專利名稱：Ⅲ族元素氮化物結(jié)晶制造裝置以及Ⅲ族元素氮化物結(jié)晶制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉以及III族元素氮化物結(jié)晶制造裝置以及III族元素氮化物結(jié)晶制造方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)等III族元素氮化物化合物半導(dǎo)體(以下往往稱之為“III族氮化物半導(dǎo)體”或“GaN系半導(dǎo)體”)，作為發(fā)出藍(lán)色和紫外光的半導(dǎo)體元件的材料而備受關(guān)注。藍(lán)色激光二極管(LD)可應(yīng)用于高密度光盤(pán)和顯示器，而藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)可應(yīng)用于顯示器和照明等。另外，紫外線LD期待著應(yīng)用于生物技術(shù)等，而紫外線LED期待著作為熒光燈的紫外線光源。
LD和LED用III族氮化物半導(dǎo)體基板(例如GaN基板)，一般采用氣相外延生長(zhǎng)法制作。例如，在藍(lán)寶石基板上異質(zhì)外延生長(zhǎng)III族元素氮化物結(jié)晶。但是，在氣相外延生長(zhǎng)中，得到的結(jié)晶的質(zhì)量存在問(wèn)題。具體地說(shuō)，用該方法得到的結(jié)晶的位錯(cuò)密度通常為108cm-2～109cm-2，減少位錯(cuò)密度就成為重要的課題。為解決該課題，人們致力于降低位錯(cuò)密度，例如，開(kāi)發(fā)了ELOG(外延橫向過(guò)生長(zhǎng)Epitaxial lateralovergrowth)法，不過(guò)，該方法雖然可以降低位錯(cuò)密度，但其實(shí)施很煩雜，在實(shí)用化方面存在問(wèn)題。
另一方面，人們也就不采用氣相外延生長(zhǎng)而在液相中進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)的方法進(jìn)行了研究。起初，液相生長(zhǎng)法需要超高壓力以及超高溫，不過(guò)人們開(kāi)發(fā)了在Na助熔劑中使結(jié)晶生長(zhǎng)的方法，其結(jié)果，可以將壓力以及溫度的條件降低到大約700℃、50atm(50×1.01325×105Pa)左右。最近，在含有氨的氮?dú)鈿夥障?，?00℃、50atm(50×1.01325×105Pa)使Ga和Na的混合物熔化，使用該熔液使結(jié)晶生長(zhǎng)96小時(shí)，便可以得到最大結(jié)晶尺寸為1.2mm左右的單晶(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。另外，還提出了對(duì)反應(yīng)容器加壓并從外部加熱的結(jié)晶生長(zhǎng)裝置和生長(zhǎng)方法(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。
圖17表示液相生長(zhǎng)法所使用的制造裝置的一個(gè)實(shí)例(參照專利文獻(xiàn)3)。如圖示那樣，該裝置將反應(yīng)容器720收納在耐壓容器702內(nèi)。在上述耐壓容器702內(nèi)，具有用隔熱材料711包圍的空間，且在其內(nèi)壁配置有加熱器710，在該空間配置有上述反應(yīng)容器720。另外，在上述耐壓容器702的上部配置有壓力調(diào)整器770。蓋子721安設(shè)在上述反應(yīng)容器720上，在蓋子721上形成有貫通孔724。
使用該裝置的GaN結(jié)晶的制造例如按如下的方法實(shí)施。即首先在上述反應(yīng)容器720內(nèi)放入Ga以及Na，且將該反應(yīng)容器720收納在耐壓容器702內(nèi)。然后，使上述耐壓容器702內(nèi)部在含有氮?dú)鈿夥罩刑幱诩訅籂顟B(tài)，并用加熱器710進(jìn)行加熱，此時(shí)，上述反應(yīng)容器720內(nèi)的Ga以及Na便成為熔化狀態(tài)。在該圖中，731表示熔化狀態(tài)的Ga以及Na。在熔化狀態(tài)的Ca以及Na中溶解有氮，從而GaN得以生成并生長(zhǎng)出結(jié)晶。
另外，還提出了一種制造裝置，其具有2個(gè)壓力調(diào)整器，其中一個(gè)向反應(yīng)容器供氣，另一個(gè)向耐壓容器供氣，從而反應(yīng)容器內(nèi)和位于其外部的耐壓容器內(nèi)的氣體系統(tǒng)可以獨(dú)立控制(例如，參照專利文獻(xiàn)4)。
專利文獻(xiàn)1特開(kāi)2002-293696號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開(kāi)2001-102316號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3特開(kāi)2002-68897號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4特開(kāi)2001-58900號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容液相生長(zhǎng)法所具有的優(yōu)點(diǎn)是制造工序簡(jiǎn)單，而且所得到的結(jié)晶的尺寸也可以大型化。但是，得到的結(jié)晶的質(zhì)量還不夠充分好，特別是在GaN等III族元素氮化物的領(lǐng)域中，要求提高所得到的結(jié)晶的質(zhì)量。于是，本發(fā)明的目的在于提供一種可以制造高品質(zhì)結(jié)晶的III族元素氮化物結(jié)晶的制造裝置以及III族元素氮化物結(jié)晶的制造方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的裝置是一種結(jié)晶制造裝置，其使用含有III族元素、氮、以及堿金屬和堿土類金屬中的至少一種的結(jié)晶原料液，在含氮?dú)怏w的氣氛下進(jìn)行加壓加熱，使所述結(jié)晶原料液中的氮和III族元素反應(yīng)，從而生長(zhǎng)出III族元素氮化物結(jié)晶；該裝置的特征在于其具有可以配置所述結(jié)晶原料液的反應(yīng)容器、以及用于向所述反應(yīng)容器內(nèi)導(dǎo)入含氮?dú)怏w的氣體供給裝置；所述反應(yīng)容器和所述氣體供給裝置相連接；所述反應(yīng)容器具有氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口；在所述反應(yīng)容器中，從所述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入的含氮?dú)怏w中未被所述反應(yīng)所使用的含氮?dú)怏w，從所述氣體排出口排出。
另外，本發(fā)明的制造方法是一種結(jié)晶制造方法，其在反應(yīng)容器內(nèi)準(zhǔn)備含有III族元素、氮、以及堿金屬和堿土類金屬中的至少一種的結(jié)晶原料液，在含氮?dú)怏w的氣氛下進(jìn)行加熱加壓，使所述結(jié)晶原料液中的III族元素和氮反應(yīng)，從而生長(zhǎng)出III族元素氮化物結(jié)晶；該制造方法的特征在于所述反應(yīng)容器具有氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口；所述反應(yīng)容器和氣體供給裝置相連接；在所述反應(yīng)容器中，從所述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入的含氮?dú)怏w中未被所述反應(yīng)所使用的含氮?dú)怏w，從所述氣體排出口排出。
