(57)【要約】【課題】高品質なＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】チャンバと、前記チャンバ内に窒素元素含有ガスを供給する窒素元素含有ガス供給口と、前記窒素元素含有ガスと混合するようにＩＩＩ族元素の化合物ガスを前記チャンバ内に供給する化合物ガス供給口と、混合された前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを前記チャンバ外に排出する排出口と、前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの混合点の下流側、かつ、前記排出口の上流側で種基板を保持するためのホルダと、前記種基板を加熱する第１ヒータと、前記混合点から前記種基板に至るまでの空間を前記第１ヒータよりも高温で加熱する第２ヒータと、を備える、ＩＩＩ族窒化物結晶製造装置を提供する。【選択図】図１
2016064973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバ内に窒素元素含有ガスを供給する窒素元素含有ガス供給口と、
前記窒素元素含有ガスと混合するようにＩＩＩ族元素の化合物ガスを前記チャンバ内に供給する化合物ガス供給口と、
混合された前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを前記チャンバ外に排出する排出口と、
前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの混合点の下流側、かつ、前記排出口の上流側で種基板を保持するためのホルダと、
前記種基板を加熱する第１ヒータと、
前記混合点から前記種基板に至るまでの空間を前記第１ヒータよりも高温で加熱する第２ヒータと、を備える、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項２】
前記種基板および前記ホルダを取り囲むリングを備え、
前記第２ヒータは、前記リングを加熱する、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項３】
前記ホルダと前記リングとの間に空気層を備える、請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項４】
前記第２ヒータは、前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの反応物が析出しない温度で加熱し、
前記第１ヒータは、前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの反応物が析出する温度で加熱する、請求項１から３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項５】
前記混合点から前記種基板までの距離が４０ｍｍ以上かつ５０ｍｍ以下である、請求項１から４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項６】
前記第１ヒータと前記第２ヒータの温度差は、５０℃以上かつ１００℃以下である請求項１から５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を製造する製造方法。
【請求項８】
前記化合物ガスは、前記ＩＩＩ族元素の酸化物ガスである、請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
【請求項９】
前記化合物ガスは、前記ＩＩＩ族元素を含む物質を酸化又は還元して生成される、請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置として、ＩＩＩ族酸化物を原料とする製造方法が考案されている（例えば、特許文献１）。
この製造方法における反応系を説明する。Ｇａ２Ｏ３を加熱し、この状態で、水素ガスを導入する。導入された水素ガスは、Ｇａ２Ｏ３と反応して、Ｇａ２Ｏガスを生成させる（下記式（Ｉ））。生成されたＧａ２Ｏガスと、アンモニアガスとを反応させて、種基板上にＧａＮ結晶を生成する（下記式（ＩＩ））。
Ｇａ２Ｏ３＋２Ｈ２→Ｇａ２Ｏ＋２Ｈ２Ｏ    （Ｉ）
Ｇａ２Ｏ＋２ＮＨ３→２ＧａＮ＋Ｈ２Ｏ＋２Ｈ２    （ＩＩ）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３４８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の方法では、種基板以外の場所においても式（ＩＩ）の反応が起こり、ＧａＮ結晶が析出してしまうことがあった。特に、ガスの流路の上流側で析出した結晶は、ガスの流れによって移動して種基板に付着する場合があり、生成するＧａＮ結晶の品質低下を招く原因となっていた。
