２０は、坩堝１０と所定の間隔を隔てて坩堝１０の周囲に配置される。すなわち、反応容器２０は、坩堝１０を内部に含む。そして、反応容器２０は、本体部２１と、蓋部２２とからなる。本体部２１および蓋部２２の各々は、ＳＵＳ３１６Ｌからなり、本体部２１と蓋部２２との間は、メタルオーリングによってシールされる。
【００４４】
配管３０は、重力方向ＤＲ１において、一方端が坩堝１０の下側で反応容器２０に連結され、他方端がガス供給管８０に連結される。
【００４５】
融液保持部材４０は、たとえば、金属およびセラミック等からなり、反応容器２０と配管３０との連結部よりも下側の配管３０内に設置される。
【００４６】
加熱装置５０は、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、反応容器２０の底面２０Ｂに対向して配置される。温度センサー５１，６１は、それぞれ、加熱装置５０，６０に近接して配置される。
【００４７】
ガス供給管７０は、一方端がバルブ９０を介して反応容器２０に連結され、他方端が圧力調整器１２０を介してガスボンベ１３０に連結される。ガス供給管８０は、一方端が配管３０に連結され、他方端がガス供給管７０に連結される。
【００４８】
バルブ９０は、反応容器２０の近傍でガス供給管７０に装着される。圧力調整器１２０は、ガスボンベ１３０の近傍でガス供給管７０に装着される。ガスボンベ１３０は、ガス供給管７０に連結される。
【００４９】
排気管１４０は、一方端がバルブ１５０を介して反応容器２０に連結され、他方端が真空ポンプ１６０に連結される。バルブ１５０は、反応容器２０の近傍で排気管１４０に装着される。真空ポンプ１６０は、排気管１４０に連結される。
【００５０】
圧力センサー１７０は、反応容器２０に取り付けられる。金属融液１８０は、金属ナトリウム（金属Ｎａ）融液からなり、融液保持部材４０によって配管３０内に保持される。圧力センサー１９０は、金属融液１８０に接して配管３０に取り付けられる。
【００５１】
坩堝１０は、金属Ｎａと、金属ガリウム（金属Ｇａ）とを含む混合融液２１０を保持する。反応容器２０は、坩堝１０の周囲を覆う。配管３０は、金属融液１８０を保持する。
【００５２】
融液保持部材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内の空間３１へ供給された窒素ガスを金属融液１８０の方向へ通過させ、窒素ガスを金属融液１８０を介して空間２３内へ供給する。また、融液保持部材４０は、金属融液１８０の表面張力により金属融液１８０を配管３０内に保持する。
【００５３】
加熱装置５０は、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置５０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ１に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、反応容器２０の外周面２０Ａから坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度に加熱する。温度センサー５１は、加熱装置５０のヒーターの温度Ｔ１を検出し、その検出した温度Ｔ１を制御装置２００へ出力する。
【００５４】
加熱装置６０も、ヒーターと、電流源とからなる。そして、加熱装置６０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ２に応じて電流源によってヒーターに電流を流し、反応容器２０の底面２０Ｂから坩堝１０および反応容器２０を結晶成長温度に加熱する。温度センサー６１は、加熱装置６０のヒーターの温度Ｔ２を検出し、その検出した温度Ｔ２を制御装置２００へ出力する。
【００５５】
ガス供給管７０は、ガスボンベ１３０から圧力調整器１２０を介して供給された窒素ガスをバルブ９０を介して反応容器２０内へ供給する。ガス供給管８０は、ガスボンベ１３０から圧力調整器１２０を介して供給された窒素ガスを配管３０内へ供給する。
【００５６】
バルブ９０は、ガス供給管７０内の窒素ガスを反応容器２０内へ供給し、または窒素ガスの反応容器２０内への供給を停止する。バルブ１１０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１２０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、ガスボンベ１３０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。
【００５７】
ガスボンベ１３０は、窒素ガスを保持する。排気管１４０は、反応容器２０内の気体を真空ポンプ１６０へ通過させる。バルブ１５０は、反応容器２０内と排気管１４０とを空間的に繋げ、または反応容器２０内と排気管１４０とを空間的に遮断する。真空ポンプ１６０は、排気管１４０およびバルブ１５０を介して反応容器２０内の真空引きを行なう。
【００５８】
圧力センサー１７０は、加熱装置５０，６０によって加熱されていない反応容器２０内の圧力を検出する。金属融液１８０は、融液保持部材４０を介して導入された窒素ガスを空間２３へ供給する。
【００５９】
制御装置２００は、温度Ｔ１，Ｔ２をそれぞれ温度センサー５１，６１から受け、その受けた温度Ｔ１，Ｔ２に基づいて、坩堝１０および反応容器２０の温度を所望の温度に設定するための制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２を生成する。そして、制御装置２００は、その生成した制御信号ＣＴＬ１，２をそれぞれ加熱装置５０，６０へ出力する。
【００６０】
また、制御装置２００は、圧力センサー１９０から金属融液１８０の静水圧Ｐｓを受け、その受けた静水圧Ｐｓに基づいて空間２３の圧力Ｐｉｎを求める。より具体的には、反応容器２０内の空間２３の圧力Ｐｉｎが相対的に高くなれば、金属融液１８０の静水圧Ｐｓは、圧力Ｐｉｎに比例して相対的に高くなる。また、反応容器２０内の空間２３の圧力Ｐｉｎが相対的に低くなれば、金属融液１８０の静水圧Ｐｓは、圧力Ｐｉｎに比例して相対的に低くなる。
【００６１】
このように、静水圧Ｐｓは、空間２３内の圧力Ｐｉｎに比例する。したがって、制御装置２００は、静水圧Ｐｓと圧力Ｐｉｎとの比例係数を保持しており、その保持している比例係数を静水圧Ｐｓに乗算することにより、静水圧Ｐｓに基づいて圧力Ｐｉｎを求める。
【００６２】
そして、制御装置２００は、空間２３の圧力Ｐｉｎを求めると、その求めた圧力Ｐｉｎを所望の圧力に設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ３を圧力調整器１２０へ出力する。
【００６３】
圧力センサー１９０は、金属融液１８０の静水圧Ｐｓを検出し、その検出した静水圧Ｐｓを制御装置２００へ出力する。
【００６４】
図３は、図２に示す融液保持部材４０の斜視図である。図３を参照して、融液保持部材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。
【００６５】
図４は、融液保持部材４０の配管３０への取付状態を示す平面図である。図４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。融液保持部材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、融液保持部材４０は、配管３０の内壁３０Ａに嵌合する。
【００６６】
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、融液保持部材４０が配管３０の内壁３０Ａに嵌合した状態では、融液保持部材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。
【００６７】
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、金属融液１８０の表面張力によって金属融液１８０を保持し、金属融液１８０が栓４１の長さ方向ＤＲ２に通過するのを阻止する。
【００６８】
図５は、ＧａＮ結晶を結晶成長させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力／温度相関図を金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比に対して示す図である。なお、金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比ｒは、ｒ＝［金属Ｎａ］／（［金属Ｎａ］＋［金属Ｇａ］）によって定義される。
【００６９】
図５の（ａ）は、混合比ｒがｒ＝０．４である場合の圧力／温度相関図ＰＴ１を示し、図５の（ｂ）は、混合比ｒがｒ＝０．７である場合の圧力／温度相関図ＰＴ２を示し、図５の（ｃ）は、混合比ｒがｒ＝０．９５である場合の圧力／温度相関図ＰＴ３を示す。
【００７０】