本發(fā)明者為實(shí)現(xiàn)上述目的，反復(fù)進(jìn)行了一系列的研究。在該研究過(guò)程中，查明了導(dǎo)入反應(yīng)容器的氣體中混入的雜質(zhì)對(duì)所獲得的結(jié)晶的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，進(jìn)一步反復(fù)進(jìn)行研究的結(jié)果，查明了在導(dǎo)入反應(yīng)容器的氣體中之所以混入雜質(zhì)，其原因在于耐壓容器。也就是說(shuō)，以前裝置的構(gòu)成是將氣體導(dǎo)向耐壓容器內(nèi)，再將該氣體導(dǎo)向反應(yīng)容器內(nèi)。為此，附著在加熱器(heater)、隔熱材料以及耐壓容器的內(nèi)壁等處的水分和氧氣等雜質(zhì)混入結(jié)晶生長(zhǎng)的場(chǎng)所，它們對(duì)所得到的結(jié)晶的質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響。與此相對(duì)照，本發(fā)明的裝置以及制造方法由于上述含氮?dú)怏w不通過(guò)耐壓容器而直接導(dǎo)入反應(yīng)容器，所以能夠防止附著在加熱器、隔熱材料以及耐壓容器的內(nèi)壁等處的雜質(zhì)混入結(jié)晶生長(zhǎng)的場(chǎng)所，其結(jié)果，可以提高所得到的結(jié)晶的質(zhì)量。再者，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行控制，常?？梢杂蓺怏w供給裝置供給雜質(zhì)較少的氣體，因而所具有的特征是容易控制結(jié)晶中各種摻雜劑的濃度，結(jié)果也可以提高載流子濃度的控制性。
另外，以前的裝置在使用堿金屬進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)的情況下，常常會(huì)產(chǎn)生的問(wèn)題是蒸發(fā)的堿金屬凝集在氣體導(dǎo)入口和與上述氣體導(dǎo)入口連接的導(dǎo)管上，堵塞上述氣體導(dǎo)入口和上述導(dǎo)管，以致不能向反應(yīng)容器內(nèi)供給含氮?dú)怏w。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明者進(jìn)一步進(jìn)行反復(fù)研究的結(jié)果，查明其原因在于反應(yīng)容器內(nèi)的氣體幾乎沒(méi)有流動(dòng)。也就是說(shuō)，以前的裝置在反應(yīng)容器內(nèi)，從氣體導(dǎo)入口供給的只是被反應(yīng)所使用的氮?dú)獬煞?，幾乎沒(méi)有氣體的流動(dòng)，從而堿金屬等因擴(kuò)散而凝集在氣體導(dǎo)入口以及與氣體導(dǎo)入口連接的導(dǎo)管上。另外，還存在下述的情況即堿金屬和堿土類金屬流入與氣體導(dǎo)入口連接的導(dǎo)管或氣體供給裝置內(nèi)而使它們發(fā)生腐蝕；以及腐蝕所產(chǎn)生的溶解物混入結(jié)晶生長(zhǎng)的場(chǎng)所而對(duì)得到的結(jié)晶質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。與此相對(duì)照，在本發(fā)明的裝置以及制造方法中，所使用的反應(yīng)容器除氣體導(dǎo)入口外，還設(shè)置有氣體排出口，在上述反應(yīng)容器中，從上述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入的含氮?dú)怏w中未被上述反應(yīng)所使用的含氮?dú)怏w，由于從上述氣體排出口排出，所以在反應(yīng)容器內(nèi)氣體經(jīng)常流向一恒定方向(流動(dòng)著)。為此，可以防止堿金屬以及堿土類金屬等在氣體導(dǎo)入口、氣體排出口以及與它們連接的導(dǎo)管中的凝集，可以防止堿金屬以及堿土類金屬等流入通過(guò)氣體導(dǎo)入口的氣體供給裝置。其結(jié)果，可以更進(jìn)一步提高所得到的結(jié)晶的質(zhì)量。


圖1是表示本發(fā)明的結(jié)晶制造裝置的一個(gè)實(shí)例之構(gòu)成的示意圖。
圖2是表示本發(fā)明的結(jié)晶制造裝置的另一個(gè)實(shí)例之構(gòu)成的示意圖。
圖3是表示本發(fā)明的結(jié)晶制造裝置的又一個(gè)實(shí)例之構(gòu)成的示意圖。
圖4是表示本發(fā)明的結(jié)晶制造裝置的再一個(gè)實(shí)例之構(gòu)成的示意圖。
圖5是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
圖6是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的另一個(gè)實(shí)例的示意圖。
圖7A是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的又一個(gè)實(shí)例的示意圖，圖7B以及7C是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器中的氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口之構(gòu)成的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
圖8是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的再一個(gè)實(shí)例的示意圖。
圖9是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的其它實(shí)例的示意圖。
圖10是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的另一其它實(shí)例的示意圖。
圖11是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的又一其它實(shí)例的示意圖。
圖12是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的再一其它實(shí)例的示意圖。
圖13是表示本發(fā)明的反應(yīng)容器之構(gòu)成的進(jìn)一步的實(shí)例的示意圖。
圖14是表示本發(fā)明的制造方法的一個(gè)實(shí)例的流程圖。
圖15是表示本發(fā)明的制造方法的另一個(gè)實(shí)例的流程圖。
圖16是表示半導(dǎo)體元件的一個(gè)實(shí)例的示意剖面圖，該半導(dǎo)體元件使用了由本發(fā)明的制造方法得到的結(jié)晶。
圖17是表示以前的結(jié)晶培育裝置的一個(gè)實(shí)例之構(gòu)成的示意圖。
符號(hào)說(shuō)明102、202、302、402、702耐壓容器103、203、303、403耐壓容器的蓋子110、310、710、410加熱器111、211、311、411、711隔熱材料120、220、320、420、520、720反應(yīng)容器121、221、321、421、521、721反應(yīng)容器的蓋子122、123、222、223、322、323、422、423、522、523導(dǎo)管
130、230、330、430、530坩堝131、231、331、431、531、731結(jié)晶原料140、141、240、241、340、341、440、441氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)150、250、350、351、450連接部160、260、360、361、460氣體流量調(diào)整器170、270、370、371、470壓力調(diào)整器180、280、380、381、480氣體供給裝置212高頻加熱器381第2氣體供給裝置524氣體導(dǎo)入口525氣體排出口526氣體排出管532液滴590擋板591冷卻管592液滴導(dǎo)桿593、724貫通孔90半導(dǎo)體元件91基板92、98接觸層93、97包覆層94、96光導(dǎo)層95多重量子阱層99絕緣膜100p側(cè)電極101n側(cè)電極具體實(shí)施方式