【０００５】
そこで本開示は、高品質な結晶育成を可能にするＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本開示におけるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、チャンバと、
前記チャンバ内に窒素元素含有ガスを供給する窒素元素含有ガス供給口と、
前記窒素元素含有ガスと混合するようにＩＩＩ族元素の化合物ガスを前記チャンバ内に供給する化合物ガス供給口と、
混合された前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを前記チャンバ外に排出する排出口と、
前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの混合点の下流側、かつ、前記排出口の上流側で種基板を保持するためのホルダと、
前記種基板を加熱する第１ヒータと、
前記混合点から前記種基板に至るまでの空間を前記第１ヒータよりも高温で加熱する第２ヒータと、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、上記目的を達成するために、本開示における製造方法は、本開示のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本開示におけるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及び製造方法により、高品質な結晶の製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態における製造装置の模式的断面図。
【図２】本実施の形態における製造装置の他の模式的断面図。
【図３】本実施の形態における製造装置の変形例の模式的模式図。
【図４】本実施の形態における製造装置の他の変形例の模式的模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の第１の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、チャンバと、
前記チャンバ内に窒素元素含有ガスを供給する窒素元素含有ガス供給口と、
前記窒素元素含有ガスと混合するようにＩＩＩ族元素の化合物ガスを前記チャンバ内に供給する化合物ガス供給口と、
混合された前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとを前記チャンバ外に排出する排出口と、
前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの混合点の下流側、かつ、前記排出口の上流側で種基板を保持するためのホルダと、
前記種基板を加熱する第１ヒータと、
前記混合点から前記種基板に至るまでの空間を前記第１ヒータよりも高温で加熱する第２ヒータと、を備える。
【００１１】
第２の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１の態様において、前記種基板および前記ホルダを取り囲むリングを備え、
前記第２ヒータは、前記リングを加熱してもよい。
【００１２】
第３の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第２の態様において、前記ホルダと前記リングとの間に空気層を備えてもよい。
【００１３】
第４の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記第２ヒータは、前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの反応物が析出しない温度で加熱し、
前記第１ヒータは、前記化合物ガスと前記窒素元素含有ガスとの反応物が析出する温度で加熱してもよい。
【００１４】
第５の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記混合点から前記種基板までの距離が４０ｍｍ以上かつ５０ｍｍ以下であってもよい。
【００１５】
第６の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記第１ヒータと前記第２ヒータの温度差は、５０℃以上かつ１００℃以下であってもよい。
【００１６】
第７の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、上記第１から第６の態様のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置を用いてＩＩＩ族窒化物結晶を製造する。