そして、図５の（ａ），（ｂ），（ｃ）の各々において、縦軸は、反応容器２０内の空間２３における窒素ガスのガス圧力を表し、横軸は、坩堝１０および反応容器２０の温度（＝混合融液２１０の温度）の逆数を表す。
【００７１】
図５の（ａ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ１は、領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３，ＲＥＧ１４を有する。領域ＲＥＧ１１は、直線ｋ１によって領域ＲＥＧ１２と仕切られ、領域ＲＥＧ１２は、直線ｋ２によって領域ＲＥＧ１３と仕切られ、領域ＲＥＧ１３は、直線ｋ３によって領域ＲＥＧ１４と仕切られる。
【００７２】
そして、領域ＲＥＧ１１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ１２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ１３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ１４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。
【００７３】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ１１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３，ＲＥＧ１４とからなる。
【００７４】
図５の（ｂ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ２は、領域ＲＥＧ２１，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４を有する。領域ＲＥＧ２１は、直線ｋ４によって領域ＲＥＧ２２と仕切られ、領域ＲＥＧ２２は、直線ｋ５によって領域ＲＥＧ２３と仕切られ、領域２３は、直線ｋ６によって領域ＲＥＧ２４と仕切られる。
【００７５】
そして、領域ＲＥＧ２１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ２２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ２３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ２４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。
【００７６】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ２も、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ２１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４とからなる。
【００７７】
図５の（ｃ）を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ３は、領域ＲＥＧ３１，ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４を有する。領域ＲＥＧ３１は、直線ｋ７によって領域ＲＥＧ３２と仕切られ、領域ＲＥＧ３２は、直線ｋ８によって領域ＲＥＧ３３と仕切られ、領域３３は、直線ｋ９によって領域ＲＥＧ３４と仕切られる。
【００７８】
そして、領域ＲＥＧ３１は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域であり、領域ＲＥＧ３２は、新たな核の発生を抑制してＧａＮ結晶が種結晶から結晶成長する領域である。また、領域ＲＥＧ３３は、柱状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であり、領域ＲＥＧ３４は、板状形状のＧａＮ結晶が結晶成長する領域である。
【００７９】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ３も、ＧａＮ結晶を溶解させる領域ＲＥＧ３１と、形状または成長機構が異なるＧａＮ結晶を結晶成長させる領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４とからなる。
【００８０】
上述したように、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の各々は、ＧａＮ結晶を溶解させる領域、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させる領域、柱状形状のＧａＮ結晶を結晶成長させる領域および板状形状のＧａＮ結晶を結晶成長させる領域からなるが、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３は、それぞれ、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３よりも広く、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２４は、圧力／温度相関図ＰＴ１，ＰＴ３の領域ＲＥＧ１４，ＲＥＧ３４よりも広く、圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３は、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３と同じ広さを有し、かつ、金属Ｇａを補充しながらＧａＮ結晶を結晶成長させる。
【００８１】
したがって、圧力／温度相関図ＰＴ１は、種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長および柱状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図であり、圧力／温度相関図ＰＴ２は、板状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長に適した圧力／温度相関図であり、圧力／温度相関図ＰＴ３は、種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長に適した領域である。
【００８２】
圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３が圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１３と同じ広さを有するにも係わらず、圧力／温度相関図ＰＴ３が種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長だけに適しているのは、圧力／温度相関図ＰＴ３を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合、金属Ｇａを補充する必要があり、領域ＲＥＧ３２における結晶成長（種結晶からのＧａＮ結晶の結晶成長）の方が領域ＲＥＧ３３における結晶成長（柱状形状からなるＧａＮ結晶の結晶成長）よりも金属Ｇａの消費量が少ないからである。
【００８３】
この発明においては、混合比ｒに応じてＧａＮ結晶の結晶成長に用いる圧力／温度相関図を圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３から選択し、その選択した圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３におけるガス圧力および混合融液２１０の温度をそれぞれ設定してＧａＮ結晶を結晶成長する。
【００８４】
図６は、坩堝１０および反応容器２０の温度のタイミングチャートである。また、図７は、図６に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝１０および反応容器２０内の状態を示す模式図である。なお、図６において、直線ｋ１０は、坩堝１０および反応容器２０の温度を示す。
【００８５】
図６を参照して、加熱装置５０，６０は、直線ｋ１０に従って温度が上昇し、かつ、７００℃に保持されるように坩堝１０および反応容器２０を加熱する。加熱装置５０，６０が坩堝１０および反応容器２０を加熱し始めると、坩堝１０および反応容器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７００℃に達する。
【００８６】
そうすると、坩堝１０および反応容器２０が７００℃まで昇温される過程で、融液保持部材４０よりも上側の配管３０の温度が９８℃以上に上昇され、配管３０内に保持された金属Ｎａは溶け、金属融液１８０（＝金属Ｎａ融液）が配管３０内に生成される。また、坩堝１０中の金属Ｎａおよび金属Ｇａは溶け、混合融液２１０が坩堝１０中で生成される。
【００８７】
