(57)【要約】ＧａＮ等のガリウム含有窒化物のバルク単結晶を、ＳｉＣ等の異種基板上に成長させる方法であって、オートクレーブ中にアルカリ金属イオンを含有する超臨界アンモニア溶媒を形成し、該超臨界アンモニア中にガリウム含有フィードストックを溶解させ、超臨界溶媒へのガリウム含有フィードストックの溶解時より高温および／またはより低圧の条件において上記フィードストックの溶解した超臨界溶液からガリウム含有窒化物を、異種基板をシードとして結晶させるもので、該シードは構成元素に酸素を含まず、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６である。これにより導電性を有する基板上に窒化ガリウム系化合物半導体素子を形成することができる。
2002101126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウム含有窒化物のバルク単結晶を異種基板上に成長させる方法であって、オートクレーブ中にアルカリ金属イオンを含有する超臨界アンモニア溶媒を形成し、該超臨界アンモニア中にガリウム含有フィードストックを溶解させ、超臨界溶媒へのガリウム含有フィードストックの溶解時より高温および／またはより低圧の条件において上記フィードストックの溶解した超臨界溶液からガリウム含有窒化物を、構成元素に酸素を含まず、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面に結晶させることを特徴とするガリウム含有窒化物の異種基板上の形成法。
【請求項２】
シードが、体心立方結晶系のＭｏ，Ｗ、六方最蜜充填結晶系のα−Ｈｆ、α−Ｚｒ、正方晶系ダイアモンド、ＷＣ構造結晶系ＷＣ，Ｗ２Ｃ、ＺｎＯ構造結晶系ＳｉＣ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＡｌＮ、六方晶（Ｐ６／ｍｍｍ）系ＡｇＢ２、ＡｕＢ２、ＨｆＢ２、六方晶（Ｐ６３／ｍｍｃ）系γ−ＭｏＣ、ε−ＭｂＮから選ばれる層を少なくとも表面に有する請求項１記載の方法。
【請求項３】
オートクレイブ中に温度差を有する少なくとも２つの領域を同時形成し、ガリウム含有フィードストックを低温の溶解領域に配置し、シードを高温の結晶化領域に配置することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
ガリウム含有窒化物はＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
ガリウム含有窒化物はドナー、アクセプタまたは磁気性のドープを含有できることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
シードが有するガリウム含有窒化物の結晶層における表面欠陥密度は１０６／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
ガリウム含有窒化物の結晶化は１００〜８００℃、好ましくはの３００〜６００℃、より好ましくは４００〜５５０℃温度で行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
ガリウム含有窒化物の結晶化は１００〜１００００ｂａｒ、好ましくは１０００〜５５００ｂａｒ、より好ましくは１５００〜３０００ｂａｒの圧力で行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
超臨界溶媒内のアルカリ金属イオンの濃度はフィードストック及びガリウム含有窒化物の特定溶解度を確保できるように調整されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
超臨界溶液内の他の成分に対するアルカリ金属イオンのモル比を１：２００〜１：２、好ましくは１：１００〜１：５、より好ましく１：２０〜１：８の範囲以内に管理する請求項１記載の方法。
【請求項１１】
ガリウム含有窒化物のバルク単結晶を異種基板上に形成する方法であって、オートクレイブ内でガリウム含有フィードストックをアンモニアとアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に溶解し、ガリウム含有窒化物の溶解度が負の温度係数を有する超臨界溶液を供給し、上記超臨界溶液からガリウム含有窒化物の溶解度の負の温度係数を利用してオートクレーブ内に配置された、構成元素に酸素を含まず、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面のみにガリウム含有窒化物の結晶を選択的に成長されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
ガリウム含有窒化物のバルク単結晶を得る方法であって、オートクレイブ内でガリウム含有フィードストックをアンモニアとアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に溶解し、ガリウム含有窒化物の溶解度が正の圧力係数を有する超臨界溶液を供給し、上記超臨界溶液からガリウム含有窒化物の溶解度の正の圧力係数を利用してオートクレーブ内に配置された、構成元素に酸素を含まず、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面のみにガリウム含有窒化物の結晶を選択的に成長されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
シードが、体心立方結晶系のＭｏ，Ｗ、六方最蜜充填結晶系のα−Ｈｆ、α−Ｚｒ、正方晶系ダイアモンド、ＷＣ構造結晶系ＷＣ，Ｗ２Ｃ、ＺｎＯ構造結晶系ＳｉＣ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＡｌＮ、六方晶（Ｐ６／ｍｍｍ）系ＡｇＢ２、ＡｕＢ２、ＨｆＢ２、六方晶（Ｐ６３／ｍｍｃ）系γ−ＭｏＣ、ε−ＭｂＮから選ばれる１層を少なくとも表面に有する請求項１１又は１２記載の方法。
【請求項１４】
前記のガリウム含有窒化物とは窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１１または１２記載の方法。
【請求項１５】
