(57)【要約】【課題】目的の１つとして、種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法により、品質に優れたＧａ２Ｏ３系単結晶を育成することができる、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法、及びその育成方法に用いられる坩堝を提供する。【解決手段】一実施の形態として、種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法による、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成に用いられる坩堝であって、内側のサファイア層１０１と、外側のＩｒ層１０２からなる二層構造を有する、坩堝１０ａを提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法による、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成に用いられる坩堝であって、
内側のサファイア層と、外側のＩｒ層からなる層構造を有する、坩堝。
【請求項２】
前記内側のサファイア層が平板状のサファイア板であり、
前記外側のＩｒ層が矩形状の坩堝である、
請求項１に記載の坩堝。
【請求項３】
前記結晶育成法が、ＣＺ法、キロプロス法、又はブリッジマン法である、
請求項１又は２に記載の坩堝。
【請求項４】
前記サファイア層が多層構造を有する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の坩堝。
【請求項５】
内側のサファイア層と、外側のＩｒ層からなる層構造を有する坩堝内にＧａ２Ｏ３系融液を作製する工程と、
前記坩堝内の前記Ｇａ２Ｏ３系融液に種結晶を接触させ、Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる工程と、
を含む、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【請求項６】
前記坩堝の前記内側のサファイア層が平板状のサファイア板であり、
前記坩堝の前記外側のＩｒ層が矩形状の坩堝である、
請求項５に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【請求項７】
ＣＺ法、キロプロス法、又はブリッジマン法による、
請求項５又は６に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【請求項８】
前記サファイア層が多層構造を有する、
請求項５〜７のいずれか１項に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法、及び坩堝に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＺ（Czochralski）法やＥＦＧ（Edge-defined Film-fed Growth）法等の結晶育成法によりＧａ２Ｏ３単結晶を育成する技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１、２に開示される技術においては、Ｇａ２Ｏ３融液を受容し得る耐熱性を有する、Ｉｒ（イリジウム）からなる坩堝が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７３６８５号公報
【特許文献２】特開２０１４−２２１６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｉｒからなる坩堝を用いる場合、坩堝のＩｒと原料融液のＧａ２Ｏ３が反応し、反応物が原料融液の表面に浮遊することがある。このため、結晶育成法のうち、ＣＺ法、キロプロス法、ブリッジマン法等のように、種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる方法においては、この反応物が、育成されるＧａ２Ｏ３単結晶の表面に付着又は内部に取り込まれることで、多結晶化やクラックの発生等、結晶の品質の低下を引き起こすおそれがある。
【０００６】
そこで、上記の問題を解決するため、本発明の目的の１つは、種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法により、品質に優れたＧａ２Ｏ３系単結晶を育成することができる、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法、及びその育成方法に用いられる坩堝を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［４］の坩堝を提供する。また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、下記［５］〜［８］のＧａ２Ｏ３系単結晶の育成方法を提供する。
【０００８】
［１］種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法による、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成に用いられる坩堝であって、内側のサファイア層と、外側のＩｒ層からなる層構造を有する、坩堝。
【０００９】
［２］前記内側のサファイア層が平板状のサファイア板であり、前記外側のＩｒ層が矩形状の坩堝である、［１］に記載の坩堝。
【００１０】
［３］前記結晶育成法が、ＣＺ法、キロプロス法、又はブリッジマン法である、［１］又は［２］に記載の坩堝。
【００１１】
［４］前記サファイア層が多層構造を有する、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の坩堝。
【００１２】
［５］内側のサファイア層と、外側のＩｒ層からなる層構造を有する坩堝内にＧａ２Ｏ３系融液を作製する工程と、前記坩堝内の前記Ｇａ２Ｏ３系融液に種結晶を接触させ、Ｇａ２Ｏ３系単結晶を成長させる工程と、を含む、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【００１３】