その結果、空間２３内の窒素ガス４は、金属融液１８０（＝金属Ｎａ融液）および融液保持部材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２３内に閉じ込められる（図７参照）。
【００８８】
この場合、金属融液１８０に接する配管３０の部分は、金属融液１８０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａが混合融液２１０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａ−Ｇａに略一致する温度に加熱装置６０によって昇温される。すなわち、金属融液１８０に接する配管３０の部分は、金属融液１８０からの金属Ｎａの蒸発と、混合融液２１０からの金属Ｎａの蒸発とが略平衡になる温度に加熱装置６０によって昇温される。
【００８９】
したがって、金属融液１８０から混合融液２１０への金属Ｎａの移動と、混合融液２１０から金属融液１８０への金属Ｎａの移動とが略平衡になり、見かけ上、金属融液１８０と混合融液２１０との間で金属Ｎａの移動が停止される。その結果、金属融液１８０および混合融液２１０からの金属Ｎａの蒸発による混合融液２１０中の金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比の変動が抑制される。
【００９０】
このように、坩堝１０および反応容器２０が７００℃に加熱されると、金属融液１８０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａが混合融液２１０から蒸発する金属Ｎａの蒸気圧ＰＮａ−Ｇａに略一致し、空間２３内には、窒素ガス４と金属Ｎａ蒸気５とが混在する。
【００９１】
そして、坩堝１０および反応容器２０の温度が７００℃に達すると、空間２３内の窒素ガス４は、金属Ｎａを媒介として混合融液２１０中に取り込まれる。そして、坩堝１０の側壁および底面からＧａＮ結晶が結晶成長する。
【００９２】
その後、ＧａＮ結晶の結晶成長の進行に伴って、空間２３内の窒素ガスが消費されると、空間２３の圧力Ｐ１が配管３０内の空間３１の圧力Ｐ２よりも低くなる。そうすると、空間２３の圧力Ｐ１と空間３１の圧力Ｐ２との圧力差に応じて、窒素ガスが空間３１から空間２３へ補給される。この場合、融液保持部材４０は、空間３１の窒素ガスを金属融液１８０へ透過させ、金属融液１８０は、窒素ガスを泡１８１として空間２３へ導く。そして、空間２３の圧力Ｐ１が空間３１の圧力Ｐ２と同程度に上昇すると、空間３１から空間２３への窒素ガスの補給は停止される。
【００９３】
図８は、図２に示す結晶成長装置１００を用いて結晶成長または溶解させたＧａＮ結晶の模式図である。図８の（ａ）は、図５に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示し、図８の（ｂ）は、図５に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示す。
【００９４】
また、図８の（ｃ）は、図５に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させた場合を示し、図８の（ｄ）は、図５に示す圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を溶解させた場合を示す。
【００９５】
図８の（ａ）を参照して、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、複数のＧａＮ結晶６が坩堝１０の底面１１から結晶成長する。そして、複数のＧａＮ結晶６の各々は、尖った先端が坩堝１０の底面１１に接触し、ｃ軸（＜０００１＞）方向へ結晶成長した柱状形状からなる。また、複数のＧａＮ結晶６は、その大きさが相互に異なり、坩堝１０の底面１１に対して相互に異なる方向へ結晶成長する。
【００９６】
図８の（ｂ）を参照して、領域ＲＥＧ１４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、複数のＧａＮ結晶７が坩堝１０内で結晶成長する。そして、複数のＧａＮ結晶７の各々は、ｃ面（（０００１））方向（ｃ軸に垂直な方向）に結晶成長した板状形状からなる。また、複数のＧａＮ結晶７は、その大きさが相互に異なる。
【００９７】
図８の（ｃ）を参照して、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させた場合、種結晶６ＡからＧａＮ結晶８が結晶成長する。種結晶６Ａは、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて結晶成長された複数のＧａＮ結晶６（図８の（ａ）参照）のうちの１個のＧａＮ結晶からなる。この場合、複数のＧａＮ結晶６のうち、不要なＧａＮ結晶を除去し、坩堝１０の底面１１に対して略垂直に結晶成長したＧａＮ結晶６を種結晶６Ａとして底面１１に残す。これによって、坩堝１０の底面１１に固定された種結晶６Ａを容易に作製できる。
【００９８】
上述したように、複数のＧａＮ結晶６は、ｃ軸方向へ結晶成長するので、種結晶６Ａもｃ軸方向へ結晶成長したＧａＮ結晶からなる。したがって、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いて種結晶６Ａから結晶成長したＧａＮ結晶８もｃ軸方向へ結晶成長する。そして、領域ＲＥ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いたＧａＮ結晶の結晶成長においては、坩堝１０の側壁および底面１１における核の発生が抑制されるため、大きさサイズのＧａＮ結晶８を結晶成長できる。
【００９９】
図８の（ｄ）を参照して、領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を処理すると、ＧａＮ結晶９が溶解され、ＧａＮ結晶９Ａが坩堝１０の底面１１に残る。
【０１００】
なお、図５に示す圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ２２および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４，ＲＥＧ３２は、それぞれ、図８の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すＧａＮ結晶６，７，８を結晶成長させ、圧力／温度相関図ＰＴ２の領域ＲＥＧ２１および圧力／温度相関図ＰＴ３の領域ＲＥＧ３１は、図８の（ｄ）に示すＧａＮ結晶９を溶解させる。
【０１０１】
図９は、ＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。図９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坩堝１０、反応容器２０および配管３０を入れる。そして、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを配管３０内に入れる（ステップＳ１）。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）。
【０１０２】
その後、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａおよび金属Ｇａを所定の混合比ｒで坩堝１０に入れる（ステップＳ２）。この場合、たとえば、混合比ｒ＝０．４で金属Ｎａおよび金属Ｇａを坩堝１０に入れる。そして、金属Ｎａおよび金属Ｇａを入れた坩堝１０を反応容器２０内に設置する。
【０１０３】
引続いて、坩堝１０および反応容器２０内にＡｒガスを充填した状態で坩堝１０および反応容器２０を結晶成長装置１００に設定する。そして、バルブ１５０を開け、真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器２０内に充填されたＡｒガスを排気する。真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きした後、バルブ１５０を閉じ、バルブ９０，１１０を開けて窒素ガスをガスボンベ１３０からガス供給管７０，８０を介して坩堝１０および反応容器２０内へ充填する。この場合、圧力調整器１２０によって坩堝１０および反応容器２０内の圧力が０．１ＭＰａ程度になるように坩堝１０および反応容器２０内へ窒素ガスを供給する。
【０１０４】
そして、圧力センサー１７０によって検出した反応容器２０内の圧力が０．１ＭＰａ程度になると、バルブ９０，１１０を閉じ、バルブ１５０を開けて真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器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１６０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力（０．１３３Ｐａ以下）まで真空引きする。