ガリウム含有窒化物のバルク単結晶を結晶化させる方法であって、アンモニアとアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に溶解し、ガリウム含有窒化物の溶解度が負の温度係数を有する超臨界溶液を、少なくともオートクレーブ内の構成元素に酸素を含まず、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面を有するシードの配置された領域において、所定の温度に上昇または所定の圧力に低下させて超臨界溶液の溶解度を上記シードに対する過飽和領域であって、自発的結晶化が起こらない濃度以下に調節してオートクレーブ内に配置された上記シード面のみにガリウム含有窒化物の結晶を選択的に成長されることを特徴とする方法。
【請求項１６】
オートクレーブ内に溶解領域と結晶化領域という２つの領域を同時形成し、シードに対する超臨界溶液の過飽和の管理を溶解温度と結晶化温度の調整によって行われることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
結晶化領域の温度を４００〜６００℃の温度に設定することを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
オートクレーブ内に溶解領域と結晶化領域という２つの領域を同時形成し、領域間の温度差を１５０℃以下、好ましくは１００℃以下に保持することを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
オートクレイブ中に特定の温度差を有する溶解領域と結晶化領域という２つの領域を形成し、構成元素に酸素を含まず、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面を有するシードに対する超臨界溶液の過飽和調整は、シードの総面積を上回る総面積を有するＧａＮ結晶として投与されるガリウム含有フィードストックを利用することによって行われることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、超臨界溶液から異種基板となるシード上に結晶させることによって、ガリウム含有窒化物のバルク単結晶を異種基板上に成長させる方法に関する。
背景技術
窒化物を応用する電子光学機器は、一般的に堆積する窒化物層と異なるサファイヤ基板あるいは炭化珪素の基板の上に造られている（ヘテロエピタキシ）。最もよく使われるＭＯＣＶＤ法では、ＧａＮがアンモニアと金属有機化合物から気相成長するが、バルク単結晶層の生成は不可能であった。また、バッファ層の利用によって単位面積あたりの転位数が減らされるが、上記方法では約１０８／ｃｍ２までにしか低減できないのが現状である。
そこで、最近では表面の欠陥密度を低減させるために横方向成長法（ＥＬＯ）が使われている。この方法では、サファイア基板の上にＧａＮ層を成長させ、その上にさらに線状あるいは網状のＳｉＯ２を堆積させる。このように準備された基板に対しＧａＮの横方向成長が行われることによって、欠陥密度が約１０７／ｃｍ２以下に抑制される。しかし、この方法では１０６／ｃｍ２以下に低減するのは難しい。
他方、ＨＮＰ法［“Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ”Ｓ，Ｐｏｒｏｗｓｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｉｎｓｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒｉｅｓ，１３７，３６９（１９９８）］においては、結晶の成長を溶解したガリウムの中に、つまり液相で行い，１０ｍｍ程度のＧａＮ結晶を生成している。しかしながら、ガリウム内に十分な窒素溶解度を得るには、温度を１５００℃、窒素の圧力を１５ｋｂａｒに設定する必要がある。
そのため、成長工程の温度と圧力を低下するために、超臨界アンモニアの利用が提案されている［”Ａｍｍｏｎｏ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ＢＮ，ＡｌＮ，ａｎｄ  ＧａＮ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｇｒｏｗｔｈ”Ｒ．Ｄｗｉｌｉｎｓｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ＥＧＷ−３，Ｗａｒｓａｗ，Ｊｕｎｅ  ２２−２４，１９９８，ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ］、［“Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｉｎ  ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ  ａｍｍｏｎｉａ”Ｊ．Ｗ．Ｋｏｌｉｓ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  ２２２，４３１−４３４（２００１）］が提案されているが、０．５ｍｍ程度のＧａＮ結晶が得られたに過ぎず、バルク単結晶の得られないため、電子デバイス等の基板としては到底使用することができない。
発明の開示
（発明が解決しようとする技術的課題）
本発明者らは、アンモノ塩基性（ａｍｍｏｎｏ−ｂａｓｉｃ）を付与する１種または複数のミネラライザーを含む超臨界アンモニア溶媒中で起きる化学輸送を利用して、ガリウム含有窒化物の単結晶成長を得る方法を提供するに至ったが、ＧａＮ層の転位密度が１０６／ｃｍ２以下に低減すると、導電性機能が低減して電子デバイスの基板としては望ましくない。
そこで、本発明の第１の目的は、導電性等の機能を有する異種基板のシード上にガリウム含有窒化物のバルク単結晶を形成することができる方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は光学素子の基板として品質上に応用できる窒化物のバルク結晶基板を提供することにある。
（その解決方法）
上記目的を達成するための本発明の第１の構成は、アンモノ塩基性（ａｍｍｏｎｏ−ｂａｓｉｃ）を付与する１種または複数のミネラライザーを含む超臨界アンモニア溶媒中では酸素を構成成分としない、ａ０軸格子定数が２．８〜３．６の各種結晶構造が溶解しにくく、ガリウム含有窒化物の化学輸送が起き、ガリウム含有窒化物の単結晶成長を得ることができ、しかも比較的低温で結晶成長が行われるため、シードとして金属との導電性基板を用いても熱膨張差を緩和して支障なく結晶成長を行うことができることに基づくもので、