本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是具有耐壓容器以及用于加熱上述反應(yīng)容器的加熱器，上述反應(yīng)容器收納在上述耐壓容器內(nèi)，并通過(guò)上述氣體導(dǎo)入口將上述反應(yīng)容器和上述氣體供給裝置連接起來(lái)。另外，本發(fā)明的裝置進(jìn)一步優(yōu)選的是由上述氣體供給裝置供給的含氮?dú)怏w首先通過(guò)上述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入上述反應(yīng)容器內(nèi)，其次上述導(dǎo)入的含氮?dú)怏w中未被上述反應(yīng)所使用的含氮?dú)怏w可以從上述氣體排出口向上述耐壓容器的內(nèi)部以及外部的至少一方排出。上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口的數(shù)量并沒(méi)有特別的限制，既可以是1個(gè)，也可以是多個(gè)。此外，在本發(fā)明的裝置以及制造方法中，只要在反應(yīng)容器上形成可以導(dǎo)入或排出含氮?dú)怏w的孔作為上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口，則上述反應(yīng)容器就沒(méi)有什么特別的限制，例如也包括在上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口連接導(dǎo)管等。作為上述氣體導(dǎo)入口形態(tài)的具體實(shí)例，包括在反應(yīng)容器上形成孔作為氣體導(dǎo)入口的形態(tài)、以及將導(dǎo)管等與上述孔連接的形態(tài)等。另外，作為上述氣體排出口形態(tài)的具體實(shí)例，包括在反應(yīng)容器上形成孔作為氣體排出口的形態(tài)、將導(dǎo)管等與上述孔連接的形態(tài)、以及將后述的氣體排出管與上述孔連接的形態(tài)等。
在本發(fā)明的裝置中，上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口的內(nèi)徑優(yōu)選為10mm以下，更優(yōu)選為5mm以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.5mm～2mm。當(dāng)為上述范圍時(shí)，例如便可以更進(jìn)一步抑制蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等向氣體導(dǎo)入口的擴(kuò)散，在氣體導(dǎo)入口、氣體排出口以及與它們連接的導(dǎo)管等處的凝集，以及來(lái)自于耐壓容器內(nèi)的加熱器等的雜質(zhì)氣體(例如水分、氧氣等)通過(guò)氣體排出口向反應(yīng)容器內(nèi)的流入。上述氣體導(dǎo)入口的內(nèi)徑(A)和上述氣體排出口的內(nèi)徑(B)之比(A∶B)例如優(yōu)選為1∶2～2∶1。例如，當(dāng)相對(duì)于上述氣體導(dǎo)入口的內(nèi)徑而減小上述氣體排出口的內(nèi)徑時(shí)，可以更進(jìn)一步減少來(lái)自于反應(yīng)容器外部的雜質(zhì)氣體通過(guò)上述氣體導(dǎo)入口的流入。另一方面，當(dāng)相對(duì)于上述氣體導(dǎo)入口的內(nèi)徑而增大上述氣體排出口的內(nèi)徑時(shí)，可以更進(jìn)一步防止堿金屬以及堿土類金屬等通過(guò)氣體導(dǎo)入口向氣體供給裝置的倒流。
在本發(fā)明的裝置中，上述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口的至少一方中的上述含氮?dú)怏w的流速優(yōu)選為1cm/sec～500cm/sec，更優(yōu)選為1cm/sec～50cm/sec，進(jìn)一步優(yōu)選為2cm/sec～10cm/sec。更優(yōu)選將上述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口雙方中的含氮?dú)怏w的流速設(shè)定為上述范圍。另外，當(dāng)在這個(gè)范圍時(shí)，例如便可以更進(jìn)一步抑制蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等向氣體導(dǎo)入口的擴(kuò)散，在氣體導(dǎo)入口、氣體排出口以及與它們連接的導(dǎo)管等處的凝集，以及來(lái)自于耐壓容器內(nèi)的加熱器等的雜質(zhì)氣體(例如水分、氧氣等)通過(guò)氣體排出口向反應(yīng)容器內(nèi)的流入。除此之外，還可以抑制來(lái)自于結(jié)晶原料液的堿金屬和堿土類金屬等因上述氣體流動(dòng)所引起的蒸發(fā)的增加。為此，可以得到重現(xiàn)性更好、質(zhì)量更優(yōu)的結(jié)晶。此外，上述流速是在反應(yīng)容器內(nèi)的氣氛壓力和氣氛溫度下的數(shù)值。
本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是進(jìn)一步具有冷卻管以及氣體排出管，上述氣體排出管配置在上述氣體排出口，上述冷卻管被配置成靠近或接觸上述氣體排出管的周?chē)＿@樣，通過(guò)在上述氣體排出管上配置冷卻管以冷卻氣體排出管，可以在氣體排出口附近冷卻堿金屬和堿土類金屬等的蒸氣而使之液化(變?yōu)橐旱?，從而作為結(jié)晶原料液加以再利用。上述氣體排出管既能夠以貫穿上述氣體排出口、從而使排出管的一端位于反應(yīng)容器內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行配置，也能夠經(jīng)由上述氣體排出口在上述反應(yīng)容器的外部進(jìn)行配置。上述氣體排出管的形狀并沒(méi)有特別的限制，例如可以列舉出圓筒形狀、漏斗形狀等。例如通過(guò)設(shè)計(jì)為漏斗形狀，可以防止與堿金屬以及堿土類金屬等的液化相伴的氣體排出管的堵塞，而且可以更進(jìn)一步降低堿金屬以及堿土類金屬等的蒸發(fā)。這時(shí)，上述氣體排出口的內(nèi)徑例如為3mm～50mm，優(yōu)選為5mm～20mm。上述氣體排出管的內(nèi)部構(gòu)造并沒(méi)有特別的限制，例如優(yōu)選為多級(jí)地配置漏斗結(jié)構(gòu)、從而使氣體可以蜿蜒地通過(guò)的構(gòu)造，而且在上述相鄰的漏斗結(jié)構(gòu)中，其中心位置是相互偏離的。上述使用的冷卻管并沒(méi)有特別的限制，但從可以更局部地冷卻反應(yīng)容器內(nèi)的一部分的角度考慮，例如優(yōu)選的是內(nèi)徑為1mm～5mm的冷卻管。作為在上述冷卻管內(nèi)通過(guò)的冷卻介質(zhì)，并沒(méi)有什么特別的限制，例如可以列舉出室溫的氮?dú)庖约安换顫姎怏w(例如氬氣、氦氣等)等。這樣通過(guò)使用氣體作為上述冷卻介質(zhì)，例如即使在上述冷卻管的一部分發(fā)生損壞的情況下，也不會(huì)與上述結(jié)晶原料液的成分發(fā)生明顯而迅速的反應(yīng)。
本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是進(jìn)一步具有液滴導(dǎo)桿，而且上述液滴導(dǎo)桿的一端配置在上述氣體排出管上，另一端位于上述結(jié)晶原料液內(nèi)或上述結(jié)晶原料液的液面附近。上述氣體排出管以及上述液滴導(dǎo)桿的材質(zhì)并沒(méi)有特別的限制，例如可以使用氧化鋁、單晶藍(lán)寶石、氮化硼(BN)、鎢、鉭、Y2O3、CaO、MgO等與III族元素、堿金屬以及堿土類金屬難以反應(yīng)的材質(zhì)。
本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是替換上述氣體排出管或者與之并用，進(jìn)而具有回收裝置，并且上述回收裝置與上述壓力調(diào)整器相連接，從而通過(guò)上述回收裝置，可以回收由上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等。另外，通過(guò)上述回收裝置，也可以回收由上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的III族元素等。這樣一來(lái)，便可以防止上述蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等排放到裝置外的大氣中。在上述回收裝置中，主要回收蒸氣壓高的堿金屬和堿土類金屬的方法并沒(méi)有特別的限制，例如可以列舉出使其吸附于多孔陶瓷、多孔金屬等多孔材料上的方法等。另外，在上述回收裝置中，也可以采用下述的方法，即讓堿金屬以及堿土類金屬等的蒸氣與氧氣發(fā)生反應(yīng)，被水吸收后進(jìn)行回收，然后進(jìn)行中和處理。一般地說(shuō)，在半導(dǎo)體制造工藝中，微量的堿金屬和堿土類金屬等的污染也是很討厭的。通過(guò)設(shè)置上述回收裝置，例如即使在其它半導(dǎo)體制造裝置的附近設(shè)立本裝置的情況下，也可以消除蒸發(fā)物的主要成分即堿金屬和堿土類金屬等的污染。