【０１０５】
そして、この坩堝１０および反応容器２０内の真空引きと坩堝１０および反応容器２０内への窒素ガスの充填とを数回繰り返し行なう。
【０１０６】
その後、真空ポンプ１６０によって坩堝１０および反応容器２０内を所定の圧力まで真空引きした後、バルブ１５０を閉じ、バルブ９０，１１０を開けて窒素ガスを坩堝１０および反応容器２０の空間２３へ供給する（ステップＳ３）。
【０１０７】
その後、制御装置２００は、混合比ｒ＝０．４に応じて決定された圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３を用いたＧａＮ結晶の結晶成長が行なわれる場合、領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を外部から受ける。たとえば、制御装置２００は、５．０５ＭＰａの圧力および７００℃の温度をそれぞれ領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度として外部から受ける。
【０１０８】
そうすると、制御装置２００は、坩堝１０および反応容器２０の温度を所望の温度（＝７００℃）に設定するための制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２をそれぞれ加熱装置５０，６０へ出力するとともに、空間２３の窒素ガスのガス圧力を所望の圧力（＝５．０５ＭＰａ）に設定するための制御信号ＣＴＬ３を生成し、その生成した制御信号ＣＴＬ３を圧力調整器１２０へ出力する。
【０１０９】
そして、加熱装置５０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ１に応じて、坩堝１０および反応容器２０を外周面２０Ａから７００℃に加熱し、加熱装置６０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ２に応じて、坩堝１０および反応容器２０を底面２０Ｂから７００℃に加熱する。また、圧力調整器１２０は、制御装置２００からの制御信号ＣＴＬ３に応じて、空間２３の圧力が５．０５ＭＰａになるように窒素ガスをガス供給管７０，８０、配管３０および融液保持部材４０を介して空間２３へ供給する。
【０１１０】
すなわち、所定の混合比ｒに応じて決定された圧力／温度相関図ＰＴ１に含まれる所望の圧力（＝５．０５ＭＰａ）および所望の温度（＝７００℃）に空間２３における窒素ガスの圧力および坩堝１０の温度を設定する（ステップＳ４）。
【０１１１】
そして、所定の時間、所望の圧力および所望の温度が保持され（ステップＳ５）、所定の時間が経過すると、坩堝１０および反応容器２０の温度が降温される（ステップＳ６）。これにより、柱状形状からなるＧａＮ結晶が製造され、一連の動作が終了する。
【０１１２】
なお、上記においては、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合について説明したが、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１，ＲＥＧ１２，ＲＥＧ１４および圧力／温度相関図ＰＴ２，ＰＴ３の領域ＲＥＧ２１，ＲＥＧ２２，ＲＥＧ２３，ＲＥＧ２４，ＲＥＧ３１，ＲＥＧ３２，ＲＥＧ３３，ＲＥＧ３４に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長またはＧａＮ結晶を溶解させる動作も、図９に示すフローチャートに従って実行される。
【０１１３】
このように、この発明においては、複数の混合比（ｒ＝０．４，０．７，０．９５）に対応して複数の圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３が設けられており、所定の混合比ｒに応じて決定された圧力／温度相関図（圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３のいずれか）を用いてＧａＮ結晶が結晶成長または溶解される。
【０１１４】
上記においては、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の１つの領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長または溶解させる場合について説明したが、この発明においては、これに限らず、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させてもよい。この場合、図９に示すフローチャートのステップＳ４は、複数のステップからなる。
【０１１５】
図１０は、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図９に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。
【０１１６】
図１０を参照して、図９に示すステップＳ３が終了すると、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４１）、ＧａＮ結晶を結晶成長する。これにより、柱状形状からなる複数のＧａＮ結晶が坩堝１０の底面１１に形成される。
【０１１７】
その後、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４２）、ステップＳ４１において結晶成長したＧａＮ結晶を溶解する。これによって、サイズが小さいＧａＮ結晶が溶解され、サイズの大きいＧａＮ結晶が坩堝１０の底面１１に残る。そして、坩堝１０の底面１１に残ったＧａＮ結晶が種結晶となる。
【０１１８】
引き続き、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４３）、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長する。
【０１１９】
その後、一連の動作は、図９に示すステップＳ５へ移行する。
【０１２０】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３、領域ＲＥＧ１１および領域ＲＥＧ１２に含まれる複数の所望の圧力および複数の所望の温度を順次用いることによって、柱状形状からなる複数のＧａＮ結晶６を坩堝１０の底面１１に結晶成長させ、その結晶成長させた複数のＧａＮ結晶６の一部を溶解して種結晶を作製し、さらに、その作製した種結晶からＧａＮ結晶８を結晶成長できる。
【０１２１】
図１１は、圧力／温度相関図ＰＴ１〜ＰＴ３の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図９に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するための他のフローチャートである。
【０１２２】
なお、図１１に示すフローチャートは、種結晶が予め坩堝１０の底面１１に設置されている場合のフローチャートである。
【０１２３】
図１１を参照して、図９に示すステップＳ３が終了すると、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４１Ａ）、種結晶を溶解する。
【０１２４】
その後、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定し（ステップＳ４２Ａ）、種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長する。
【０１２５】
その後、一連の動作は、図９に示すステップＳ５へ移行する。
【０１２６】
このように、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１１および領域ＲＥＧ１２に含まれる複数の所望の圧力および複数の所望の温度を順次用いることによって、種結晶の一部を溶解し、その溶解した種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長できる。
【０１２７】
種結晶を予め坩堝１０の底面１１に設置し、その設置した種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させる場合、種結晶の表面が酸化されたり、種結晶の表面に水分等の不純物が付着しているので、領域ＲＥＧ１１に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定して種結晶の一部を溶解し、その後、領域ＲＥＧ１２に含まれる所望の圧力および所望の温度に空間２３の圧力および坩堝１０の温度をそれぞれ設定して溶解後の種結晶からＧａＮ結晶を結晶成長させることにしたものである。これにより、ＧａＮ結晶を種結晶から連続的に結晶成長させることができる。
【０１２８】