ガリウム含有窒化物のバルク単結晶を得る方法であって、オートクレイブ内でガリウム含有フィードストックをアンモニアとアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に溶解し、ガリウム含有窒化物の溶解度が負の温度係数を有する超臨界溶液を供給し、上記超臨界溶液からガリウム含有窒化物の溶解度の負の温度係数を利用してオートクレーブ内に配置された、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面のみにガリウム含有窒化物の結晶を選択的に成長されることを特徴とする方法、
およびガリウム含有窒化物のバルク単結晶を得る方法であって、オートクレイブ内でガリウム含有フィードストックをアンモニアとアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に溶解し、ガリウム含有窒化物の溶解度が正の圧力係数を有する超臨界溶液を供給し、上記超臨界溶液からガリウム含有窒化物の溶解度の正の圧力係数を利用してオートクレーブ内に配置された、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面のみにガリウム含有窒化物の結晶を選択的に成長されることを特徴とする方法を提供するものである。
（従来技術より有効な効果）
本発明によれば、酸素を構成要素としないので、超臨界アンモニア溶液中で溶解しにくく、しかもａ０軸格子定数が２．８〜３．６であるので、ＧａＮ（格子定数３．１６）系のガリウム含有窒化物を無理なく成長させることができる。しかも超臨界アンモニアでのガリウム含有窒化物の再結晶法は比較的低温で結晶成長が行われるため、シードとして金属との導電性基板を用いても熱膨張差を緩和して支障なく結晶成長を行うことができる。
上記シードは、具体的に、体心立方結晶系のＭｏ，Ｗ、六方最蜜充填結晶系のα−Ｈｆ、α−Ｚｒ、正方晶系ダイアモンド、ＷＣ構造結晶系ＷＣ，Ｗ２Ｃ、ＺｎＯ構造結晶系ＳｉＣ、特にα−ＳｉＣ，ＴａＮ、ＮｂＮ、ＡｌＮ、六方晶（Ｐ６／ｍｍｍ）系ＡｇＢ２、ＡｕＢ２、ＨｆＢ２、六方晶（Ｐ６３／ｍｍｃ）系γ−ＭｏＣ、ε−ＭｂＮから選ばれ、その少なくとも１層を表面に有するか、シード全体を上記組成で形成するようにしてもよい。
上記第１の構成において、第２の結晶化を行う工程はシード面に選択的結晶化を行わせることが肝要である。そこで、本件発明の第２の構成はガリウム含有窒化物のバルク単結晶を結晶化させる方法であって、アンモニアとアルカリ金属イオンを含有する超臨界溶媒の中に溶解し、ガリウム含有窒化物の溶解度が負の温度係数を有する超臨界溶液を、少なくともオートクレーブ内のａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面を有するシードの配置された領域において、所定の温度に上昇または所定の圧力に低下させて超臨界溶液の溶解度をシードに対する過飽和領域であって、自発的結晶化が起こらない濃度以下に調節してオートクレーブ内に配置されたシード面のみにガリウム含有窒化物の結晶を選択的に成長されることを特徴とする方法を提供するものである。
上記第２の構成においては、オートクレーブ内に溶解領域と結晶化領域という２つの領域を同時形成する場合は、シードに対する超臨界溶液の過飽和の管理を溶解温度と結晶化温度の調整によって行われるのが好ましい。そして、結晶化領域の温度を４００〜６００℃の温度に設定するが制御が容易であり、オートクレーブ内に溶解領域と結晶化領域の温度差を１５０℃以下、好ましくは１００℃以下に保持することにより制御が容易である。また、シードに対する超臨界溶液の過飽和調整はオートクレーブ内に低温の溶解領域と高温の結晶化領域を区分するバッフルを１または複数設け、溶解領域と結晶化領域の対流量を調整により行われるのがよい。さらに、オートクレイブ中に特定の温度差を有する溶解領域と結晶化領域という２つの領域を形成する場合は、シードに対する超臨界溶液の過飽和調整は、シードの総面積を上回る総面積を有するＧａＮ結晶として投与される、ガリウム含有フィードストックを利用するのがよい。
なお、上記第１の構成において、前記アルカリ金属のイオンがアルカリ金属またはハロゲン物質を含有しないミネラライザーの形で投与され、アルカリ金属イオンとしては、Ｌｉ＋，Ｎａ＋，Ｋ＋から選ばれる１種または２種が選ばれる。また、超臨界溶媒に溶解されるガリウム含有フィードストックはガリウム含有窒化物または超臨界溶液に溶解可能なガリウム化合物を生成できるガリウム前駆体からなる。
また、本発明方法はアンモノ塩基性反応に基づくものであるが、ガリウム含有フィードストックがＨＶＰＥで形成されたＧａＮまたは化学反応で形成されたＧａＮで、塩素を本来的に含むものであってもアンモノ塩基性超臨界反応を害しない限り問題はない。
上記第２の構成を利用する場合は、フィードストックとして超臨界アンモニア溶媒に対し平衡反応で溶解するガリウム含有窒化物と超臨界アンモニア溶媒に対し不可逆的に反応するガリウムメタルとの組み合わせを用いる事ができる。
前記のガリウム含有窒化物としては窒化ガリウムを用いると結晶化の反応制御が容易である。その場合は、シードとしてＳｉＣ単結晶を用いるのが好ましい。
本発明は、上記第１の溶解工程と第２の結晶化工程を同時に、かつオートクレーブ内で分離して行う方法として次の第４の構成を提供するものである。すなわち、ガリウム含有窒化物のバルク単結晶を得る方法であって、オートクレイブ中にアルカリ金属イオンを含有する超臨界アンモニア溶媒を形成し、該超臨界アンモニア溶媒中にガリウム含有フィードストックを溶解させ、超臨界溶媒へのガリウム含有フィードストックの溶解時より高温および／またはより低圧の条件において上記フィードストックの溶解した超臨界溶液からガリウム含有窒化物を、ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面に結晶させることを特徴とする方法を提供するものである。
第１の構成においては、ガリウム含有フィードストックの溶解工程とは別個に、超臨界溶液をより高温および／またはより低圧に移動させる工程を備えるのがよい。また、オートクレイブ中に温度差を有する少なくとも２つの領域を同時形成し、ガリウム含有フィードストックを低温の溶解領域に配置し，ａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面を有するシードを高温の結晶化領域に配置することにより実施される。溶解領域と結晶化領域の温度差は、超臨界溶液内の化学輸送を確保する範囲に設定される必要があり、超臨界溶液内の化学輸送を主として対流によって行われることができる。通常、溶解領域と結晶化領域の温度差は１℃以上である。好ましくは５〜１５０℃であり、さらに好ましくは１００℃以下である。