［６］前記坩堝の前記内側のサファイア層が平板状のサファイア板であり、前記坩堝の前記外側のＩｒ層が矩形状の坩堝である、［５］に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【００１４】
［７］ＣＺ法、キロプロス法、又はブリッジマン法による、［５］又は［６］に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【００１５】
［８］前記サファイア層が多層構造を有する、［５］〜［７］のいずれか１項に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶の育成方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様によれば、種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法により、品質に優れたＧａ２Ｏ３系単結晶を育成することができる、Ｇａ２Ｏ３系単結晶の育成方法、及びその育成方法に用いられる坩堝を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施の形態に係る、ＣＺ法によりＧａ２Ｏ３系単結晶を育成するための結晶育成装置を模式的に示す垂直断面図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る坩堝の一例の垂直断面図である。
【図３】図３は、実施の形態に係る坩堝の一例の垂直断面図である。
【図４】図４は、実施の形態に係る坩堝の一例の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［実施の形態］
本実施の形態に係るＧａ２Ｏ３系単結晶は、（ＡｌｘＧａｙＩｎｚ）２Ｏ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶を母結晶とする単結晶であり、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｆｅ等の不純物を含んでいてもよい。また、本実施の形態に係るＧａ２Ｏ３系単結晶は、ＣＺ法、キロプロス法、ブリッジマン法等のような、種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法により育成される。
【００１９】
以下に、本実施の形態に係るＧａ２Ｏ３系単結晶の製造方法の一例について説明する。以下の例においては、ＣＺ法によりＧａ２Ｏ３系単結晶を育成する。
【００２０】
図１は、ＣＺ法によりＧａ２Ｏ３系単結晶２２を育成するための結晶育成装置１を模式的に示す垂直断面図である。結晶育成装置１は、坩堝１０と、坩堝１０を収容するセラミックス製の筒状容器１１と、筒状容器１１の周囲に巻回される高周波コイル１２を有する。
【００２１】
坩堝１０は、Ｇａ２Ｏ３系融液２０を収容する。Ｇａ２Ｏ３系融液２０は、坩堝１０内に入れたＧａ２Ｏ３粉末等の原料を溶解させることにより得られる。例えば、窒素雰囲気中で、高周波コイル１２から３０ｋＷの高周波エネルギーを坩堝１０に供給して、坩堝１０を誘導加熱することにより、原料を溶解させる。
【００２２】
種結晶２１は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる。種結晶２１は、結晶育成装置１の図示しない種結晶支持部に、上下移動及び回転可能に支持される。
【００２３】
Ｇａ２Ｏ３系単結晶２２は、種結晶２１を坩堝１０内のＧａ２Ｏ３系融液２０の表面に接触させ、引き上げることにより育成される。種結晶２１の引き上げ方向は特に限定されず、例えば、Ｇａ２Ｏ３系単結晶のａ軸、ｂ軸、又はｃ軸に平行な方向に引き上げられる。例えば、種結晶２１は、窒素雰囲気中、大気圧下、引き上げ温度１７５０〜１８００℃、回転速度５〜１５ｒｐｍ、引き上げ速度１〜５ｍｍ／ｈの条件で、Ｇａ２Ｏ３系単結晶のｂ軸に平行な方向に引き上げられる。
【００２４】
以下に、図２〜４を用いて坩堝１０の構造の例を示す。図２、図３、図４において示される坩堝１０をそれぞれ坩堝１０ａ、坩堝１０ｂ、坩堝１０ｃとする。
【００２５】
図２は、坩堝１０の一例である坩堝１０ａの垂直断面図である。坩堝１０ａは、内側のサファイア層１０１と外側のＩｒ層１０２の二層構造を有する。サファイア層１０１とＩｒ層１０２は、それぞれ椀型形状を有し、円筒状のサファイア坩堝とＩｒ坩堝をサファイア層１０１とＩｒ層１０２としてそれぞれ用いることができる。
【００２６】
Ｇａ２Ｏ３系融液２０はサファイア層１０１の内面に接しているが、サファイアはＧａ２Ｏ３系融液と反応しないため、反応物が生じてＧａ２Ｏ３系融液２０の表面に浮遊することはない。
【００２７】
しかし、サファイアはＩｒと比較して熱衝撃に弱いため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２２の育成の前後における昇温、降温によりサファイア層１０１にクラック１３が生じる可能性が高い。このため、Ｇａ２Ｏ３系融液２０は、クラック１３を通って外部へ浸み出ようとするが、サファイア層１０１の外側のＩｒ層１０２によって止められ、坩堝１０ａからＧａ２Ｏ３系融液２０が漏れることはない。
【００２８】
一方、上述のように、ＩｒはＧａ２Ｏ３系融液と反応する性質を有するが、Ｉｒ層１０２はサファイア層１０１の外側に位置するため、クラック１３内に浸み込んだＧａ２Ｏ３系融液２０とＩｒ層１０２が反応しても、反応物がＧａ２Ｏ３系融液２０の表面に浮遊することがない。
【００２９】
また、Ｉｒ層１０２は熱衝撃に強いため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２２の育成の前後における昇温、降温によりクラックが生じることはなく、クラック１３内に浸み込んだＧａ２Ｏ３系融液２０が坩堝１０ａから漏れることがない。
【００３０】
なお、サファイア層１０１外へのＧａ２Ｏ３系融液２０の浸み出しをより効果的に防ぐため、坩堝１０ａは、サファイア層１０１とＩｒ層１０２との間に隙間を含まないことが好ましい。