図１２は、図２に示す結晶成長装置１００を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させたときの坩堝１０の断面図である。図１２を参照して、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させることにより、複数のＧａＮ結晶６が坩堝１０の内壁および底面１１に形成される。
【０１２９】
すなわち、結晶成長装置１００を用いて坩堝１０中でＧａＮ結晶を結晶成長させることにより、図１に示す陽極電極３３０を作製することができる。上述したように、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３は、柱状形状からなる複数のＧａＮ結晶が結晶成長する領域であるので、圧力／温度相関図ＰＴ１の領域ＲＥＧ１３に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させることにより、複数のＧａＮ結晶６が内壁および底面１１に形成された坩堝１０からなる陽極電極３３０を作製することができる。そして、結晶成長された複数のＧａＮ結晶６の各々は、ｎ型ＧａＮからなる。
【０１３０】
図１３は、ガス発生装置３００における水素ガスおよび酸素ガスの発生機構を説明するための図である。ガス発生装置３００において、陽極電極３３０を構成する複数のＧａＮ結晶６および陰極電極３４０を構成するＰｔは、電解液３２０に浸漬されているので、ＧａＮ結晶／電解液／Ｐｔのエネルギー図は、図１３に示すようになる。
【０１３１】
ＧａＮ結晶６は、ｎ型であるので、ＧａＮ結晶と電解液との界面では、伝導帯および価電子帯が上側に曲がる。そして、電解液３２０中の水素イオン（Ｈ＋）のエネルギー準位は、ＧａＮ結晶６の伝導帯Ｅｃよりも低く、電解液３２０中の水（Ｈ２Ｏ）のエネルギー準位は、ＧａＮ結晶６の価電子帯Ｅｖよりも低い。すなわち、電解液３２０中の水素イオン（Ｈ＋）および水（Ｈ２Ｏ）のエネルギー準位は、ＧａＮ結晶６の伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖとの間に存在する。
【０１３２】
その結果、陽極電極３３０においては、太陽電池３７０から注入された正孔（ｈ＋）は、ＧａＮ結晶６と電解液３２０との界面まで伝導し、ＧａＮ結晶６の価電子帯Ｅｖよりもエネルギー的に低い水（Ｈ２Ｏ）のエネルギー準位へ移動する。そして、正孔（ｈ＋）と水（Ｈ２Ｏ）の分子とが反応して酸素ガス（Ｏ２）が発生する。
【０１３３】
一方、陰極電極３４０においては、太陽電池３７０から注入された電子（ｅ−）は、電解液３２０との界面まで伝導し、Ｐｔの伝導帯よりもエネルギー的に低い水素イオン（Ｈ＋）のエネルギー準位へ移動する。そして、電子（ｅ−）が水素イオン（Ｈ＋）と結合して水素ガス（Ｈ２）が発生する。
【０１３４】
再び、図１を参照して、太陽電池３７０が陽極電極３３０と陰極電極３４０との間に所定の直流電圧を印加すると、陽極電極３３０は、上述した機構により酸素ガス（Ｏ２）３０１を発生、陰極電極３４０は、上述した機構により水素ガス（Ｈ２）３０２を発生する。そして、発生した酸素ガス（Ｏ２）３０１は、ガス発生部３１１において、容器３１０内の空間３１３に溜まり、発生した水素ガス（Ｈ２）３０２は、ガス発生部３１２において、容器３１０内の空間３１４に溜まる。
【０１３５】
陽極電極３３０は、結晶成長装置１００を用いて複数の核が発生する結晶成長条件（領域ＲＥＧ１３に含まれる圧力および温度）で作製されたので、複数のＧａＮ結晶６が坩堝１０の内壁および底面に形成された構造からなる。
【０１３６】
その結果、電解液３２０に接する陽極電極３３０の面積が大きくなり、陽極電極３３０における酸素ガス（Ｏ２）３０１の発生量が増加する。すなわち、陽極電極３３０における酸素ガス（Ｏ２）３０１の発生効率が高くなる。
【０１３７】
水（Ｈ２Ｏ）の電気分解においては、酸素ガス（Ｏ２）３０１および水素ガス（Ｈ２）３０２が１：１で発生するので、陽極電極３３０における酸素ガス（Ｏ２）３０１の発生効率が高くなれば、陰極電極３４０における水素ガス（Ｈ２）３０２の発生効率も高くなる。したがって、ガス発生装置３００における酸素ガス（Ｏ２）３０１および水素ガス（Ｈ２）３０２の発生効率が高くなる。
【０１３８】
図１４は、図１に示すガス発生装置３００を用いた燃料電池システムの概略図である。図１４を参照して、燃料電池システム４００は、ガス発生装置３００と、燃料電池４１０と、ガス供給管４２０，４３０とを備える。ガス供給管４２０は、一方端がガス発生装置３００のガス発生部３１１に連結され、他方端が燃料電池４１０に連結される。ガス供給管４３０は、一方端がガス発生装置３００のガス発生部３１２に連結され、他方端が燃料電池４１０に連結される。
【０１３９】
ガス供給管４２０は、ガス発生部３１１の空間３１３に溜められた酸素ガス（Ｏ２）を燃料電池４１０へ供給する。ガス供給管４３０は、ガス発生部３１２の空間３１４に溜められた水素ガス（Ｈ２）を燃料電池４１０へ供給する。そして、燃料電池４１０は、ガス発生装置３００から受けた酸素ガス（Ｏ２）および水素ガス（Ｈ２）を用いて直流電力を発電する。
【０１４０】
なお、燃料電池システム４００においては、ガス発生装置３００は、水素ガス（Ｈ２）のみを燃料電池４１０へ供給するようにしてもよい。この場合、燃料電池４１０は、空気を取り入れ、ガス発生装置３００から供給された水素ガス（Ｈ２）と空気中の酸素ガス（Ｏ２）とを用いて直流電力を発電する。
【０１４１】
また、燃料電池４１０は、固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、高分子電解質形燃料電池およびアルカリ水溶液形燃料電池のいずれであってもよい。
【０１４２】
図１５は、図１４に示す燃料電池システム４００を用いた第１の応用例を示す図である。図１５を参照して、自動車５００は、燃料電池システム４００と、ボディ５１０と、前輪５２０Ｌ，５２０Ｒと、車軸５３０，５６０と、モータ５４０と、後輪５５０Ｌ，５５０Ｒとを備える。
【０１４３】
車軸５３０は、一方端が前輪５２０Ｌに連結され、他方端が前輪５２０Ｒに連結される。車軸５６０は、一方端が後輪５５０Ｌに連結され、他方端が後輪５５０Ｒに連結される。
【０１４４】
燃料電池システム４００は、上述した方法によって、直流電力を発電し、その発電した直流電力をモータ５４０へ供給する。モータ５４０は、燃料電池システム４００からの直流電力によって駆動され、所定のトルクを車軸５３０に伝達する。車軸５３０は、モータ５４０からの所定のトルクを前輪５２０Ｌ，５２０Ｒに伝達し、前輪５２０Ｌ，５２０Ｒは、所定の回転数で回転する。
【０１４５】
このように、この発明による燃料電池システム４００は、自動車５００に搭載され、前輪５２０Ｌ，５２０Ｒを駆動するモータ５４０の電力源として用いられる。
【０１４６】
なお、この発明においては、モータ５４０は、所定のトルクを車軸５３０，５６０の少なくとも一方に伝達すればよい。また、この発明においては、燃料電池システム４００は、自動車に搭載されたモータ５４０のみならず、エアコン、オーディオ製品およびランプ等の電源として用いられてもよい。さらに、この発明においては、自動車５００は、電気自動車またはハイブリッド自動車である。
【０１４７】
図１６は、図１４に示す燃料電池システム４００を用いた第２の応用例を示すである。図１６を参照して、コンピュータ６００は、燃料電池システム４００と、パーソナルコンピュータ６１０と、リード線６２０とを備える。燃料電池システム４００は、リード線６２０によってパーソナルコンピュータ６１０に接続される。
【０１４８】
そして、燃料電池システム４００は、上述した方法によって直流電力を発電し、その発電した直流電力をリード線６２０を介してパーソナルコンピュータ６１０に供給する。パーソナルコンピュータ６１０は、燃料電池システム４００からの直流電力によって駆動される。
【０１４９】
なお、この発明においては、燃料電池システム４００をコンパクト化できる場合には、燃料電池システム４００をパーソナルコンピュータ６１０に内蔵するようにしてもよい。
【０１５０】
図１７は、図１４に示す燃料電池システム４００を用いた第３の応用例を示す図である。図１７を参照して、携帯電話機７００は、燃料電池システム４００と、電話機７１０と、リード線７２０とを備える。燃料電池システム４００は、リード線７２０によって電話機７１０に接続される。
【０１５１】
そして、燃料電池システム４００は、上述した方法によって直流電力を発電し、その発電した直流電力をリード線７２０を介して電話機７１０に供給する。電話機７１０は、燃料電池システム４００からの直流電力によって駆動される。
【０１５２】
なお、この発明においては、燃料電池システム４００をコンパクト化できる場合には、燃料電池システム４００を電話機７１０に内蔵するようにしてもよい。
【０１５３】