本発明において、ガリウム含有窒化物は以下のように定義され、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）を対象とし、用途に応じてドナー、アクセプタまたは磁気性のドープを含有できる。超臨界溶媒は以下のように定義され、ＮＨ３またはその誘導体を含み、ミネラライザーとしてアルカリ金属イオン、少なくともナトリウムまたはカリウムのイオンを含有する。他方、ガリウム含有フィードストックは主にガリウム含有窒化物またはその前駆体で構成され、前駆体はガリウムを含有するアジド、イミド、アミドイミド、アミド、水素化物、金属間化合物、合金および金属ガリウムから選らばれ、以下のように定義される。
本発明において、シードはａ０軸の格子定数が２．８〜３．６であるシード面を有し、その結晶層における表面欠陥密度は１０６／ｃｍ２以下であるのが好ましい。具体的に、体心立方結晶系のＭｏ，Ｗ、六方最蜜充填結晶系のα−Ｈｆ、α−Ｚｒ、正方晶系ダイアモンド、ＷＣ構造結晶系ＷＣ，Ｗ２Ｃ、ＺｎＯ構造結晶系ＳｉＣ特にα−ＳｉＣ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＡｌＮ、六方晶（Ｐ６／ｍｍｍ）系ＡｇＢ２、ＡｕＢ２、ＨｆＢ２、六方晶（Ｐ６３／ｍｍｃ）系γ−ＭｏＣ、ε−ＭｂＮから選ばれる。
本発明において、ガリウム含有窒化物の結晶化は１００〜８００℃範囲で行うことができるが、好ましくはの３００〜６００℃、より好ましくは４００〜５５０℃温度で行われるのがよい。また、ガリウム含有窒化物の結晶化は１００〜１００００ｂａｒで行うことができるが、好ましくは１０００〜５５００ｂａｒ、より好ましくは１５００〜３０００ｂａｒの圧力で行われるのがよい。
超臨界溶媒内のアルカリ金属イオンの濃度はフィードストック及びガリウム含有窒化物の特定溶解度を確保できるように調整され、超臨界溶液内の他の成分に対するアルカリ金属イオンのモル比は１：２００〜１：２であるが、好ましくは１：１００〜１：５、より好ましく１：２０〜１：８の範囲以内に管理するのがよい。
なお、本発明は、アンモノ塩基性（ａｍｍｏｎｏ−ｂａｓｉｃ）を付与する１種または複数のミネラライザーを含む超臨界アンモニア溶媒中で化学輸送が起き、ガリウム含有窒化物の単結晶成長を得る、アンモノ塩基性結晶成長技術に関するものであり、極めてオリジナリテイの高い技術であるため、本件発明において使用される以下の用語は、以下の本件明細書で定義された意味に解すべきである。
ガリウム含有窒化物とは、少なくとも構成要素として少なくともガリウムと窒素原子を含む化合物で、少なくとも二元化合物ＧａＮ、三元化合物ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮおよび４元化合物ＡｌＩｎＧａＮを含み、上記アンモノ塩基性結晶成長技術に反しない限り、ガリウムに対する他の元素の組成範囲は変わりうる。
ガリウム含有窒化物のバルク単結晶とは、ＭＯＣＶＤまたはＨＶＰＥ等のエピ成長方法によりＬＥＤ又はＬＤのような光および電子デバイスを形成することができるガリウム含有窒化物単結晶基板を意味する。
ガリウム含有窒化物の前駆物質とは、少なくとガリウム、要すればアルカリ金属、ＸＩＩＩ族元素、窒素および／又は水素を含む物質またはその混合物であって、金属Ｇａ、その合金または金属間化合物、その水素化物、アミド類、イミド類、アミド−イミド類、アジド類であって、以下に定義する超臨界アンモニア溶媒に溶解可能なガリウム化合物を形成できるものをいう。
ガリウム含有フィードストックとは、ガリウム含有窒化物またはその前駆物質をいう。
超臨界アンモニア溶媒とは、少なくともアンモニアを含み、超臨界ア該溶媒はガリウム含有窒化物を溶解させるための１種または複数のアルカリ金属イオンを含むものと理解する。
ミネラライザーとは、超臨界アンモニア溶媒にガリウム含有窒化物を溶解させるための１種または複数のアルカリ金属イオンを供給するものをいい、明細書には具体例が示されている。
ガリウム含有フィードストックの溶解とは、上記フィードストックが超臨界溶媒に対し溶解性ガリウム化合物、例えばガリウム錯体化合物の形態ををとる可逆性または非可逆性の過程をいう。ガリウム錯体化合物とはＮＨ３又はその誘導体ＮＨ２−、ＮＨ２−のような配位子がガリウムを配位中心として取り囲む錯体化合物を意味する。
超臨界アンモニア溶液とは、上記超臨界アンモニア溶媒とガリウム含有フィードストックの溶解から生ずる溶解性ガリウム化合物を意味する。我々は実験により、十分な高温高圧では固体のガリウム含有窒化物と超臨界溶液との間に平衡関係が存在するを見出しており、したがって、溶解性ガリウム含有窒化物の溶解度は固体のガリウム含有窒化物の存在下で上記溶解性ガリウム化合物の平衡濃度と定義することができる。かかる工程では、この平衡は温度および／または圧力の変化によりシフトさせることができる。
溶解度の負の温度係数とは、他の全てのパラメータを保持するとき溶解度が温度の減少関数（ｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙ  ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）で表されることを意味し、同様に、溶解度の正の圧力係数とは、他の全てのパラメータを保持するとき溶解度が温度の増加関数で表されることを意味する。我々の研究では、超臨界アンモニア溶媒におけるガリウム含有窒化物の溶解度は少なくとも３００から５５０℃に渡る温度領域、そして１から５．５Ｋｂａｒの圧力範囲で負の温度係数および正の圧力係数として現れる事を見出している。
ガリウム含有窒化物に対する超臨界アンモニア溶液の過飽和とは、上記超臨界アンモニア溶液中での可溶性ガリウム化合物の濃度が平衡状態の濃度、すなわち溶解度より高い事を意味する。閉鎖系ではガリウム含有窒化物の溶解の場合、このような過飽和は溶解度の負の温度係数または正の圧力係数に従い、温度の増加または圧力の減少により到達させることができる。