【００１７】
第８の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、上記第７の態様において、前記化合物ガスは、前記ＩＩＩ族元素の酸化物ガスであってもよい。
【００１８】
第９の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法は、上記第８の態様において、前記化合物ガスは、前記ＩＩＩ族元素を含む物質を酸化又は還元して生成してもよい。
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態におけるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置及びＩＩＩ族窒化物結晶の製造方法について詳細に説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
【００２０】
（実施の形態）
図１に、本実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置の模式的断面図を示す。同図において、わかりやすくするために、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている。本製造装置は、チャンバ１０１内に、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガス供給口として機能する石英管１１５が配置されている。石英管１１５の右側はチャンバ１０１の内壁に固定され、還元性ガス導入管１１１から還元性ガスが導入される。また、石英管１１５の内部にはＩＩＩ族酸化物原料載置部１０５を有する。ＩＩＩ族酸化物原料の形状は、反応を促進するために、通過する還元性ガスとの接触面積が広い形状が好ましい。ここではＩＩＩ族酸化物原料として例えば純度４Ｎ以上のＧａ２Ｏ３の粉末を用いる。
【００２１】
還元性ガスとしては、一酸化炭素ガス、メタンガス、エタンガス等の炭化水素系ガスや、水素ガス、硫化水素ガス、又は、二酸化硫黄ガスがある。ここでは、還元性ガスに水素ガスを採用する。また、ガスは加熱されてチャンバ１０１内に供給されることが好ましいが、常温でも構わない。ガスの流量は種基板１０２のサイズに応じて変更する。さらに、石英管１１５の周囲には原料加熱手段１０４が設けられ、この石英管１１５内で上記の反応式（Ｉ）の反応が行われる。これにより、石英管１１５から、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスがチャンバ１０１内に供給される。すなわち、石英管１１５の先端部１１５ａが、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスをチャンバ１０１内に供給する還元物ガス供給口として機能する。
【００２２】
一方、チャンバ１０１内には、ホルダ１０９に種基板１０２が載置されている。ホルダ１０９は基板回転機構を備えたものでもよい。種基板１０２を１０〜１００ｒｐｍの回転数で回転させると、成長する結晶の平坦性を向上できる。
【００２３】
チャンバ１０１の外部には、種基板１０２を加熱する基板加熱ヒータ１１２（第１ヒータ）および、種基板１０２より上流側の空間あるいは種基板１０２およびホルダ１０９を取り囲むように配置されたリング１１６を加熱する基板上流部加熱ヒータ１１３（第２ヒータ）が配置されている。
【００２４】
基板上流部加熱ヒータ１１３は、先端部１１５ａからリング１１６までの範囲の空間を加熱する。窒素元素含有ガスは、窒素元素含有ガス供給口１００よりチャンバ１０１内に導入される。
【００２５】
窒素元素含有ガスとしては、アンモニアガス、ヒドラジンガス、アルキルアミンガスがある。これらの中でも、安全性、生産コストを考慮するとアンモニアガスを採用するのが好ましい。
【００２６】
リング１１６は、種基板１０２およびホルダ１０９の周囲を取り囲むように配置されており、リング１１６が、種基板１０２よりも高温を維持することにより、種基板１０２の周囲への付着物の析出を防止する効果がある。ホルダ１０９およびリング１１６の材質は、例えば、熱伝導率の高いカーボンやシリコンカーバイドである。特にリング１１６には、ホルダ１０９の材質よりも高い熱伝導率を示す材質を用いることが好ましい。あるいは、リング１１６の材質として、サファイアなどの耐熱性の高い材質を用いることが好ましい。また、リング１１６としては、リングを採用するのが最適であるが、Ｃ状部材のように一部に開放された領域を有する部材を採用してもよい。但し、リング１１６にＣ状部材を採用する場合、温度制御および気流制御の観点から、開放領域は上流側に位置させず、下流側に配置するのが望ましい。