本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是在上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口的至少一方設(shè)置余長(zhǎng)部(extra length portion)。上述余長(zhǎng)部的形狀并沒(méi)有特別的限制，不過(guò)優(yōu)選為線圈狀和波形狀。這樣一來(lái)，由上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等與余長(zhǎng)部的管壁發(fā)生碰撞而難以擴(kuò)散到外部，從而抑制了其排放到反應(yīng)容器外，例如可以抑制堿金屬以及堿土類金屬等的蒸氣向反應(yīng)容器外的排放，可以防止加熱器等的腐蝕。另外，例如可以更進(jìn)一步抑制蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等向氣體導(dǎo)入口的擴(kuò)散，在氣體導(dǎo)入口、氣體排出口以及與它們相連接的導(dǎo)管等上的凝集，以及來(lái)自于耐壓容器內(nèi)的加熱器等的雜質(zhì)氣體(例如水分、氧氣等)通過(guò)氣體排出口向反應(yīng)容器內(nèi)的流入。此外，上述余長(zhǎng)部由于可以防止結(jié)晶原料在其內(nèi)部進(jìn)行凝固，所以在將反應(yīng)容器設(shè)立于耐壓容器內(nèi)時(shí)，更優(yōu)選使其形成于接近加熱器的位置。上述余長(zhǎng)部的長(zhǎng)度并沒(méi)有特別的限制，不過(guò)優(yōu)選為5mm以上，更優(yōu)選為20mm以上，進(jìn)一步優(yōu)選為100mm以上，特別優(yōu)選為50mm～500mm的范圍。通過(guò)加長(zhǎng)余長(zhǎng)部，可以將堿金屬以及堿土類金屬等向反應(yīng)容器外部的擴(kuò)散抑制在最低限度。
本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是上述反應(yīng)容器在其內(nèi)部可以形成從上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等的濃度梯度。這樣，通過(guò)使用可以在上述反應(yīng)容器內(nèi)形成從上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等的濃度梯度的反應(yīng)容器，可以抑制堿金屬以及堿土類金屬等發(fā)生從上述結(jié)晶原料液的蒸發(fā)，例如，可以抑制氣體排出口中蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等因附著而引起的堵塞等。
在本發(fā)明的裝置中，作為可以形成上述濃度梯度的反應(yīng)容器，例如可以列舉出在氣體導(dǎo)入口的附近形成有氣體排出口的反應(yīng)容器、以及具有形成了貫通孔的擋板的反應(yīng)容器等。當(dāng)在氣體導(dǎo)入口的附近形成有氣體排出口時(shí)，氣體的導(dǎo)入口附近由于經(jīng)常供給含氮?dú)怏w，所以具有使堿金屬以及堿土類金屬等的濃度降低的傾向。其結(jié)果，氣體導(dǎo)入口附近在反應(yīng)容器內(nèi)部，成為堿金屬以及堿土類金屬等的濃度較低的區(qū)域。例如，在具有1個(gè)氣體導(dǎo)入口、和多個(gè)氣體排出口的情況下，優(yōu)選以相鄰的方式形成上述氣體排出口，以便使其包圍上述氣體導(dǎo)入口的周?chē)＿@樣一來(lái)，即使在上述氣體導(dǎo)入口附近形成了氣體排出口，由于比結(jié)晶生長(zhǎng)所需要的量過(guò)剩地供給含氮?dú)怏w，所以也不會(huì)在結(jié)晶生長(zhǎng)等方面產(chǎn)生問(wèn)題。另一方面，通過(guò)配置擋板，形成有氣體排出口的附近與結(jié)晶原料液的液面附近相比較，堿金屬以及堿土類金屬等的濃度能夠得以降低。也就是說(shuō)，通過(guò)配置上述擋板，由于可以更進(jìn)一步抑制堿金屬以及堿土類金屬等從結(jié)晶原料液的蒸發(fā)，因而可以減少堿金屬以及堿土類金屬等的蒸氣向反應(yīng)容器外的排放。
在本發(fā)明的裝置中，上述擋板在上述反應(yīng)容器內(nèi)被配置成，優(yōu)選比上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口更靠近結(jié)晶原料液的液面。擋板的數(shù)量并沒(méi)有特別的限制，既可以是1塊，也可以是多塊。另外，當(dāng)在反應(yīng)容器內(nèi)配置坩堝時(shí)，上述擋板也可以是上述坩堝的蓋子。作為上述擋板的貫通孔的位置，并沒(méi)有特別的限制，例如優(yōu)選在上述氣體導(dǎo)入口和上述擋板的貫通孔位置相對(duì)合的狀態(tài)下形成。例如，優(yōu)選上述導(dǎo)入口形成在反應(yīng)容器的上部壁面部，而在其正下方形成上述貫通孔，更優(yōu)選將導(dǎo)管與上述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口連接，而導(dǎo)管的另一端被配置為使其位于上述貫通孔的附近。通過(guò)設(shè)計(jì)為這樣的構(gòu)成，可以更進(jìn)一步抑制堿金屬以及堿土類金屬等從結(jié)晶原料液的蒸發(fā)。上述貫通孔的斷面形狀并沒(méi)有特別的限制，例如可列舉出向氣體導(dǎo)入口側(cè)逐漸擴(kuò)大的圓錐狀等。通過(guò)將上述貫通孔設(shè)計(jì)為上述圓錐狀，則由貫通孔供給的含氮?dú)怏w可以將從結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬積存在內(nèi)部，因而可以抑制上述堿金屬以及堿土類金屬的擴(kuò)散。上述貫通孔的內(nèi)徑例如為0.5mm～20mm，優(yōu)選為1mm～5mm。如果為這樣的范圍，則可以在供給結(jié)晶生長(zhǎng)所需要的充分量的氮?dú)?、且更進(jìn)一步抑制堿金屬以及堿土類金屬等從上述結(jié)晶原料的蒸發(fā)的條件下進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。上述貫通孔的數(shù)量并沒(méi)有特別的限制，既可以是1個(gè)，也可以是多個(gè)，例如，也可以形成多個(gè)0.5mm～3mm這樣內(nèi)徑比較小的貫通孔。
本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是在上述氣體導(dǎo)入口、或者上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口的雙方配置有連接部，且上述反應(yīng)容器從上述耐壓容器內(nèi)部是可以裝卸自如的。另外，本發(fā)明的裝置還優(yōu)選在上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口的至少一方配置氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)。這樣一來(lái)，便可以防止結(jié)晶原料等與外界氣體的接觸，從而進(jìn)一步提高所得到的結(jié)晶的質(zhì)量。當(dāng)為該裝置時(shí)，可以防止堿金屬等容易氧化的結(jié)晶原料的氧化，從而所得到的結(jié)晶的質(zhì)量變得更加優(yōu)良。此外，優(yōu)選在上述耐壓容器外面，于不活潑氣體的氣氛下，將結(jié)晶原料放入反應(yīng)容器后，進(jìn)而加熱上述反應(yīng)容器以形成上述結(jié)晶原料液。這樣一來(lái)，就可以使堿金屬以及堿土類金屬的至少一方與III族元素合金化，這與將它們分別熔化的情況相比，可以抑制高蒸氣壓材料(例如堿金屬以及堿土類金屬等)的蒸發(fā)。此外，這里所謂的上述不活潑氣體，是指氦氣、氬氣等稀有氣體或氮?dú)獾仍诟魈幚頊囟认虏慌c結(jié)晶原料反應(yīng)的氣體。另外，氮?dú)庠诘蜏叵驴梢钥醋魇遣换顫姎怏w，不過(guò)在結(jié)晶生長(zhǎng)溫度下不是不活潑氣體，而是反應(yīng)氣體。在本發(fā)明的裝置中，進(jìn)一步優(yōu)選具有攪拌上述結(jié)晶原料液的機(jī)構(gòu)。上述攪拌機(jī)構(gòu)并沒(méi)有特別的限制，例如可以列舉出與旋轉(zhuǎn)馬達(dá)連接的螺旋槳等。上述螺旋槳的材質(zhì)并沒(méi)有特別的限制，例如可以使用氧化鋁、單晶藍(lán)寶石、氮化硼(BN)、鎢、鉭、Y2O3、CaO、MgO等難以與III族元素、堿金屬以及堿土類金屬發(fā)生反應(yīng)的材質(zhì)。通過(guò)并用結(jié)晶原料的加熱以及攪拌，可以進(jìn)一步加速結(jié)晶原料液的均勻化。另外，由螺旋槳進(jìn)行的攪拌并不局限于結(jié)晶生長(zhǎng)中(高壓下)，也可以在常壓(例如手套箱內(nèi))下進(jìn)行，與在高壓下進(jìn)行攪拌的情況相比，攪拌要容易得多。