超臨界アンモニア溶液におけるガリウム含有窒化物の化学輸送とは、ガリウム含有フィードストックの溶解、可溶性ガリウム化合物の超臨界アンモニア溶液を通しての移動、過飽和超臨界アンモニア溶液からのガリウム含有窒化物の結晶化を含む、連続工程をいい、一般に化学輸送工程は温度勾配、圧力勾配、濃度勾配、溶解したフィードストックと結晶化した生成物の化学的又は物理的に異なる性質などの、ある駆動力により行われる。本件発明方法によりガリウム含有窒化物のバルク単結晶をえることができるが、上記化学輸送は溶解皇帝と結晶化工程を別々の領域で行い、結晶化領域を溶解領域より高い温度に維持することにより達成するのが好ましい。
シードとは本件明細書の中で例示してあるが、ガリウム含有窒化物の結晶化を行う領域を提供するものであり、結晶の成長品質を支配するので、品質の良いものが選ばれる。
自発的結晶化（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）とは、過飽和の超臨界アンモニア溶液からガリウム含有窒化物の核形成及び成長がオートクレーブ内でいずれのサイトにも起こる、望ましくない工程をいい、シード表面での異なる方向性の成長（ｄｉｓｏｒｉｅｎｔｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ）を含む。
シードへの選択的結晶化とは、自発的成長なく、結晶化がシード上で行われる工程をいう。バルク単結晶の成長には欠かせない実現すべき工程であり、本件発明方法の１つでもある。
オートクレーブとは形態を問わず、アンモノ塩基性結晶成長を行うための閉鎖系反応室をいう。また、本発明で使用するＧａＮペレットとはＧａＮ粉末を成形し、招請して密度を７０％以上にしたものをいい、密度の高い方が好ましい。
なお、本件発明の実施例ではオートクレーブ内の温度分布は超臨界アンモニアの存在しない、空のオートクレーブで測定したもので、実際の超臨界温度ではない。また、圧力は直接測定をおこなったか最初に導入したアンモニアの量およびオートクレーブの温度、容積から計算により決定したものである。
上記方法を実施するにあたっては、以下の装置を使用するのが好ましい。すなわち、本発明は超臨界溶媒を生成するオートクレーブ１を有する設備であって、前記オートクレーブには対流管理装置２が設置され、加熱装置５または冷却装置６を備えた炉ユニット４に投入されることを特徴とするガリウム含有窒化物のバルク単結晶の生産設備を提供するものでもある。
上記炉ユニット４は、オートクレーブ１の結晶化領域１４に相当する、加熱装置５を備えた高温領域およびオートクレーブ１の溶解領域１３に相当する、加熱装置５または冷却装置６を備えた低温領域を有するかまたは上記炉ユニット４は、オートクレーブ１の結晶化領域１４に相当する、加熱装置５または冷却装置６を備えた高温領域およびオートクレーブ１の溶解領域１３に相当する、加熱装５または冷却装置６を備えた低温領域を有する。対流管理装置２は、結晶化領域１４と溶解領域１３を区分し、中心あるいは周囲に穴のある横型バッフル１２一枚又は数枚で構成される。オートクレーブ１内には、フィードストック１６を溶解領域１３に、シード１７を結晶化領域１４に配置し、１３と１４領域間の超臨界溶液の対流を管理装置２によって設定するように構成される。溶解領域１３は横型バッフル１２の上位に、結晶化領域１４は横型バッフル１２の下位にあることを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
本発明方法においては、フィードストックの溶解工程と、シード面にガリウム含有窒化物結晶の成長が行われる高温または低圧条件に超臨界溶を移動させる工程を分けることができる。または、オートクレーブ中に温度差を有する少なくとも２つの領域に区分し，ガリウム含有フィードストックを低温の溶解領域に、シードを高温の結晶化領域に配置することも可能である。溶解領域と結晶化領域間の温度差を対流によって行われる超臨界溶液内の化学輸送が可能となる範囲に設定するが、前記の溶解領域と結晶化領域間の温度差が１℃以上である。ガリウム含有窒化物はＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）であり、ドナー、アクセプター、磁気性のドープなどを含有することができる。超臨界溶媒にはアルカリ金属（少なくともカリウム）のイオンを含有するＮＨ３またはその誘導体を用いることができる。フィードストックには、主にガリウム含有窒化物またはアジド、イミド、アミドイミド、アミド、水素化物、ガリウムを含有する金属化合物や合金、金属ガリウムの中から選べられるＧａＮ前駆体を用いることができる。シードは少なくともガリウムまたはその他の族番号１３（ＩＵＰＡＣ、１９８９）元素を含む窒化物の結晶層を有し，その結晶層の表面欠陥密度が１０６／ｃｍ２以下である。
ガリウム含有窒化物の結晶化が温度１００〜８００℃、圧力１００〜１００００ｂａｒの条件で行われ、超臨界溶媒におけるアルカリ金属イオンの濃度はフィードストックとガリウム含有窒化物の適当な溶解度を確保できるように調整され、超臨界溶媒内の他の成分に対するアルカリ金属イオンのモル比が１：２００〜１：２の範囲に管理される。
ガリウム含有窒化物の単結晶を生産する設備は、対流管理装置を備えた超臨界溶媒を生成するオートクレーブ及びオートクレーブが配置される加熱・冷却措置を備えた１台または数台の炉ユニットで構成される。炉ユニットにはオートクレーブの結晶化領域に相当する加熱措置を備えた高温領域とオートクレーブの溶解領域に相当する加熱・冷却装置を備えた低温領域がある。または加熱・冷却装置を備えた高温領域と加熱・冷却装置を備えた低温領域を有する炉ユニットも利用できる。上記の対流管理装置とは、結晶化領域と溶解領域を区分するように、中心あるいは周囲に穴のある横型バッフルの一枚または数枚で造るすることができる。オートクレーブ内にフィードストックを溶解領域に配置し，シードを結晶化領域に配置する。溶解領域と結晶化領域間の超臨界溶液の対流は前記の装置によって管理される。溶解領域は横型バッフルの上位に、結晶化領域は横型バッフルの下位に位置する。
実施された研究結果によると、最良のＧａＮバルク単結品の欠陥密度が約１０４／ｃｍ２であり、表面（０００２）に対するＸ線測定の半値幅が６０ａｒｃｓｅｃ以下であったので、それを用いる半導体素子の適切な品質と寿命特性を確保できる。