【００２７】
なお、種基板１０２およびホルダ１０９に対して、リング１１６は離間して設けられる。すなわち、ホルダ１０９とリング１１６との間に空気層１１６ａが配される。この空気層１１６ａにより、高温になったリング１１６の温度が種基板１０２およびホルダ１０９に移動するのを防止し、種基板１０２を所望の温度に保持できる。また、ホルダ１０９が基板回転機構を備えている場合には、空気層１１６ａにより、ホルダ１０９とリング１１６との干渉が抑制され、円滑な基板回転が実現できる。この際、空気層１１６ａとして、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍ未満では、ホルダ１０９とリング１１６との干渉により円滑な基板回転が困難になり、１０ｍｍを上回ると、種基板１０２とリング１１６の距離が大きくなって中間に温度の低い領域が形成されてしまうため、本開示における空気層１１６ａの効果が発揮されなくなる。
【００２８】
石英管１１５から供給されるＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガス供給口１００から供給される窒素元素含有ガスとは、チャンバ１０１内で混合され、種基板１０２の主面を経由してチャンバ１０１左端に位置する排出口１０８に至る。混合されたガスにより、上記の反応式（ＩＩ）の反応が行われる。すなわち、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの混合点の下流側、かつ、排出口１０８の上流側で種基板１０２を保持するためにホルダ１０９が採用される。
【００２９】
なお、本装置において、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの混合点は、石英管１１５の先端部１１５ａに位置する。この先端部１１５ａで、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとが出会い、混合される。
【００３０】
一方、チャンバ１０１内壁の右下側には、バックグラウンドガス導入管１１０が配される。導入されるバックグラウンドガスとしては、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、クリプトンガス等の不活性ガスを適用できる。コストを考慮するとバックグラウンドガスには窒素ガスが最適である。
【００３１】
チャンバ１０１の形状としては、例えば、円柱状、四角柱状、三角柱状、これらを組合せた形状を採用できる。チャンバ１０１を構成する材質としては、例えば、石英、アルミナ、チタン酸アルミニウム、ムライト、タングステン、モリブデンがある。本実施の形態においては、チャンバ１０１の形状に四角柱状、材質として石英を採用する。
【００３２】
また、石英管１１５、窒素元素含有ガス供給口１００、バックグラウンドガス導入管１１０、排出口１０８もチャンバ１０１と同じ材料で構成される。また、これら管、供給口、導入管、排出口の断面形状は円形に限られず、多角形状でもよい。
【００３３】
原料加熱手段１０４、基板加熱ヒータ１１２、および、基板上流部加熱ヒータ１１３としては、例えば、セラミックヒータやカーボンヒータなどの抵抗加熱器、又は、高周波加熱装置もしくは集光加熱器を採用できる。また、これらの温度制御は、コンピュータ等の制御部により実現される。制御部には、回路基板が搭載され、当該回路基板にはプロセッサ又は別個のデバイスが設けられる。これらのプロセッサ又はデバイスには所定のプログラムが記憶され、当該プログラムにより所定の処理が実行される。
【００３４】
上記の装置構造により、種基板１０２の上流においての結晶の析出を抑制し、高品質な単結晶を種基板１０２上に成長させることができる。このメカニズムを以下に説明する。
【００３５】
ＩＩＩ族窒化物のような昇華反応をする結晶は、ある一定の温度に対し、気体として存在できる量（飽和量）が決まっており、飽和量を超えた分だけ、その空間に存在する固体上に析出する。このとき、種基板１０２上で析出した場合のみ単結晶となり、それ以外の部材（例えばチャンバ１０１内壁）上では多結晶やアモルファスとして析出してしまう。
【００３６】
そこで、本装置のように、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとが混合される点である混合点から種基板１０２に至るまでのガス流路（空間）を基板上流部加熱ヒータ１１３にて加熱する。このとき、基板加熱ヒータ１１２よりも高温となるように基板上流部加熱ヒータ１１３を制御する。これにより、種基板１０２以外の部分に多結晶が析出せず、目的とする種基板１０２上にのみ単結晶を成長させることができる。