在本發(fā)明的裝置中，借助于用上述氣體供給裝置供給的上述含氮?dú)怏w，上述反應(yīng)容器內(nèi)以及上述耐壓容器內(nèi)雙方的氣氛壓力也可以得到控制。本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是還具有氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器，經(jīng)由上述氣體流量調(diào)整器從上述氣體供給裝置向上述反應(yīng)容器導(dǎo)入上述含氮?dú)怏w，上述耐壓容器有氣體排出口，在該氣體排出口連接著上述壓力調(diào)整器，通過(guò)上述氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器，可以控制上述反應(yīng)容器內(nèi)以及上述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力。
在本發(fā)明的裝置中，上述氣體供給裝置包括第1氣體供給裝置以及第2氣體供給裝置，上述耐壓容器具有氣體導(dǎo)入口，上述第1氣體供給裝置與上述反應(yīng)容器的上述氣體導(dǎo)入口相連接，上述反應(yīng)容器的氣體排出口與上述耐壓容器外部直接連通，上述第2氣體供給裝置與上述耐壓容器的上述氣體導(dǎo)入口相連接，借助于上述第1氣體供給裝置以及上述第2氣體供給裝置，也可以分別獨(dú)立地控制上述反應(yīng)容器內(nèi)以及上述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力。上述耐壓容器也可以進(jìn)一步具有氣體排出口。本發(fā)明的裝置優(yōu)選的是進(jìn)一步具有第1氣體流量調(diào)整器、第2氣體流量調(diào)整器、第1壓力調(diào)整器以及第2壓力調(diào)整器，經(jīng)由上述第1氣體流量調(diào)整器從上述第1氣體供給裝置向上述反應(yīng)容器導(dǎo)入含氮?dú)怏w，上述反應(yīng)容器的上述氣體排出口和上述第1壓力調(diào)整器連接，經(jīng)由上述第2氣體流量調(diào)整器從上述第2氣體供給裝置向上述耐壓容器導(dǎo)入氣體，上述耐壓容器的上述氣體排出口與上述第2壓力調(diào)整器相連接，借助于上述第1氣體流量調(diào)整器和第1壓力調(diào)整器，上述反應(yīng)容器內(nèi)的氣氛壓力得以控制，借助于上述第2氣體流量調(diào)整器以及第2壓力調(diào)整器，上述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力得以控制。
在本發(fā)明的裝置中，所謂導(dǎo)入到上述耐壓容器的氣體和導(dǎo)入到上述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w，既可以是相同的，也可以是不同的。在不同的情況下，既可以是氣體的種類不同，也可以是種類相同但純度不同。例如，可以將導(dǎo)入到上述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w設(shè)定為氮?dú)?，將?dǎo)入到上述耐壓容器的氣體設(shè)定為稀有氣體或空氣。另外，可以將導(dǎo)入到上述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w的純度設(shè)定為99.9％以上，將導(dǎo)入到上述耐壓容器的氣體的純度設(shè)定為99％以下。
在本發(fā)明的裝置中，上述氣體的供給也可以采用一組氣體流量調(diào)整器和壓力調(diào)整器的組合來(lái)進(jìn)行控制。反應(yīng)容器內(nèi)的溫度例如當(dāng)使其從室溫上升到結(jié)晶生長(zhǎng)溫度(例如800℃)時(shí)，反應(yīng)容器內(nèi)和耐壓容器內(nèi)的氣體溫度就會(huì)上升而使氣體膨脹。因此，當(dāng)考慮氣體的膨脹時(shí)，僅采用氣體流量調(diào)整器和壓力調(diào)整器就難以使供給的氣體的量保持恒定。于是，通過(guò)組合氣體流量調(diào)整器和壓力調(diào)整器，即使在加熱器的溫度發(fā)生變化時(shí)，也可以將向反應(yīng)容器和耐壓容器供給的氣體量保持恒定，而且也可以將氣氛壓力保持恒定。其結(jié)果，可以抑制蒸發(fā)特別激烈的堿金屬以及堿土類金屬等在反應(yīng)容器內(nèi)的蒸發(fā)，可以最佳地控制所必須的最低限度的氣體流動(dòng)。上述氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器可以使用以前的氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器。
在本發(fā)明的裝置中，上述加熱器并沒(méi)有特別的限制，例如有感應(yīng)加熱型加熱器(高頻線圈)、電阻加熱器(鎳鉻耐熱合金、坎塔爾鐵鉻鋁系電阻合金、SiC、MoSi2加熱器等)等，其中，優(yōu)選使用高溫時(shí)雜質(zhì)氣體的產(chǎn)生較少的感應(yīng)加熱型加熱器。
其次，如上所述，本發(fā)明的制造方法是一種下述的結(jié)晶制造方法，即在反應(yīng)容器內(nèi)，準(zhǔn)備好含有III族元素、氮、以及堿金屬和堿土類金屬的至少一種的結(jié)晶原料液，在含氮?dú)怏w的氣氛下加熱加壓，使上述結(jié)晶原料液中的III族元素和氮發(fā)生反應(yīng)，從而生長(zhǎng)出III族元素氮化物結(jié)晶；而且上述反應(yīng)容器具有氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口，上述反應(yīng)容器和氣體供給裝置相連接，在上述反應(yīng)容器中，將從上述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入的含氮?dú)怏w中未被上述反應(yīng)所使用的含氮?dú)怏w，從上述氣體排出口排出。本發(fā)明的制造方法例如可以使用上述本發(fā)明的制造裝置來(lái)進(jìn)行。
本發(fā)明的制造方法優(yōu)選的是在耐壓容器中收納著上述反應(yīng)容器，經(jīng)由上述氣體導(dǎo)入口將上述反應(yīng)容器和氣體供給裝置連接起來(lái)，從而由上述氣體供給裝置供給的含氮?dú)怏w首先通過(guò)上述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入上述反應(yīng)容器內(nèi)，其次，上述導(dǎo)入的含氮?dú)怏w中未被上述反應(yīng)所使用的含氮?dú)怏w從上述氣體排出口排出到上述耐壓容器的內(nèi)部以及外部的至少一方。