ＧａＮは、アルカリ金属あるいはその化合物（ＫＮＨ２等）を含有するＮＨ３において、良い溶解度を示す。Ｆｉｇ．１のグラフでは、超臨界溶媒内のＧａＮの溶解度は４００℃と５００℃Ｃの温度と圧力との関数として表示されたが、この溶解度はモル％：Ｓ≡ＧａＮ溶液：（ＫＮＨ２＋ＮＨ３）１００％と定義する。この場合の溶媒とは、モル比Ｘ≡ＫＮＨ２：ＮＨ３が０．０７となる超臨界アンモニア内のＫＮＨ２溶液である。前記のグラフによると、溶解度は圧力の増加関数であり、温度の減少関数である。この関係を利用し、溶解度の高い条件でガリウム含有窒化物の溶解を行い、溶解度が低い条件で結晶させることによって、ＧａＮのバルク単結晶を成長することができる。この負の温度勾配は、温度差が生じた場合においてガリウム含有窒化物の化学輸送が低温の溶解領域から高温の結晶化領域へ行われることを意味する。また、他のガリウム化合物も金属ガリウムもＧａＮ錯体の供給源として使用できることが明かになった。たとえば、上記の成分からなる溶媒に最も簡素な原料である金属ガリウムを始め、Ｇａ錯体を投与できる。次ぎに、加熱などのような条件変化を適切に行い、ガリウム含有窒化物に対して過飽和溶液をつくることによって、具体的に、体心立方結晶系のＭｏ，Ｗ、六方最蜜充填結晶系のα−ＨＩｆ、α−Ｚｒ、正方晶系ダイアモンド、ＷＣ構造結晶系ＷＣ，Ｗ２Ｃ、ＺｎＯ構造結晶系α−ＳｉＣ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＡｌＮ、六方晶（Ｐ６／ｍｍｍ）系ＡｇＢ２、ＡｕＢ２、ＨｆＢ２、六方晶（Ｐ６３／ｍｍｃ）系γ−ＭｏＣ、ε−ＭｂＮから選ばれるシード面に結晶が成長する。体心立方、面心立方晶の場合は［１，１，１］方向から切り出して用いるのがよく、導電性を有するα−ＳｉＣ、Ｍｏ，Ｗ等を用いるのが好ましい。本発明の方法は、シード面にガリウム含有窒化物のバルク単結晶の成長を可能にし、ＧａＮ結晶からなるシード上にバルク単結晶層として得られるＧａＮの化学量論的な成長に繋がる。前記の単結晶は、アルカリ金属イオンを含有する超臨界溶液内に成長されるので、得られた単結晶も０．１ｐｐｍ以上のアルカリ金属を含む。また、設備の腐食を防ぐ超臨界溶液の塩基性を保持するために、意図的に溶媒にハロゲン物質を投与しないのである。本発明の方法によって、０．０５〜０．５のＧａをＡｌまたはＩｎで置き代えることができる。成分を柔軟に変更できることによって、得られる窒化物の格子定数を調整することが可能である。更に、ＧａＮのバルク単結晶に濃度１０１７〜１０２１／ｃｍ３のドナー（Ｓｉ，Ｏ等）、アクセプター（Ｍｇ，Ｚｈ等）、磁気物質（Ｍｎ，Ｃｒ等）をドープすることができる。ドープによってガリウム含有窒化物の光学・、電気・磁気の特性が変えられる。その他の物理的な特性において、成長されたＧａＮのバルク単結晶表面の欠陥密度が１０６／ｃｍ２以下、好ましくは１０５／ｃｍ２以下、より好ましくは１０４／ｃｍ２以下である。また、（０００２）面に対するＸ線の半値幅は６００ａｒｃｓｅｃ以下、好ましくは３００ａｒｃｓｅｃ以下、より好ましくは６０ａｒｃｓｅｃ以下である。最良のバルクＧａＮ単結晶は、欠陥密度が約１０４／ｃｍ２以下、表面（０００２）に対するＸ線測定の半値幅が６０ａｒｃｓｅｃ以下で成長することができる。
実施例１
容積１０．９ｃｍ３の高圧オートクレーブ［Ｈ．Ｊａｃｏｂｓ，Ｄ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．８，ｅｄ．Ｅ．Ｋａｌｄｉｓ（ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，１９８１０，３８１設計）に坩堝２台を導入し、一つにフィードストックとしてＨＶＰＥ法で生成さられた厚み０．１ｍｍのＧａＮ薄板を０．４ｇ配置し、もう一つにα−ＳｉＣのシードを配置する。オートクレーブに純度４Ｎの金属カリウムを０．７２ｇ投与した。さらにアンモニアを４．８１ｇ投与した後、オートクレーブを密閉した。オートクレーブを炉に投入し、４００℃までに加熱する。オートクレーブ内の圧力は２ｋｂａｒとなる。８日後、温度を５００℃までに加熱し、圧力を２ｋｂａｒに保持した状態で更に８日間放置する（図２）。工程の結果として、フィードストックの全量が溶解し、部分的に溶解したシード上にＧａＮ層が再結晶する。
実施例２
容積１０．９ｃｍ３の高圧オートクレーブに坩堝２台を導入し、一つにフィードストックとしてＨＶＰＥ法で生成された厚み０．１ｍｍのＧａＮ薄板を０．４４ｇを入れ、もう一つにα−ＳｉＣのシードを配置する。オートクレーブに純度４Ｎの金属カリウムを０．８２ｇ投与する。さらにアンモニアを５．４３ｇ投与し、その後オートクレーブを密閉する。オートクレーブを炉に投入し、５００℃までに加熱する。オートクレーブ内の圧力は３．５ｋｂａｒとなる。２日後、圧力を２ｋｂａｒに低下させ，温度を５００℃で保持した状態で更に４日間放置する（図３）。工程の結果として、フィードストックの全量が溶解し、シード上にＧａＮ層が再結晶する。
実施例３
容積１０．９ｃｍ３の高圧オートクレーブに坩堝２台を導入し、一つにフィードストックとして純度６Ｎの金属ガリウムを０．３ｇ入れ、もう一つにα−ＳｉＣのシードを配置する。オートクレーブに純度４Ｎの金属カリウムを０．６ｇ投与し、さらにアンモニアを４ｇ投与した後、オートクレーブを密閉する。オートクレーブを炉に投入した後、２００℃までに加熱し、２日後に温度を５００℃までに加熱し、圧力は２ｋｂａｒとなる。この状態で更に４日間放置する（図４）。工程の結果として、フィードストックの全量が溶解し、シード上にＧａＮ層が再結晶した。
実施例４
容積３５．６ｃｍ３の高圧オートクレーブ１（図９）にＨＶＰＥ法で得られＧａＮの１．５ｇを溶解領域１３に、α−ＳｉＣの結晶を結晶化領域１４に配置し、純度４Ｎの金属カリウムを２．４ｇ加える。次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１５．９ｇ投与し，オートクレーブ１を密閉した後、炉ユニット４に入れて、４５０℃までに加熱する。オートクレーブ内の圧力は約２ｋｂａｒとなる。１日後、結晶化領域１４の温度を５００℃までに増加し、溶解領域１３の温度を４００℃までに低下する。この状態のオートクレーブ１を更に６日間放置する（図５）。工程の結果として、溶解領城１３のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領域１４のα−ＳｉＣシードの上に窒化ガリウムが成長した。
実施例５