図１８は、図１４に示す燃料電池システム４００を用いた第４の応用例を示す図である。図１８を参照して、携帯電話機７００Ａは、電話機７１０Ａと、燃料電池システム４００とからなる。電話機７１０Ａは、シェル型の電話機である。燃料電池システム４００のうち、太陽電池３７０は、電話機７１０Ａの操作面に設けられ、太陽電池３７０以外のガス発生装置３００および燃料電池４１０は、電話機７１０Ａに内蔵される。
【０１５４】
携帯電話機７００Ａにおいては、電話機７１０Ａが開いたときに、光（太陽光および室内灯の光の両方を含む）が太陽電池３７０に照射され、太陽電池３７０が発電する。そして、ガス発生装置３００は、上述した機構により酸素ガス（Ｏ２）および水素ガス（Ｈ２）を発生し、燃料電池４１０は、ガス発生装置３００から供給された酸素ガス（Ｏ２）および水素ガス（Ｈ２）を用いて直流電力を発電し、その発電した直流電力を電話機７１０Ａに供給する。これによって、電話機７１０Ａは、燃料電池システム４００が発電した直流電力を用いて動作する。
【０１５５】
携帯電話機７００Ａにおいては、電話機７１０Ａが閉じられれば、太陽電池３７０は、発電せず、燃料電池システム４００も発電しないが、蓄電池を電話機７１０Ａに内蔵しておけば、燃料電池システム４００が発電しない期間においても、その蓄電池に溜められた電力を用いて電話機７１０Ａを動作させることができる。
【０１５６】
図１９は、図１に示すガス発生装置３００を用いた電気機器システムの概略図である。図１９を参照して、電気機器システム４００Ａは、ガス発生装置３００と、ガス供給管４２０，４５０と、ガス供給器４４０と、エアコンディショナー４６０とを備える。
【０１５７】
ガス供給管４２０は、一方端がガス発生装置３００のガス発生部３１１に連結され、他方端がガス供給器４４０に連結される。ガス供給管４５０は、一方端がガス供給器４４０に連結され、他方端がエアコンディショナー４６０に連結される。
【０１５８】
ガス供給管４２０は、ガス発生部３１１の空間３１３に溜められた酸素ガス（Ｏ２）をガス供給器４４０へ供給する。ガス供給器４４０は、空間３１３に溜められた酸素ガス（Ｏ２）をガス供給管４２０を介して吸引し、その吸引した酸素ガス（Ｏ２）をガス供給管４５０を介してエアコンディショナー４６０に供給する。ガス供給管４５０は、ガス供給器４４０からの酸素ガス（Ｏ２）をエアコンディショナー４６０に供給する。エアコンディショナー４６０は、ガス供給器４４０から供給された酸素ガス（Ｏ２）を室内へ放出する。これによって、室内の酸素濃度が高くなり、室内空間を快適にできる。
【０１５９】
なお、電気機器システム４００Ａにおいては、エアコンディショナー４６０に代えて空気清浄器、扇風機、ドライヤー、ホットカーペットおよびパーソナルコンピュータのいずれかを用いてもよい。
【０１６０】
図２０は、図１に示すガス発生装置３００を用いた自動車の概略図である。図２０を参照して、自動車５００Ａは、図１５に示す自動車５００の燃料電池システム４００をガス発生装置３００に代え、運転席５１２、助手席５１３、後部座席５１４，５１５およびハンドル５１６を追加したものであり、その他は、自動車５００と同じである。
【０１６１】
運転席５１２、助手席５１３、後部座席５１４，５１５およびハンドル５１６は、車室５１１内に配置される。ガス発生装置３００が自動車５００Ａに搭載される場合、ガス供給管４５０は、他方端が車室５１１内に連通される。そして、ガス供給管４５０は、他方端側に出口４５１を有する。
【０１６２】
ガス発生装置３００は、上述した方法によって酸素ガス（Ｏ２）および水素ガス（Ｈ２）を発生し、その発生した酸素ガス（Ｏ２）をガス供給器４４０へ供給する。そして、ガス供給器４４０は、ガス発生装置３００からの酸素ガス（Ｏ２）をガス供給管４５０の出口４５１から車室５１１内に供給する。
【０１６３】
この場合、ガス発生装置３００、ガス供給管４２０，４５０およびガス供給器４４０を搭載した自動車は、ガス発生装置３００を備えた自動車を構成する。
【０１６４】
このように、ガス発生装置３００を自動車に搭載し、ガス発生装置３００が発生した酸素ガス（Ｏ２）を車室内に供給することにより、搭乗者、特に、運転者がリフレッシュすることができ、安全、かつ、快適なドライビングを楽しむことができる。
【０１６５】
上記においては、図８の（ａ）に示すＧａＮ結晶６を用いて陽極電極３３０を作製すると説明したが、この発明においては、図８の（ｂ），（ｃ）に示すＧａＮ結晶７，８を用いて陽極電極３３０を作製してもよい。
【０１６６】
また、この発明においては、ＧａＮ結晶に代えてＩｎＧａＮを用いて陽極電極３３０を作製してもよく、一般的には、伝導帯端が水素イオンのエネルギーレベルよりも高く、価電子帯端が水のエネルギーレベルよりも高いＩＩＩ族窒化物結晶を用いて陽極電極３３０を作製してもよい。
【０１６７】
さらに、上記においては、電解液３２０は、塩酸を含むと説明したが、この発明においては、これに限らず、電解液３２０は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含んでいてもよく、一般的には、水素イオン（Ｈ＋）を水溶液中で生成するものを含んでいればよい。
【０１６８】
さらに、上記においては、結晶成長温度は、７００℃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０．４ＭＰａ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５．０５ＭＰａに限定されるものではなく、５．０５ＭＰａ以上の圧力であってもよい。
【０１６９】
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を坩堝１０に入れ、Ａｒガス雰囲気中で金属Ｎａを配管３０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を坩堝１０に入れ、金属Ｎａを配管３０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を坩堝１０に入れ、金属Ｎａを配管３０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。
【０１７０】
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２１０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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
したがって、図２に示す結晶成長装置１００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）とを含む混合融液を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を製造するものであればよい。
【０１７４】
［実施の形態２］
図２１は、実施の形態２によるガス発生装置の概略図である。図２１を参照して、ガス発生装置８００は、容器８１０と、坩堝８２０と、ＧａＮ結晶８３０と、混合融液８４０と、加熱装置８５０，８６０とを備える。
【０１７５】
容器８１０は、坩堝８２０、ＧａＮ結晶８３０、混合融液８４０および加熱装置８５０，８６０を内蔵する。坩堝８２０は、略円形の断面形状を有し、ボロンナイトライド（ＢＮ）またはＳＵＳ３１６Ｌからなる。ＧａＮ結晶８３０は、坩堝８２０の形状と同じ形状からなり、坩堝８２０の内部に壁面および底面に沿って配置される。
【０１７６】
混合融液８４０は、リチウム（Ｌｉ）およびＧａとを含み、坩堝形状からなるＧａＮ結晶８３０によって保持される。加熱装置８５０は、坩堝８２０の外周面に沿って配置され、坩堝８２０、ＧａＮ結晶８３０および混合融液８４０を外周面側から加熱する。加熱装置８６０は、坩堝８２０の底面に対向して配置され、坩堝８２０、ＧａＮ結晶８３０および混合融液８４０を底面側から加熱する。
【０１７７】
加熱装置８５０，８６０が坩堝８２０、ＧａＮ結晶８３０および混合融液８４０を８００℃に加熱すると、混合融液８４０中のＬｉは、ＧａＮ結晶８３０を溶解する。そうすると、窒素４が混合融液８４０中へ溶け出て窒素ガスとなる。そして、窒素ガスは、混合融液８４０中を泡として移動し、容器８１０の空間８１１に溜まる。これによって、ガス発生装置８００は、窒素ガスを発生する。
【０１７８】
図２２は、図２１に示すＧａＮ結晶８３０を結晶成長する結晶成長装置の概略図である。図２２を参照して、結晶成長装置１０００は、坩堝１０１０と、反応容器１０２０と、封止部材１０３０，１０４０と、加熱装置１０５０と、ガス供給管１０６０，１０８０と、バルブ１０７０，１１５０，１１６０，１１７０と、流量計１０９０と、ガスボンベ１１１０と、圧力センサー１１２０と、排気管１１３０，１１４０と、真空ポンプ１１８０とを含む。
【０１７９】
坩堝１０１０は、略円形の断面形状を有し、ボロンナイトライドからなる。そして、坩堝１０１０は、反応容器１０２０内に配置される。反応容器１０２０は、略円形の断面形状を有し、ＳＵＳ３１６Ｌからなる。