在本發(fā)明的制造方法中，優(yōu)選對(duì)上述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口中上述含氮?dú)怏w的流速進(jìn)行調(diào)整，例如調(diào)整為1cm/sec～500cm/sec。更優(yōu)選為1cm/sec～50cm/sec，進(jìn)一步優(yōu)選為2cm/sec～10cm/sec，上述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口雙方的含氮?dú)怏w的流速更優(yōu)選設(shè)定為上述范圍。上述氣體的流速例如可以使用具有上述第1氣體流量調(diào)整器以及第2氣體流量調(diào)整器的上述本發(fā)明的裝置、并通過(guò)上述第1氣體流量調(diào)整器以及第2氣體流量調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整。此外，上述流速是在反應(yīng)容器內(nèi)的氣氛壓力和氣氛溫度下的數(shù)值。
本發(fā)明的制造方法在上述反應(yīng)容器內(nèi)，優(yōu)選形成從上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬的至少一種的濃度梯度。
本發(fā)明的制造方法優(yōu)選的是在上述氣體導(dǎo)入口、或者上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口的雙方配置有連接部，且上述反應(yīng)容器從上述耐壓容器內(nèi)部是可以裝卸自如的。另外，本發(fā)明的制造方法還優(yōu)選在上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口的至少一方配置氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，且上述反應(yīng)容器使用從上述耐壓容器內(nèi)部可以裝卸自如的裝置，在結(jié)晶制造之前，于上述耐壓容器外面，在不活潑氣體的氣氛下，將結(jié)晶原料放入上述反應(yīng)容器，關(guān)閉上述氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)以密閉上述反應(yīng)容器，將該反應(yīng)容器收納在上述耐壓容器內(nèi)，借助于上述連接部將上述氣體供給裝置和上述反應(yīng)容器連接起來(lái)，打開(kāi)上述氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，在該狀態(tài)下將上述含氮?dú)怏w導(dǎo)入上述反應(yīng)容器內(nèi)。這樣一來(lái)，由于可以防止結(jié)晶原料等與外界氣體的接觸，因此例如可以防止堿金屬等的氧化，所得到的結(jié)晶的質(zhì)量將變得更為優(yōu)良。此外，在上述耐壓容器外面，優(yōu)選在不活潑氣體的氣氛下，將結(jié)晶原料放入反應(yīng)容器后，進(jìn)一步加熱上述反應(yīng)容器以形成上述結(jié)晶原料液。這樣一來(lái)，便可以使堿金屬以及堿土類金屬的至少一方與III族元素合金化，這與將它們分別熔化的情況相比，可以抑制高蒸氣壓材料(例如堿金屬以及堿土類金屬等)的蒸發(fā)。上述不活潑氣體如前所述。
在本發(fā)明的制造方法中，進(jìn)一步優(yōu)選含有攪拌上述結(jié)晶原料液的工序。上述結(jié)晶原料液的攪拌方法并沒(méi)有特別的限制，例如可以列舉出將反應(yīng)容器的底部加熱至高溫而利用熱對(duì)流進(jìn)行攪拌的方法，以及將與旋轉(zhuǎn)馬達(dá)連接的螺旋槳浸漬在結(jié)晶原料液中、使該螺旋槳旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行攪拌的方法等。上述螺旋槳的材質(zhì)如上所述。通過(guò)并用結(jié)晶原料液的加熱以及攪拌，便可以進(jìn)一步加快結(jié)晶原料液的均勻化。另外，利用溫度梯度和螺旋槳進(jìn)行的攪拌并不局限于結(jié)晶生長(zhǎng)中(高壓下)，也可以在常壓(例如手套箱內(nèi))下進(jìn)行，與在高壓下進(jìn)行攪拌的情況相比，攪拌要容易得多。
本發(fā)明的制造方法優(yōu)選的是還具有氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器，經(jīng)由上述氣體流量調(diào)整器從上述氣體的供給裝置將含氮?dú)怏w導(dǎo)入到上述反應(yīng)容器，上述耐壓容器具有氣體排出口，在該氣體排出口連接著上述壓力調(diào)整器，借助于上述氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器，使用上述反應(yīng)容器內(nèi)和上述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力得以控制的裝置，便將同一氣體導(dǎo)入到上述耐壓容器以及上述反應(yīng)容器。
在本發(fā)明的制造方法中，優(yōu)選在結(jié)晶制造之前，對(duì)上述反應(yīng)容器以及上述耐壓容器進(jìn)行雜質(zhì)氣體的去除處理。作為上述雜質(zhì)氣體的去除處理方法，并沒(méi)有特別的限制，例如有烘烤、真空排氣以及將它們進(jìn)行組合的方法等。
在本發(fā)明的裝置以及制造方法中，上述結(jié)晶原料液中含有的氮的氮源并沒(méi)有特別的限定，例如也可以是含氮?dú)怏w、混入原料液中的氮化合物等。作為上述氮化合物，例如可列舉出聯(lián)氨(H2NNH2)以及疊氮化鈉等。上述含氮?dú)怏w例如優(yōu)選的是氮?dú)?、氨氣或這兩種氣體的混合氣體等。上述含氮?dú)怏w例如也可以含有不活潑氣體(例如Ar、He以及Ne)以及氫氣等。作為上述含氮?dú)庠矗部梢允褂寐?lián)氨，這時(shí)，聯(lián)氨由于在180℃分解為氨以及氮，所以，例如既可以將加熱聯(lián)氨所得到的氣體直接作為含氮?dú)怏w供給，也可以用氮?dú)?N2)以及上述不活潑氣體等載氣稀釋后供給。
在本發(fā)明的裝置以及制造方法中，上述III族元素優(yōu)選的是從鎵、鋁以及銦中選擇的至少一種，上述結(jié)晶優(yōu)選的是AlxGayIn1-x-yN(其中，0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)。
在本發(fā)明的裝置以及制造方法中，作為上述堿金屬，可以列舉出鋰、鈉、鉀、銣以及銫，作為上述堿土類金屬，例如可以列舉出鈣、鎂、鈹、鍶、鋇等，它們既可以單獨(dú)使用，也可以并用2種或更多種。此外，在本發(fā)明中，所謂堿土類金屬包括鈣、鎂、鈹、鍶以及鋇。另外，在本發(fā)明的裝置以及制造方法中，作為摻雜劑，上述結(jié)晶原料液例如也可以含有硅(Si)、鋅(Zn)以及鎂(Mg)等n型以及p型摻雜劑。
其次，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件是含有采用本發(fā)明的制造方法制作的III族元素氮化物結(jié)晶的半導(dǎo)體元件。另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件是含有采用本發(fā)明的制造方法制作的III族元素氮化物結(jié)晶的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
下面用實(shí)施例就本發(fā)明的裝置以及制造方法進(jìn)行更為具體的說(shuō)明，不過(guò)，本發(fā)明并不局限于以下的實(shí)施例。