【００３１】
図３は、坩堝１０の一例である坩堝１０ｂの垂直断面図である。坩堝１０ｂのサファイア層は、内側のサファイア層１０１と外側のサファイア層１０３の二層構造を有する。サファイア層１０１、１０３とＩｒ層１０２は、それぞれ椀型形状を有し、円筒状のサファイア坩堝をサファイア層１０１及びサファイア層１０３として用いることができ、Ｉｒ坩堝をＩｒ層１０２として用いることができる。
【００３２】
Ｇａ２Ｏ３系融液２０はサファイア層１０１の内面に接しているが、サファイアはＧａ２Ｏ３系融液と反応しないため、Ｇａ２Ｏ３系融液２０とサファイア層１０１の反応による反応物が生じてＧａ２Ｏ３系融液２０の表面に浮遊することはない。
【００３３】
しかし、サファイアはＩｒと比較して熱衝撃に弱いため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２２の育成の前後における昇温、降温によりサファイア層１０１にクラック１３が生じる可能性が高い。このため、Ｇａ２Ｏ３系融液２０は、クラック１３を通って外部へ浸み出ようとするが、サファイア層１０１の外側のサファイア層１０３によって止められる。
【００３４】
サファイア層１０３もサファイアからなるため、昇温、降温によりクラック１４が生じる可能性が高いが、サファイア層１０１とサファイア層１０３は一体ではないため、サファイア層１０１のクラック１３とサファイア層１０３のクラック１４の位置が重なることはほとんどあり得ず、Ｇａ２Ｏ３系融液２０がサファイア層１０３の外側に浸み出すことはほとんどない。
【００３５】
また、サファイア層１０３もサファイアからなるため、クラック１３内に浸み込んだＧａ２Ｏ３系融液２０とサファイア層１０３は反応せず、Ｇａ２Ｏ３系融液２０とサファイア層１０３の反応による反応物が生じてＧａ２Ｏ３系融液２０の表面に浮遊することはない。
【００３６】
また、サファイア層１０１、１０３は、周囲をＩｒ層１０２に囲まれているため、ひびが生じても割れることはない。
【００３７】
なお、サファイア層１０１外へのＧａ２Ｏ３系融液２０の浸み出しをより効果的に防ぐため、坩堝１０ｂは、サファイア層１０１とサファイア層１０３との間に隙間を含まないことが好ましい。また、サファイア層は３層以上のサファイア層からなる多層構造を有してもよい。
【００３８】
図４は、坩堝１０の一例である坩堝１０ｃの斜視図である。坩堝１０ｃは、矩形坩堝１０４とその内側表面（側面及び底面）に貼り付けられたサファイア板１０５を有する。矩形坩堝１０４の内部は直方体又は立方体であり、複数の平板状のサファイア板１０５を用いて矩形坩堝１０４の内側表面の全体を覆うことができる。
【００３９】
板状のサファイアは、サファイア坩堝と比較して、安価で入手が容易であり、また、メンテナンスが容易である。
【００４０】
Ｇａ２Ｏ３系融液２０はサファイア板１０５に接しているが、サファイアはＧａ２Ｏ３系融液と反応しないため、反応物が生じてＧａ２Ｏ３系融液２０の表面に浮遊することはない。
【００４１】
しかし、サファイアはＩｒと比較して熱衝撃に弱いため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２２の育成の前後における昇温、降温によりサファイア板１０５にクラックが生じる可能性が高い。このため、Ｇａ２Ｏ３系融液２０は、クラックを通って外部へ浸み出ようとするが、サファイア板１０５の外側の矩形坩堝１０４によって止められ、坩堝１０ｃからＧａ２Ｏ３系融液２０が漏れることはない。
【００４２】
矩形坩堝１０４は、矩形状のＩｒ坩堝である。坩堝１０ａと同様に、サファイア板１０５のクラック内に浸み込んだＧａ２Ｏ３系融液２０と矩形坩堝１０４が反応しても、反応物がＧａ２Ｏ３系融液２０の表面に浮遊することがない。また、Ｉｒは熱衝撃に強いため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶２２の育成の前後における昇温、降温により矩形坩堝１０４にクラックが生じることはなく、坩堝１０ｃからＧａ２Ｏ３系融液２０が漏れることはない。
【００４３】
また、サファイア板１０５は、複数のサファイア板からなる多層構造を有してもよい。この場合、異なるサファイア層のクラックの位置が重なることはほとんどあり得ず、Ｇａ２Ｏ３系融液２０がサファイア板１０５の外側に浸み出し難くなる。
【００４４】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、坩堝内のＧａ２Ｏ３系融液の表面の反応物の浮遊、及び坩堝からのＧａ２Ｏ３系融液の漏れを防ぐことができるため、ＣＺ法、キロプロス法、ブリッジマン法等のように、種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法により、品質に優れたＧａ２Ｏ３系単結晶を育成することができる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００４６】
例えば、本発明は、キロプロス法、ブリッジマン法等の、ＣＺ法以外の種結晶を坩堝内の原料融液に直接接触させる結晶育成法にも適用することができる。これらの方法においても、ＣＺ法と同様に、坩堝内の原料融液から単結晶が直接成長するため、坩堝と原料融液の反応物が生じると、原料融液の表面に浮遊する反応物が単結晶の品質を低下させるためである。
【００４７】
また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００４８】
１…結晶育成装置、  １０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…坩堝、  ２０…Ｇａ２Ｏ３系融液、  ２１…種結晶、  ２２…Ｇａ２Ｏ３系結晶、  １０１、１０３…サファイア層、  １０２…Ｉｒ層、  １０４…矩形坩堝、  １０５…サファイア板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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