【０１８０】
封止部材１０３０は、反応容器１０２０の一方端に取り付けられ、封止部材１０４０は、反応容器１０２０の他方端に取り付けられる。加熱装置１０５０は、リング形状の断面形状を有し、反応容器１０２０の外周面１０２１に対向して配置される。
【０１８１】
ガス供給管１０６０は、一方端１０６１が坩堝１０１０の上側に位置し、他方端が封止部材１０３０を介してバルブ１０７０に連結される。そして、ガス供給管１０６０の一方端１０６１は、ガスを坩堝１０１０内の容器空間１０１１に供給する形状からなる。
【０１８２】
バルブ１０７０は、ガス供給管１０６０の他方端に取り付けられる。ガス供給管１０８０は、一方端がバルブ１０７０に連結され、他方端が流量計１０９０を介してガスボンベ１１１０に連結される。そして、ガス供給管１０８０の一方端は、ネジ機構によりバルブ１０７０に連結／取り外し可能になっている。流量計１０９０は、ガスボンベ１１１０の近傍でガス供給管１０８０に装着される。
【０１８３】
ガスボンベ１１１０は、ガス供給管１０８０の他方端に連結される。圧力センサー１１２０は、反応容器１０２０に取り付けられる。排気管１１３０は、一方端がバルブ１１５０に連結される。そして、排気管１１３０の一方端は、ネジ機構によりバルブ１１５０に連結／取り外し可能になっている。排気管１１４０は、一方端が排気管１１３０に連結され、他方端がバルブ１１７０を介して真空ポンプ１１８０に連結される。
【０１８４】
バルブ１１５０は、封止部材１０４０の近傍で排気管１１３０に装着される。バルブ１１６０は、排気管１１３０と排気管１１４０との連結部よりも外部空間側で排気管１１３０に装着される。バルブ１１７０は、真空ポンプ１１８０の近傍で排気管１１４０に装着される。真空ポンプ１１８０は、排気管１１４０の他方端に連結される。
【０１８５】
坩堝１０１０は、ビスマス（Ｂｉ）とガリウム（Ｇａ）とを含む混合融液１１９０を保持する。反応容器１０２０は、坩堝１０１０を内部に保持する。封止部材１０３０は、反応容器１０２０の一方端を封止し、封止部材１０４０は、反応容器１０２０の他方端を封止する。加熱装置１０５０は、坩堝１０１０および反応容器１０２０を加熱する。
【０１８６】
ガス供給管１０６０は、バルブ１０７０を介してガス供給管１０８０から供給されたアンモニアガス（ＮＨ３ガス）を一方端１０６１から坩堝１０１０内の容器空間１０１１へ供給する。バルブ１０７０は、ガス供給管１０６０とガス供給管１０８０とを空間的に繋げ、またはガス供給管１０６０とガス供給管１０８０とを空間的に遮断する。
【０１８７】
ガス供給管１０８０は、流量計１０９０を介してガスボンベ１１１０から供給されたアンモニアガスをバルブ１０７０を介してガス供給管１０６０に供給する。流量計１０９０は、ガスボンベ１１１０から供給されたアンモニアガスの流量を所定の流量に設定し、その設定した所定の流量からなるアンモニアガスをガス供給管１０８０に供給する。
【０１８８】
ガスボンベ１１１０は、アンモニアガスを保持し、その保持したアンモニアガスをガス供給管１０８０に供給する。圧力センサー１１２０は、反応容器１０２０内の容器空間１０２２の圧力を検出する。
【０１８９】
排気管１１３０は、バルブ１１５０，１１６０を介して反応容器１０２０内のアンモニアガスを外部へ排気し、またはバルブ１１５０，１１７０および排気管１１４０を介して反応容器１０２０内のアンモニアガスを真空ポンプ１１８０へ排気する。排気管１１４０は、排気管１１３０からのアンモニアガスをバルブ１１７０を介して真空ポンプ１１８０へ排気する。
【０１９０】
バルブ１１５０は、反応容器１０２０内と排気管１１３０とを空間的に繋げ、または反応容器１０２０内と排気管１１３０とを空間的に遮断する。バルブ１１６０は、排気管１１３０と外部空間とを空間的に繋げ、または排気管１１３０と外部空間とを空間的に遮断する。バルブ１１７０は、排気管１１４０と真空ポンプ１１８０とを空間的に繋げ、または排気管１１４０と真空ポンプ１１８０とを空間的に遮断する。真空ポンプ１１８０は、バルブ１１５０，１１７０および排気管１１３０，１１４０を介して反応容器１０２０内の真空引きを行なう。
【０１９１】
図２３は、図２２に示す結晶成長装置１０００の坩堝１０１０および反応容器１０２０の温度のタイミングチャートである。また、図２４は、図２３に示す２つのタイミングｔ４，ｔ６間における坩堝１０１０および反応容器１０２０内の状態を示す模式図である。さらに、図２５は、図２３に示すタイミングｔ６における坩堝１０１０および反応容器１０２０内の状態を示す模式図である。なお、図２３において、直線ｋ１１は、坩堝１０１０および反応容器１０２０の温度を示す。
【０１９２】
図２３を参照して、加熱装置１０５０は、直線ｋ１１に従って温度が上昇し、かつ、９００℃に保持されるように坩堝１０１０および反応容器１０２０を加熱する。加熱装置１０５０が坩堝１０１０および反応容器１０２０を加熱し始めると、坩堝１０１０および反応容器１０２０の温度は、上昇し始め、タイミングｔ４において２７２℃に達し、タイミングｔ５で９００℃に達する。そうすると、Ｇａの融点は、３８℃であり、Ｂｉの融点は、２７２℃であるので、坩堝１０１０内に保持されたＢｉおよびＧａは溶け、混合融液１１９０になる。
【０１９３】
また、加熱装置１０５０が坩堝１０１０および反応容器１０２０を加熱し始めると、流量計１０９０は、ガスボンベ１１１０からのアンモニアガスをガス供給管１０６０，１０８０を介して坩堝１０１０の容器空間１０１１へ供給する。この場合、反応容器１０２０内の圧力は、略大気圧である。坩堝１０１０内の容器空間１０１１に供給されたアンモニアガス１００１は、反応容器１０２０内の容器空間１０２２へ拡散し、排気管１１３０を介して外部へ排気される（図２４参照）。
【０１９４】
そして、坩堝１０１０および反応容器１０２０の温度が９００℃に達すると、容器空間１０１１内のアンモニアガス１００１は、混合融液１１９０中に取り込まれる。この場合、混合融液１１９０中の窒素またはＧａｘＮｙ（ｘ，ｙは実数）の濃度は、混合融液１１９０と容器空間１０１１との気液界面１００２の近傍が最も高いので、窒化ガリウム結晶（ＧａＮ結晶）が気液界面１００２の近傍から成長し始める。
【０１９５】
なお、この発明においては、ＧａｘＮｙ（ｘ，ｙは実数）を「ＩＩＩ族窒化物」と言い、ＧａｘＮｙ（ｘ，ｙは実数）の濃度を「ＩＩＩ族窒化物濃度」と言う。そして、この発明において、「ＩＩＩ族」とは、ＩＵＰＡＣ（国際純正化学連合）方式の元素周期表におけるＩＩＩＢ族を言う。
【０１９６】
その後、数時間が経過すると、混合融液１１９０中のＧａは、アンモニアとほぼ１００％反応し、混合融液１１９０は、ビスマスからなる金属融液１１９１になり、坩堝形状のＧａＮ結晶１３００が坩堝１０１０内で生成される（図２５参照）。
【０１９７】
そして、生成されたＧａＮ結晶１３００は、坩堝８２０の内部にＧａＮ結晶８３０として設置される。
【０１９８】
上述したように、Ｌｉを含む混合融液８４０にＧａＮ結晶８３０を接触させることによってＧａＮ結晶８３０を溶解し、窒素ガスを発生させることができる。
【０１９９】
図２６は、実施の形態２によるガス発生装置の他の概略図である。実施の形態２によるガス発生装置は、図２６に示すガス発生装置８００Ａであってもよい。図２６を参照して、ガス発生装置８００Ａは、図２１に示すガス発生装置８００から混合融液８４０を削除したものであり、その他は、ガス発生装置８００と同じである。
【０２００】
ガス発生装置８００Ａにおいては、加熱装置８５０，８６０は、ＧａＮ結晶８３０を１０００℃以上に昇温する。ＧａＮ結晶８３０は、１０００℃で熱分解し、窒素ガス（Ｎ２）を発生するので、ガス発生装置８００Ａは、ＧａＮ結晶８３０を１０００℃以上に加熱することによって窒素ガス（Ｎ２）を発生させることができる。
【０２０１】
図２７は、実施の形態２によるガス発生装置のさらに他の概略図である。実施の形態２によるガス発生装置は、図２７に示すガス発生装置８００Ｂであってもよい。図２７を参照して、ガス発生装置８００Ｂは、図２６に示すガス発生装置８００ＡのＧａＮ結晶８３０をＩｎＮ結晶８３０Ａに代えたものであり、その他は、ガス発生装置８００Ａと同じである。
【０２０２】
ガス発生装置８００Ｂにおいては、加熱装置８５０，８６０は、ＩｎＮ結晶８３０Ａを５００℃以上に昇温する。ＩｎＮ結晶８３０Ａは、５００℃で熱分解し、窒素ガス（Ｎ２）を発生するので、ガス発生装置８００Ｂは、ＩｎＮ結晶８３０Ａを５００℃以上に加熱することによって窒素ガス（Ｎ２）を発生させることができる。
【０２０３】
図２８は、図２１に示すガス発生装置８００を用いたタイヤ充填装置の概略図である。図２８を参照して、タイヤ充填装置９００は、ガス発生装置８００と、ガス供給管９１０と、ガス注入器９２０と、ガス供給ホース９３０とを備える。
【０２０４】
ガス供給管９１０は、その一方端がガス発生装置８００の空間８１１に挿入され、他方端がガス注入器９２０に連結される。ガス供給ホース９３０は、一方端がガス注入器９２０に連結され、他方端に供給口９３１を有する。