【００３７】
ここで、ある気体のある温度における、気体として存在できる分圧に対する現在の分圧を過飽和度と定義する。混合ガスに関して、基板加熱ヒータ１１２の温度では過飽和度ｘ１は１＜ｘ１＜１．２、基板上流部加熱ヒータ１１３の温度では過飽和度ｘ２が０．８＜ｘ２＜１である。これらの範囲を満たす温度、すなわち、基板加熱ヒータ１１２による加熱は混合されたＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの反応物が析出する温度とする。一方、基板上流部加熱ヒータ１１３による加熱は混合されたＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの反応物が析出しない温度とする。これにより、種基板１０２以外の場所への結晶の析出を防ぎ、高品位な結晶を種基板１０２上に成長させることができる。なお、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの反応物が析出する温度は例えば１２００℃、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの反応物が析出しない温度は例えば１２６０℃〜１３００℃である。
【００３８】
本装置では、排出口１０８から排気することによりガスの流れを作るため、チャンバ１０１内の圧力を、９．５×１０４〜９．９×１０４Ｐａの範囲とする。このようにチャンバ１０１の内圧を（大気圧に比べ）負圧下に保持することで、ガスの流れをスムースにし、種基板１０２以外の場所での余計な析出を防止できる。一方、排出口１０８の口径を絞ることで、チャンバ１０１内の圧力を、１．０×１０５〜５．０×１０５Ｐａの範囲としてもよい。チャンバ１０１の内圧を（大気圧に比べ）正圧下に保持することで、反応を促進できる。
【００３９】
ここで、本装置構造を破線Ｉ−Ｉで切り取り、上面から見た模式的断面図を図２に示す。種基板１０２の周辺にリング１１６が位置し、それよりも上流側に窒素元素含有ガス供給口１００および石英管１１５の先端部が位置している。窒素元素含有ガス供給口１００、石英管１１５および排出口１０８の幅は、種基板１０２の直径と同じかそれ以上に大きい。
【００４０】
なお、図３に示すように、基板上流部加熱ヒータ１１３は、リング１１６とその高さ方向の空間部分のみを加熱する形状でもよい。窒素元素含有ガスおよびバックグラウンドガスに拡散しにくいものを用いる場合、ＩＩＩ族酸化物還元物ガスとの混合がやや遅く、窒化した後横向きの流れを持つため、リング１１６の上流の部分に結晶は析出しにくい。しかし、流れに垂直な遮蔽物であるリング１１６には衝突する。この衝突による析出を防ぐため、リング１１６およびその高さ方向の空間部分を加熱する。これにより、省エネルギー化を実現しつつ、高品位な単結晶を製造できる。
【００４１】
なお、ガスの拡散性は、ガス成分の分子量に影響を受け、分子量が大きいほど低下する（拡散しにくくなる）。これを踏まえ、分子量の大きい窒素を拡散しにくいガスとして利用する。具体的には、拡散しにくい窒素元素含有ガスとしてアンモニアガス、バックグラウンドガスとして、窒素ガスを適用する。
【００４２】
また、図４に示すように、種基板１０２とリング１１６を分けてプレート加熱する形状でも良い。
【００４３】
また、種基板１０２より下流の部分において、温度が低過ぎると、ガスの残留物が結晶化してチャンバ１０１内壁にこびりつき、メンテナンス性を著しく悪化させる場合がある。このため、チャンバ１０１の種基板１０２下流部全体を加熱することにより、残留物を気体のままチャンバ１０１外に排出させてもよい。これにより、装置寿命の延長およびメンテナンス性の向上がもたらされる。
【００４４】
なお、ＩＩＩ族窒化物結晶の場合、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとが混合されてから単結晶が析出されるまでに、所定の反応時間が必要である。所定の反応時間が経過する前に析出すると、多結晶となる場合がある。そこで、窒素元素含有ガス供給口１００から供給される窒素元素含有ガスと、石英管１１５から供給されるＩＩＩ族酸化物の還元物ガスとの混合点から種基板１０２に至るまでの直線距離を４０ｍｍ以上かつ５０ｍｍ以下とする。この距離が、混合したガスが反応する時間と空間を確保するのに最適であることを発明者らは見出しているからである。なお、直線距離が４０ｍｍ未満の場合、ガスの反応が不十分となり、反応中間生成物が種基板１０２上に多結晶として析出してしまう。一方、直線距離が５０ｍｍを超えると、窒素元素含有ガスが拡散して混合ガス中の濃度が薄くなってしまい、種基板１０２の全面に単結晶を育成することができない。