容積３５．６ｃｍ３の高圧オートクレーブ１（図９）の溶解領域１３にＧａＮペレットからなるフォードストックを３．０ｇ配置し、結晶化領域１４にα−ＳｉＣのシードを配置する。更に純度４Ｎの金属カリウムを２．４ｇ加え、次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１５．９ｇ投与し，オートクレーブ１を密閉した後、炉ユニット４に入れて、４５０℃までに加熱する。オートクレーブ内の圧力は約２ｋｂａｒとなる。１日後、結晶化領域１４の温度を５００℃までに増加し、溶解領域１３の温度を４２０℃までに低下する。この状態のオートクレーブ１を更に６日間放置する（図６）。工程の結果として、溶解領域１３のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領域１４のシード上に窒化ガリウムが成長した。
実施例６
容積３６ｃｍ３の高圧オートクレーブ１（図９）の溶解領域１３にＨＶＰＥ法で得られたＧａＮからなるフォードストックを１．６ｇ配置し、結晶化領域１４にα−ＳｉＣのシードを配置した。更に純度４Ｎの金属カリウムを３．５６ｇ加え、次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１４．５ｇ投与し、オートクレーブ１を密閉する。オートクレーブ１を炉ユニット４に入れて、４２５℃までに加熱する。オートクレーブ内の圧力は約１．５ｋｂａｒとなる。１日後、溶解領域１３の温度を４００℃まで低下し、結晶化領域１４の温度を４５０℃までに増加させる。この状態のオートクレーブを更に８日間放置する（図７）。工程の結果として、溶解領域１３のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領域１４のα−ＳｉＣのシードの上に窒化ガリウムが成長する。
実施例７
容積３６ｃｍ３の高圧オートクレーブ１（図９）の溶解領域１３にＨＶＰＥ法で得られたＧａＮからなるフォードストックを２ｇ配置し、純度４Ｎの金属カリウムを０．４７ｇ加えた。結晶化領域１４にα−ＳｉＣのシードを配置した。次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１６．５ｇ投与し、オートクレーブ１を密閉する。オートクレーブ１を炉ユニット４に入れて、５００℃までに加熱する。オートクレーブ内の圧力は約３ｋｂａｒである。１日後、溶解領域１３の温度を４５０℃までに低下し、結晶化領域１４の温度を５５０℃まで増加させる。この状態のオートクレーブを更に８日間放置する（図８）。結果として、溶解領域１３のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領城１４のα−ＳｉＣのシード上に窒化ガリウムが成長する。
実施例８
容積３５．６ｃｍ３の高圧オートクレーブの溶解領域にフィードストックとしてＨＶＰＥ法で得られたＧａＮの１ｇを配置し、結晶化領域にα−ＳｉＣの結晶、シードを配置する。オートクレーブに純度６Ｎの金属ガリウムを１．２ｇと純度４Ｎの金属カリウムを２．２ｇ加え、次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１５．９ｇ投与し，オートクレーブを密閉した後、炉ユニットに入れて、２００℃までに加熱する。金属ガリウムの全量がガリウム錯体として溶液に溶解した３日後に温度を４５０℃に加熱する。オートクレーブ内の圧力は約２３０ＭＰａとなる。１日後、結晶化領域の温度を５００℃までに増加し、溶解領域の温度を３７０℃まで低下する。この状態のオートクレーブを更に２０日間放置する（図１１）。工程の結果として、溶解領域のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領域のシード両面に窒化ガリウム単結晶層が成長する。
実施例９
容積３５．６ｃｍ３の高圧オートクレーブの溶解領域にＧａＮペレットからなるフォードストックを３．０ｇ配置し、結晶化領域にα−ＳｉＣの結晶シードを配置した。更に純度４Ｎの金属カリウムを２．３ｇ加え、次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１５．９ｇ投与し，オートクレーブを密閉した。オートクレーブを炉ユニットに入れて、ＧａＮペレットを部分的に溶解することによってガリウム錯体で予備に飽和された溶液を得るために２５０℃までに加熱する。２日後、結晶化領域の温度を５００℃までに増加し、溶解領域の温度を４２０℃まで増加する。この状態のオートクレーブを更に２０日間放置する（図１２）。工程の結果として、溶解領域のフィードストックの多くが溶解し、結晶化領域のシード両面に、窒化ガリウム層が成長する。
実施例１０
容積３５．６ｃｍ３の高圧オートクレーブ１の溶解領域１３にＨＶＰＥ法で得られた厚み約１２０μｍのＧａＮ板からなるフォードストックを０．５ｇ配置し、結晶化領域１４にα−ＳｉＣの結晶シードを配置する。更に純度３Ｎの金属リチウムを０．４１ｇ加え、次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１４．４ｇ投与し，オートクレーブを密閉する。オートクレーブを炉ユニットに入れて、結晶化領域の温度を５５０℃まで増加させ、溶解領域の温度を４５０℃まで増加させる。得られる圧力は約２．６ｋｂａｒとなる。この状態のオートクレーブを８日間放置する（図１３）。工程の結果として、溶解領域のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領域のシード両面に窒化ガリウム層が成長する。
実施例１１
容積３５．６ｃｍ３の高圧オートクレーブの溶解領域１３にＨＶＰＥ法で得られた厚み約１２０μｍのＧａＮ板からなるフォードストックを０．５ｇ配置し、結晶化領域１４にα−ＳｉＣの結晶シードを配置した。更にオートクレーブに純度６Ｎの金属ガリウム０．０７１ｇと純度３Ｎの金属ナトリウムを１．４ｇ加え、次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１４．５ｇ投与し，オートクレーブを密閉する。オートクレーブを炉ユニットに入れて、２００℃までに加熱し、一日後、金属ガリウムを溶解し、超臨界溶液中に、溶解性のガリウムを形成する。そして、オートクレーブの結晶化領域の温度を５００℃まで増加させ、溶解領域の温度を４００℃まで増加させる。得られる圧力は約２．３ｋｂａｒとなる。この状態のオートクレーブを８日間放置する（図１４）。工程の結果として、溶解領城のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領域のシード両面に窒化ガリウム層が成長する。