實(shí)施例1圖1的構(gòu)成圖表示本發(fā)明的裝置的一個(gè)實(shí)例。如圖所示，該裝置包括氣體供給裝置180、反應(yīng)容器120、耐壓容器102以及加熱器110，在上述耐壓容器102內(nèi)收納著上述反應(yīng)容器120，在上述反應(yīng)容器120內(nèi)可以配置坩堝130。上述耐壓容器102在其上部配置有蓋子103，從而使上述耐壓容器102的密閉成為可能，而且在上述耐壓容器102的內(nèi)壁附近配置有隔熱材料111，在用該隔熱材料111覆蓋的空間內(nèi)配置有加熱器110，上述反應(yīng)容器120配置成被該加熱器110所包圍的狀態(tài)。上述反應(yīng)容器120可以使用蓋子121密閉其上部。在氣體供給裝置180上連接著導(dǎo)管122，在該導(dǎo)管122的中間，配置著氣體流量調(diào)整器160、連接部150以及氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)140，上述導(dǎo)管122的頂端與上述反應(yīng)容器120的蓋子121上所形成的氣體導(dǎo)入口相連接。另一導(dǎo)管123的一端與在上述蓋子121的其它部分所形成的氣體排出口相連接，在該導(dǎo)管123的中間，配置著氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)141，上述導(dǎo)管123的另一端位于上述耐壓容器102內(nèi)。此外，在這個(gè)實(shí)例中，包含氣體導(dǎo)入口以及與上述氣體導(dǎo)入口連接的導(dǎo)管122的形態(tài)為氣體導(dǎo)入口，包含氣體排出口以及與上述氣體排出口連接的導(dǎo)管122的形態(tài)為氣體排出口。另外，在與上述氣體排出口連接的導(dǎo)管123以及在其中間所配置的氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)141等處，例如配置有輔助加熱器等，借助于上述輔助加熱器對(duì)上述導(dǎo)管123等進(jìn)行加熱，也可以進(jìn)一步抑制堿金屬以及堿土類金屬等在氣體排出口附近的凝集。此外，本發(fā)明所使用的坩堝130并沒(méi)有特別的限制，例如可以使用氧化鋁、單晶藍(lán)寶石、氮化硼(BN)、鎢、鉭、Y2O3、CaO、MgO等難以與III族元素、堿金屬以及堿土類金屬反應(yīng)的材料制作的坩堝。此外，在本發(fā)明中，坩堝130不是必要的，將結(jié)晶原料投入上述反應(yīng)容器120中，也可以在其中進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。另外，在使用坩堝的情況下，由于抑制了從上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等的擴(kuò)散，因此也可以將開(kāi)有氣體導(dǎo)入用微孔的蓋子蓋在上述坩堝上。
圖5表示本發(fā)明的裝置所使用的反應(yīng)容器之構(gòu)成的一個(gè)實(shí)例。在圖1中，將與氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口連接的導(dǎo)管122以及123的長(zhǎng)度(高度)設(shè)定為相同，不過(guò)，如圖5所示，相對(duì)于與氣體導(dǎo)入口連接的導(dǎo)管，也可以將與氣體排出口連接的導(dǎo)管設(shè)定得更短(更低)一些。這樣一來(lái)，為使從上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等容易流動(dòng)起來(lái)，可以將與氣體排出口連接的導(dǎo)管靠近加熱器，從而可以防止結(jié)晶原料(特別是堿金屬以及堿土類金屬)在與氣體排出口連接的導(dǎo)管內(nèi)凝固。圖6表示本發(fā)明的裝置所使用的反應(yīng)容器之構(gòu)成的另一個(gè)實(shí)例。如圖所示，在與氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口連接的導(dǎo)管上也可以設(shè)立余長(zhǎng)部。上述余長(zhǎng)部的形狀和長(zhǎng)度等如前所述。另外，關(guān)于這些反應(yīng)容器的形狀，在以下的實(shí)例中也同樣。
關(guān)于使用圖1記載的裝置的III族元素氮化物結(jié)晶的制造方法，根據(jù)圖14的流程圖進(jìn)行說(shuō)明。該實(shí)例的制造方法包括以下的6個(gè)工序。
(1-1)雜質(zhì)去除(可選工序)(1-2)結(jié)晶原料投入(1-3)反應(yīng)容器的密閉(1-4)反應(yīng)容器向耐壓容器內(nèi)的配置和氣體系統(tǒng)連接(氣體導(dǎo)入口側(cè))
(1-5)加壓控制、氣體流動(dòng)控制(1-6)結(jié)晶生長(zhǎng)下面就上述的各工序進(jìn)行具體的說(shuō)明。
(1-1)雜質(zhì)去除如上所述，這個(gè)工序?yàn)榭蛇x工序，不過(guò)對(duì)反應(yīng)容器120和坩堝130等而言，優(yōu)選通過(guò)預(yù)烘烤和真空排氣等方法進(jìn)行雜質(zhì)的去除。此外，也可以不使用坩堝130而將結(jié)晶原料131投入反應(yīng)容器120內(nèi)。通過(guò)預(yù)烘烤等進(jìn)行雜質(zhì)的去除，優(yōu)選在向上述反應(yīng)容器120等中投入結(jié)晶原料131之前進(jìn)行。
(1-2)結(jié)晶原料投入其次，向反應(yīng)容器120內(nèi)或坩堝130內(nèi)投入結(jié)晶原料131。具體地說(shuō)，稱量所希望量的結(jié)晶原料即III族元素、以及堿金屬和堿土類金屬的至少一種，將其配置在反應(yīng)容器120或坩堝130內(nèi)。上述堿金屬以及堿土類金屬等在空氣中由于與氧和水分發(fā)生反應(yīng)，所以優(yōu)選例如在用不活潑氣體(氦氣、氬氣等稀有氣體或氮?dú)獾?置換的手套箱中等處進(jìn)行設(shè)置。然后，加熱反應(yīng)容器120或坩堝130，以形成含有上述III族元素、以及堿金屬和堿土類金屬的至少一種的熔液。這時(shí)，優(yōu)選對(duì)上述熔液進(jìn)行攪拌。上述熔液的攪拌方法如前所述。上述熔液的攪拌既可以在手套箱中進(jìn)行；也可以在后述的反應(yīng)容器的密閉、向耐壓容器內(nèi)的配置完成之后，于耐壓容器內(nèi)進(jìn)行。不過(guò)，在手套箱中(常壓)進(jìn)行各種攪拌作業(yè)比在耐壓容器內(nèi)(高壓下)進(jìn)行要容易得多。另外，根據(jù)需要，也可以同時(shí)將種晶設(shè)置在反應(yīng)容器120或坩堝130內(nèi)。作為上述的種晶，例如可以使用通過(guò)氣相生長(zhǎng)方法制備的III族元素氮化物結(jié)晶薄膜等。上述種晶優(yōu)選在上述熔液的攪拌之后，浸漬在上述熔液中。例如，為了不使上述種晶浸漬在上述熔液中，如果以傾斜反應(yīng)容器120或坩堝130的狀態(tài)進(jìn)行上述種晶的設(shè)置，則直到上述熔液的攪拌結(jié)束，上述種晶將不會(huì)浸漬在上述熔液中。
(1-3)反應(yīng)容器的密閉反應(yīng)容器120用蓋子121蓋住。此時(shí)，根據(jù)需要可以使用螺栓和墊圈等。再者，通過(guò)在手套箱(例如手套箱內(nèi)部的露點(diǎn)為-80℃以下)中關(guān)閉上述2個(gè)氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥140、141)，可以使上述反應(yīng)容器120內(nèi)成為密閉狀態(tài)。
(1-4)反應(yīng)容器向耐壓容器內(nèi)的配置和氣體系統(tǒng)連接(氣體導(dǎo)入口側(cè))其次，把反應(yīng)容器120配置在耐壓容器102內(nèi)，并借助于連接部150連接上述反應(yīng)容器120和氣體供給裝置180。在這種狀態(tài)下，打開(kāi)氣體導(dǎo)入口側(cè)的氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)140，將含氮?dú)怏w導(dǎo)入反應(yīng)容器120的內(nèi)部。然后，在反應(yīng)容器120的壓力變得比常壓高一些時(shí)，通過(guò)打開(kāi)上述氣體排出口側(cè)的氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)141，在用含氮?dú)怏w置換反應(yīng)容器120內(nèi)的同時(shí)，向耐壓容器102內(nèi)排出含氮?dú)怏w。然后，耐壓容器102內(nèi)充滿的含氮?dú)怏w通過(guò)與氣體排出口連接的導(dǎo)管向外部排出。此時(shí)，氣體流動(dòng)順序是氣體供給裝置180、反應(yīng)容器120以及耐壓容器102，所以耐壓容器102的內(nèi)壁等處的雜質(zhì)不會(huì)混入反應(yīng)容器120內(nèi)，而且也可以防止外界的氣體流入反應(yīng)容器120。在導(dǎo)入含氮?dú)怏w的初期，用蓋子103蓋住耐壓容器102。此外，在該含氮?dú)怏w的導(dǎo)入之前，或者在含氮?dú)怏w的導(dǎo)入之時(shí)，例如也可以用真空泵等對(duì)耐壓容器102內(nèi)進(jìn)行排氣。在對(duì)耐壓容器102內(nèi)部進(jìn)行真空排氣時(shí)，以空氣不會(huì)向反應(yīng)容器120內(nèi)倒流的程度不斷使氣體流動(dòng)，當(dāng)耐壓容器102內(nèi)的空氣充分排出時(shí)，暫時(shí)停止從氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入含氮?dú)怏w，并將耐壓容器102內(nèi)排成高真空。這樣，就可以去除附著在加熱器110、隔熱材料111以及耐壓容器102內(nèi)壁等處的氧氣和水分等雜質(zhì)氣體。