【０２０５】
ガス供給管９１０は、ガス発生装置８００が発生した窒素ガスをガス注入器９２０に導く。ガス注入器９２０は、ガス供給管９１０から受けた窒素ガスをガス供給ホース９３０を介して注入口９４１からタイヤ９４０へ注入する。
【０２０６】
タイヤ充填装置９００においては、ガス発生装置８００に代えてガス発生装置８００Ａまたは８００Ｂを用いてもよい。
【０２０７】
なお、ガス発生装置８００，８００Ａにおいては、坩堝形状のＧａＮ結晶８３０に代えて、柱状形状および板状形状等の任意の形状のＧａＮ結晶を坩堝８２０中に設置してもよい。この場合、ガス発生装置８００の坩堝８２０中に設置されたＧａＮ結晶は、混合融液８４０に浸漬される。
【０２０８】
実施の形態２によれば、ガス発生装置８００は、Ｌｉを含む混合融液８４０によってＧａＮ結晶８３０を溶解することにより窒素ガスを発生する。また、ガス発生装置８００Ａは、ＧａＮ結晶８３０を熱分解することにより窒素ガスを発生する。さらに、ガス発生装置８００Ｂは、ＩｎＮ結晶８３０Ａを熱分解することにより窒素ガスを発生する。したがって、窒素ガスを簡易に生成できる。
【０２０９】
また、実施の形態２によれば、タイヤ充填装置９００は、ＧａＮ結晶８３０を溶解または熱分解することにより窒素ガスを発生するガス発生装置８００，８００Ａと、ガス発生装置８００，８００Ａが発生した窒素ガスをタイヤ９４０へ注入するガス注入器９２０とを備えるので、窒素ガスをタイヤ９４０へ容易に注入できる。
【０２１０】
さらに、実施の形態２によれば、タイヤ充填装置９００は、ＩｎＮ結晶８３０Ａを熱分解することにより窒素ガスを発生するガス発生装置８００Ｂと、ガス発生装置８００Ｂが発生した窒素ガスをタイヤ９４０へ注入するガス注入器９２０とを備えるので、窒素ガスをタイヤ９４０へ容易に注入できる。
【０２１１】
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】
【０２１２】
この発明は、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置に適用される。また、この発明は、窒素ガスを簡易に生成可能なガス発生装置に適用される。さらに、この発明は、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた燃料電池システムに適用される。さらに、この発明は、酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた電気機器システムに適用される。さらに、この発明は、酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた自動車に適用される。さらに、この発明は、窒素ガスを簡易に生成可能なガス発生装置を用いたタイヤ充填装置に適用される。さらに、この発明は、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた燃料電池システムを搭載した自動車に適用される。さらに、この発明は、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く発生させることができるガス発生装置を用いた燃料電池システムを搭載した電気機器に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０２１３】
【図１】この発明の実施の形態１によるガス発生装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す陽極電極を作製する結晶成長装置の概略断面図である。
【図３】図２に示す融液保持部材の斜視図である。
【図４】融液保持部材の配管への取付状態を示す平面図である。
【図５】ＧａＮ結晶を結晶成長させるときの圧力と温度との関係を規定する圧力／温度相関図を金属Ｎａと金属Ｇａとの混合比に対して示す図である。
【図６】坩堝および反応容器の温度のタイミングチャートである。
【図７】図６に示す２つのタイミングｔ１，ｔ２間における坩堝および反応容器内の状態を示す模式図である。
【図８】図２に示す結晶成長装置を用いて結晶成長または溶解させたＧａＮ結晶の模式図である。
【図９】ＧａＮ結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】圧力／温度相関図の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図９に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】圧力／温度相関図の複数の領域に含まれる所望の圧力および所望の温度を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させる場合の図９に示すステップＳ４の詳細な動作を説明するための他のフローチャートである。
【図１２】図２に示す結晶成長装置を用いてＧａＮ結晶を結晶成長させたときの坩堝の断面図である。
【図１３】ガス発生装置における水素ガスおよび酸素ガスの発生機構を説明するための図である。
【図１４】図１に示すガス発生装置を用いた燃料電池システムの概略図である。
【図１５】図１４に示す燃料電池システムを用いた第１の応用例を示す図である。
【図１６】図１４に示す燃料電池システムを用いた第２の応用例を示す図である。
【図１７】図１４に示す燃料電池システムを用いた第３の応用例を示す図である。
【図１８】図１４に示す燃料電池システムを用いた第４の応用例を示す図である。
【図１９】図１に示すガス発生装置を用いた電気機器システムの概略図である。
【図２０】図１に示すガス発生装置を用いた自動車の概略図である。
【図２１】実施の形態２によるガス発生装置の概略図である。
【図２２】図２１に示すＧａＮ結晶を結晶成長する結晶成長装置の概略図である。
【図２３】図２２に示す結晶成長装置の坩堝および反応容器の温度のタイミングチャートである。
【図２４】図２３に示す２つのタイミングｔ４，ｔ６間における坩堝および反応容器内の状態を示す模式図である。
【図２５】図２３に示すタイミングｔ６における坩堝および反応容器内の状態を示す模式図である。
【図２６】実施の形態２によるガス発生装置の他の概略図である。
【図２７】実施の形態２によるガス発生装置のさらに他の概略図である。
【図２８】図２１に示すガス発生装置を用いたタイヤ充填装置の概略図である。
【符号の説明】
【０２１４】
１〜３，１００２  気液界面、４  窒素ガス、５  金属Ｎａ蒸気、６〜９，９Ａ，８３０，１３００  ＧａＮ結晶、６Ａ  種結晶、１０，８２０，１０１０  坩堝、１１，２０Ｂ  底面、２０，１０２  反応容器、２０Ａ，１０２１  外周面、２１  本体部、２２  蓋部、２３，３１，３１３，３１４  空間、３０  配管、３０Ａ  内壁、４０  融液保持部材、４１  栓、４２  凸部、４３  空隙、５０，６０，８５０，８６０，１０５０  加熱装置、５１，６１  温度センサー、７０，８０，４２０，４３０，４５０，１０６０，１０８０  ガス供給管、１００，１０００  結晶成長装置、９０，１１０，１５０，１０７０，１１５０，１１６０，１１７０  バルブ、１２０  圧力調整器、１３０，１１１０  ガスボンベ、１４０，１１３０，１１４０  排気管、１６０，１１８０  真空ポンプ、１７０，１９０  圧力センサー、１８０，１１９１  金属融液、２００  制御装置、２１０，８４０，１１９０  混合融液、３００，８００，８００Ａ，８００Ｂ  ガス発生装置、３０１  酸素ガス、３０２  水素ガス、３１０，８１０  容器、３１１，３１２  ガス発生部、３３０  陽極電極、３４０  陰極電極、３５０，３６０，６２０，７２０  リード線、３７０  太陽電池、４００  燃料電池システム、４１０  燃料電池、４４０  ガス供給器、４５１  出口、４６０  エアコンディショナー、５００，５００Ａ  自動車、５１０  ボディ、５１１  車室、５１２  運転席、５１３  助手席、５１４，５１５  後部座席、５１６  ハンドル、５２０Ｌ，５２０Ｒ  前輪、５３０，５６０  車軸、５４０  モータ、５５０Ｌ，５５０Ｒ  後輪、６００  コンピュータ、６１０  パーソナルコンピュータ、７００，７００Ａ  携帯電話機、７１０，７１０Ａ  電話機、１００１  アンモニアガス、１０１１，１０２２  容器空間、１０３０，１０４０  封止部材、１０６１  一方端、１０９０  流量計。
【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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【図２７】
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【図２８】
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