実施例１２
容積３５．６ｃｍ３の高圧オートクレーブの溶解領域１３にＨＶＰＥ法で得られた厚み約１２０μｍのＧａＮ板からなるフォードストックを０．５ｇ配置し、結晶化領域１４にα−ＳｉＣの結晶シードを配置する。更にオートクレーブにガリウムアミド０．２０ｇと純度３Ｎの金属ナトリウムを１．４ｇ加え、次ぎにアンモニア（５Ｎ）を１４．６ｇ投与し，オートクレーブを密閉する。オートクレーブを炉ユニットに入れて、２００℃までに加熱し、一日後、ガリウムアミドを溶解し、超臨界溶液中に、溶解性のガリウムを形成する。そして、オートクレーブの結晶化領域の温度を５００℃まで増加させ、溶解領域の温度を４００℃まで増加させる。得られる圧力は約２．３ｋｂａｒとなる。この状態のオートクレーブを８日間放置する（図１４）。工程の結果として、溶解領域のフィードストックの一部が溶解し、結晶化領域のシード両面に窒化ガリウム層が成長する。
実施例１３
容積１０．９ｃｍ３の高圧オートクレーブに坩堝２台を導入し、一つにフィードストックとして純度６Ｎの金属ガリウムを０．３ｇ入れ、もう一つにα−ＳｉＣのシード３個を配置した。オートクレーブに純度４Ｎの金属ナトリウムを０．５ｇ投与し、さらにアンモニアを５．９ｇ投与した後、オートクレーブを密閉する。オートクレーブを炉に投入した後、２００℃までに加熱する。圧力は約２．５ｋｂａｒとなる。１日後に温度を５００℃までに加熱し、圧力を５ｋｂａｒの保持し、この状態で更に２日間放置する（図１５）。工程の結果として、フィードストックの全量が溶解し、シード上にＧａＮ層が再結晶する。
実施例１４
α−ＳｉＣのシードの代わりに、Ｍｏ体心立方晶を［１，１，１］方向から切り出し、シードとして用いる他は実施例１〜１３と同様にしてシード上にＧａＮ結晶の成長を得る。
実施例１５
α−ＳｉＣのシードの代わりに、Ｗ体心立方晶を［１，１，１］方向から切り出し、シードとして用いる他は実施例１〜１３と同様にしてシード上にＧａＮ結晶の成長を得る。
実施例１６
本発明に関わる方法は超臨界溶媒内にガリウム含有窒化物のバルク単結晶を生産する設備を利用して実施されている。この設備の主な部分は超臨界溶媒を生成するオートクレーブ１とオートクレーブ１の中にある超臨界溶液内の化学輸送を可能とする管理装置２で構成されている。上記のオートクレーブ１を加熱措置５または冷却装置６を備えた炉（２台）ユニット４の室内３に投入し、炉ユニット４に対して一定の位置を保つために、ボルトの固定装置７で固定する。炉ユニット４を炉床８に設置し、炉ユニット４と炉床８の周囲に巻かれたスチールテープ９で固定される。炉床８と炉ユニット４を回転台１０に設置し、特定の角度でピン固定装置１１で固定することによって、オートクレーブ１内の対流種類と対流速度を管理することができる。炉ユニット４に投入されたオートクレーブ１内の超臨界溶液の対流を、結晶化領域１４と溶解領域１３を区分し、中心あるいは周囲に穴のある横型バッフル１２一枚又は数枚で構成される対流管理装置２によって設定する。オートクレーブ１内の両領域の温度を、炉ユニット４に設置された制御装置１５によって、１００℃〜８００℃の範囲内に設定する。炉ユニット４の低温領域に相当するオートクレーブ１内の溶解領域１３は、横型バッフル１２の上位に位置され、その領域１３内にフィードストック１６を配置する。炉ユニット４の高温領域に相当するオートクレーブ内の結晶化領域１４は横型バッフル１２の下位に位置される。この領域１４にシード１７が配置されるが、その配置の位置を対流の上流と下流が交差する場所の下位に設定する。
産業上の利用の可能性
このように得られた異種基板シード、特に導電性を有するα−ＳｉＣ、Ｍｏ及びＷをシードとして用い、その上に成長させたガリウム含有窒化物のバルク単結晶は、好ましくは導電性を持つことができると同時に、結晶性が良いため、各種電子機器の基板、窒化物半導体を利用するレーザダイオードなどのような光学素子の基板として応用できるのである。
【図面の簡単な説明】
図１は、Ｔ＝４００℃とＴ＝５００℃において、圧力とカリウムアミド（ＫＮＨ２：ＮＨ３＝０．０７）を含有する超臨界アンモニア内のＧａＮ溶解度の関係を表すグラフである。
図２は、実施例１、ｐ＝ｃｏｎｓｔ．において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図３は、実施例２、Ｔ＝ｃｏｎｓｔ．において、時間経過によるオートクレーブ内の圧力変化を表すグラフである。
図４は、実施例３、固定容量において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図５は、実施例４において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図６は、実施例５において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図７は、実施例６において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図８は、実施例７において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図９は、実施例４、５、６，７記載のオートクレーブと炉ユニットの断図である。
図１０は、ガリウム含有窒化物のバルク単結晶を生産する設備の概要図である。
図１１は、実施例８において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図１２は、実施例９において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図１３は、実施例１０において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図１４は、実施例１１，１２において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
図１５は、実施例１３において、時間経過によるオートクレーブ内の温度変化を表すグラフである。
【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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【国際調査報告】
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