【００４５】
また、基板加熱ヒータ１１２の（ガスの流路方向における）長さは種基板１０２の直径＋１以上かつ１０ｍｍ以下であることが好ましい。基板加熱ヒータ１１２の長さが種基板１０２の直径＋１ｍｍ未満の場合は、種基板１０２端部の温度が下がりきらないため、基板上流部加熱ヒータ１１３で暖められたガスが種基板１０２の端部では冷却されず、結晶が析出しない。一方、基板加熱ヒータ１１２の長さが種基板１０２の直径＋１０ｍｍより大きい場合は、基板上流部加熱ヒータ１１３と種基板１０２との距離が広がり過ぎ、その間で結晶が析出してしまう。
【００４６】
また、基板加熱ヒータ１１２と基板上流部加熱ヒータ１１３とによる加熱の温度差は、５０℃以上かつ１００℃以下であることが望ましい。この温度差が５０℃未満の場合、多結晶の析出を抑制する効果を発揮できない。一方、温度差が１００℃を超える場合、種基板１０２の反りが発生する。本実施の形態において、周辺部に熱電対を設置した基板加熱ヒータ１１２を１２００℃、基板上流部加熱ヒータ１１３を１２６０℃〜１３００℃に設定する。なお、ここでいう温度差とは、種基板１０２上の最低温度部と基板上流部加熱ヒータ１１３による加熱部の最高温度部との温度差をいう。
【００４７】
なお、基板加熱ヒータ１１２と基板上流部加熱ヒータ１１３は、チャンバ１０１の外壁を囲うように連続的に設けてもよい。この場合、各ヒータを分割して設けてもよい。
【００４８】
また、基板上流部加熱ヒータ１１３の直上３０ｍｍ以内の位置にＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの混合ガスの流路を配するのがより好ましい。ガスの流路が基板上流部加熱ヒータ１１３の直上３０ｍｍよりも高い位置にある場合、基板上流部加熱ヒータ１１３の輻射加熱効果が弱く、多結晶の析出が生じるからである。
【００４９】
また、窒素元素含有ガス供給口１００の噴き出し口は、石英管１１５の噴出し口よりも上方に位置するのが好ましい。ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスの比重は窒素元素含有ガスの比重よりも重いため、石英管１１５の噴出し口を上にした場合、窒素元素含有ガスを種基板１０２に到達させにくくなるからである。
【００５０】
また、図１の結晶育成空間である種基板１０２からチャンバ１０１の天井までの高さが３０ｍｍ以上かつ６０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。結晶育成空間の高さが３０ｍｍ未満の場合、ガスが移動できる空間が狭すぎるため多結晶化が促進されてしまう。一方、結晶育成空間の高さが６０ｍｍを超える場合は、窒素元素含有ガスが拡散してしまい、種基板１０２上における窒素含有ガス濃度を維持することができない。
【００５１】
本装置は、Ｇａ２Ｏ３以外のＩＩＩ族酸化物を用いる場合にも適用できる。ＩＩＩ族の元素がＩｎ（インジウム）の場合には例えばＩｎ２Ｏ３、ＩＩＩ族の元素がＡｌ（アルミニウム）の場合には例えばＡｌ２Ｏ３を採用できる。また、ＩＩＩ族の元素がＢ（ボロン）の場合には例えばＢ２Ｏ３、ＩＩＩ族の元素が、Ｔｌ（タリウム）の場合には例えばＴｌ２Ｏ３を採用できる。
【００５２】
なお、本実施の形態において、右側を上流、左側を下流として説明したが、左右を反転させた装置構成でもよい。
【００５３】
また、窒素元素含有ガス供給口１００は、チャンバ１０１の天井を貫通するように設けても良い。この場合、窒素元素含有ガス供給口１００が下流に向けて斜めに配されてもよい。
【００５４】
なお、上記のＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置を用いてＩＩＩ族酸化物結晶を製造する製造方法を実施できる。この製造方法により、高品質なＩＩＩ族酸化物結晶を製造できる。
【００５５】
なお、Ｇａ２Ｏ３などのＩＩＩ族元素の酸化物は、大気中で安定な材料であるため取り扱いが容易という利点がある。一方、Ｇａ２Ｏ３などのＩＩＩ族元素の酸化物の代わりに、Ｇａ等のＩＩＩ族元素の金属を準備し、このＩＩＩ族元素の金属に酸化性ガスを供給することで、ＩＩＩ族元素の化合物ガスであるＧａ２Ｏ等を発生させてもよい。この場合、ＩＩＩ族酸化物原料載置部１０５にＩＩＩ族元素の金属を配置し、還元性ガス導入管１１１から酸化性ガスを供給することで、ＩＩＩ族元素の化合物ガスとしてＧａ２Ｏが発生する。このとき、石英管１１５は、窒素元素含有ガスと混合するように化合物ガスをチャンバ１０１内に供給する化合物ガス供給口として機能する。なお、酸化性ガスとしては、Ｈ２Ｏガス、Ｏ２ガス、ＣＯ２ガス、およびＣＯガス等の酸化剤を適用できる。なお、ＩＩＩ族酸化物原料載置部１０５に配置する原料がＧａ２Ｏ３（酸化物）またはＧａ（金属）のいずれの場合であっても、本開示において、同じ化合物ガスであるＧａ２Ｏ（ＩＩＩ族元素の酸化物ガス）が生成される。この際、本開示において、化合物ガスは、ＩＩＩ族元素を含む物質を酸化又は還元して生成される。これにより、高効率な製造方法、及び装置を実現できる。
【００５６】
ここで、ＧａなどのＩＩＩ族元素の金属は、ＩＩＩ族元素の酸化物よりも一般的に低コストで高純度の材料が入手可能であるという利点がある。さらに、Ｇａなど一部のＩＩＩ族元素の金属は、低温で液体になるため連続的に材料を供給する機構を設けやすいことや、酸化物ガス生成時にＨ２Ｏが発生しないため、ＩＩＩ族窒化物結晶の結晶品質の低下を抑制できる、などの利点も挙げられる。
【００５７】
（実施例１）
実施例１におけるＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置の構成は、図１に示した通りである。本実施例において、種基板の直径を１７０ｍｍ、基板上流部加熱ヒータの長さを４５ｍｍとし、基板加熱ヒータの長さを種基板の直径＋６ｍｍとした。また、基板加熱ヒータによる加熱温度を１２００℃、基板上流部加熱ヒータによる加熱温度を１２７０℃とした。また、基板上流部加熱ヒータの直上１５ｍｍの高さにＩＩＩ族酸化物の還元物ガスと窒素元素含有ガスとの混合点を配した。また、ＩＩＩ族酸化物の還元物ガスおよび窒素元素含有ガスは水平に噴きつける構造とした。さらに、結晶育成空間の高さは４５ｍｍとした。本実施の形態では、原料ガスにＧａ２Ｏを０．０５ｌ／ｍ、還元性ガスに水素を１０ｌ／ｍ、窒素元素含有ガスにアンモニアを５ｌ／ｍで供給し、種基板の回転数を１０ｒｐｍとした。
【００５８】
（実施例２）
基板上流部加熱ヒータの長さを、リング１１６と同じ長さとし、それ以外は実施例１と同じ条件で結晶を育成した。
【００５９】
（実施例３）
基板上流部加熱ヒータの長さを４０ｍｍとし、それ以外は実施例１と同じ条件で結晶を育成した。
【００６０】
（実施例４）
基板加熱ヒータの加熱温度を１２００℃、基板上流部加熱ヒータの加熱温度を１３００℃として、それ以外は実施例１と同じ条件で結晶を育成した。
【００６１】
（実施例５）
基板上流部加熱ヒータの直上３０ｍｍの高さに混合点を配し、それ以外は実施例１と同じ条件で結晶を育成した。
【００６２】
（比較例１）
基板上流部加熱ヒータを無くし、それ以外は実施例１と同じ条件で結晶を育成した。
【００６３】
（比較例２）
基板加熱ヒータの加熱温度を１２００℃、外周部加熱ヒータの加熱温度を１２３０℃として温度差を３０℃とし、それ以外は実施例１と同じ条件で結晶を育成した。
【００６４】
（比較例３）
混合点から基板までの距離を３０ｍｍとし、それ以外は実施例１と同じ条件で結晶を育成した。
【００６５】
（比較例４）
混合点から基板までの距離を６０ｍｍとし、それ以外は実施例１と同じ条件で結晶を育成した。
【００６６】
ここでは、各条件でそれぞれ１０個ずつ成長させた結晶に対して評価を行った。評価方法としては、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅を評価した。具体的には、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が１００秒以下の結晶を品質の良い単結晶とし、各条件で成長させたサンプルに占める品質の良い単結晶の割合を単結晶化率として、この単結晶化率が８０％以上となった条件を良好と判断した。実施例および比較例の単結晶化率を表１に示す。全ての実施例において、高品質な単結晶が成長したことを確認できた。加えて、全ての実施例が、全ての比較例を上回る品質を示した。
【００６７】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上のように、本開示を用いれば、パワー半導体やヘテロ接合高速電子デバイス、ＬＥＤやレーザーなどの光電子デバイスに適用可能な高品質な結晶を製造できる。
【符号の説明】
【００６９】
１００  窒素元素含有ガス供給口
１０１  チャンバ
１０２  種基板
１０４  原料加熱手段
１０５  ＩＩＩ族酸化物原料載置部
１０８  排出口
１０９  ホルダ
１１０  バックグラウンドガス導入管
１１１  還元性ガス導入管
１１２  基板加熱ヒータ
１１３  基板上流部加熱ヒータ
１１５  石英管
１１６  リング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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