(1-5)加壓控制、氣體流動(dòng)控制其次，用含氮?dú)怏w對(duì)耐壓容器102內(nèi)部進(jìn)行加壓。如上所述，含氮?dú)怏w通過(guò)反應(yīng)容器120而流入耐壓容器102內(nèi)，所以用1臺(tái)安裝在耐壓容器102上的壓力調(diào)整器170，也可以對(duì)反應(yīng)容器120內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)整，而且也可以使用1臺(tái)氣體流量調(diào)整器160。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的壓力時(shí)，借助于壓力調(diào)整器170使耐壓容器102內(nèi)的壓力保持恒定。這時(shí)，由于反應(yīng)容器120內(nèi)的壓力和耐壓容器102內(nèi)的壓力幾乎相同，所以反應(yīng)容器120不需要耐壓性，因而沒(méi)有必要使用由高價(jià)的耐壓原材料制備的反應(yīng)容器，例如可以使用一般的SUS、氧化鋁等廉價(jià)的反應(yīng)容器。上述反應(yīng)容器以及耐壓容器的壓力例如為2atm～100atm(2×1.01325×105Pa～100×1.01325×105Pa)的范圍，優(yōu)選為5atm～80atm(5×1.01325×105Pa～80×1.01325×105Pa)的范圍，更優(yōu)選為10atm～60atm(10×1.01325×105Pa～60×1.01325×105Pa)。
(1-6)結(jié)晶生長(zhǎng)其次，通過(guò)用加熱器110將反應(yīng)容器120加熱到所希望的溫度(生長(zhǎng)溫度)，便在反應(yīng)容器120內(nèi)形成結(jié)晶原料液。上述生長(zhǎng)溫度例如為600℃～1100℃的范圍，優(yōu)選為700℃～1000℃的范圍，更優(yōu)選為800℃～950℃的范圍。在此，含氮?dú)怏w由于不經(jīng)過(guò)耐壓容器102而直接導(dǎo)入反應(yīng)容器120，所以能夠消除由耐壓容器102內(nèi)部的加熱器110和隔熱材料111所產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體的污染影響。另外，通過(guò)用氣體流量調(diào)整器160調(diào)整含氮?dú)怏w的流量，可以防止雜質(zhì)氣體流入(倒流)反應(yīng)容器120內(nèi)。含氮?dú)怏w用1atm(1×1.01325×105Pa)換算(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，其流量例如為10mL/分～1000mL/分的范圍，優(yōu)選為20mL/分～300mL/分的范圍，更優(yōu)選為50mL/分～200mL/分的范圍。
根據(jù)這樣的工序，例如能夠以良好的重現(xiàn)性和高品位生長(zhǎng)直徑為1英寸～2英寸(2.54cm～5.08cm)、厚度為0.5mm～2mm左右的厚膜的III族元素氮化物結(jié)晶。
實(shí)施例2其次，圖4的構(gòu)成圖表示本發(fā)明裝置的再一個(gè)實(shí)例。正如該圖所示的那樣，該裝置在壓力調(diào)整器470上連接著回收裝置490，除此以外，其余與圖1所示的裝置具有相同的構(gòu)成，而且使用該裝置的制造方法也相同。在這個(gè)實(shí)例中，由于設(shè)置了回收裝置，因而可以防止從上述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等排放到裝置外的大氣中。此外，在圖4中，480表示氣體供給裝置，460表示氣體流量調(diào)整器，450表示連接部，440以及441表示氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)，402表示耐壓容器，403表示上述耐壓容器402的蓋子，420表示反應(yīng)容器，421表示反應(yīng)容器420的蓋子，430表示坩堝，410表示加熱器，411表示隔熱材料。
實(shí)施例3其次，圖2的構(gòu)成圖表示本發(fā)明裝置的另一個(gè)實(shí)例。該實(shí)例的裝置在上述實(shí)施例1的裝置中，使用高頻加熱器作為加熱器，并隨之變更了隔熱材料的配置，除此以外，其余與圖1所示的裝置具有相同的構(gòu)成。另外，使用該裝置的制造方法也相同。如圖2所示，該裝置在反應(yīng)容器220的周?chē)渲糜懈魺岵牧?11，并以環(huán)繞隔熱材料211的狀態(tài)，配置著高頻加熱器212。另外，由于使用高頻加熱器212，所以作為反應(yīng)容器220，例如使用氧化鋁等陶瓷材料，作為坩堝230，例如使用鎢和鉭等具有導(dǎo)電性的金屬，由此便可以對(duì)必要的部分進(jìn)行有效的加熱。另外，該實(shí)例由于只對(duì)坩堝230和結(jié)晶原料231進(jìn)行加熱，故而可以減薄隔熱材料。因此，可以最低限度地抑制來(lái)自高頻加熱器212以及隔熱材料211的雜質(zhì)氣體，與實(shí)施例1的情況相比，可以生長(zhǎng)更高純度的結(jié)晶。此外，在圖2中，280表示氣體供給裝置，260表示氣體流量調(diào)整器，270表示壓力調(diào)整器，250表示連接部，240以及241表示氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)，202表示耐壓容器，203表示上述耐壓容器202的蓋子，221表示反應(yīng)容器220的蓋子。另外，在這個(gè)實(shí)例中，也可以如上述實(shí)施例2所示的那樣，將回收裝置與壓力調(diào)整器270相連接。
實(shí)施例4其次，圖3的構(gòu)成圖表示本發(fā)明裝置的又一個(gè)實(shí)例。這個(gè)實(shí)例的裝置除了圖1所示的裝置以外，還具有第2氣體供給裝置381、第2氣體流量調(diào)整器361、第2壓力調(diào)整容器371以及連接部351，而且以下的構(gòu)成與圖1所示的裝置不同。與反應(yīng)容器320的蓋子321上所形成的氣體排出口連接的導(dǎo)管323，借助于連接部351與第1壓力調(diào)整器370相連接，并與耐壓容器302的外部直接連通。此外，耐壓容器302具有氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口，上述第2氣體供給裝置381經(jīng)由第2氣體流量調(diào)整器361與上述耐壓容器302的上述氣體導(dǎo)入口相連接。再者，上述耐壓容器302的上述氣體排出口與第2壓力調(diào)整器371相連接。此外，該實(shí)例是否在耐壓容器上設(shè)立氣體排出口是可選的，其構(gòu)成也可以是不設(shè)立氣體排出口并去掉圖3所示的第2壓力調(diào)整器371。在這種情況下，作為第2氣體流量調(diào)整器361，可以使用帶有漏泄功能的壓力調(diào)整器。另外，該實(shí)例也可以把實(shí)施例2所示的回收裝置連接在第1壓力調(diào)整器370上。此外，在圖3中，380表示第1氣體供給裝置，360表示第1氣體流量調(diào)整器，350表示連接部，340以及341表示氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)，303表示耐壓容器302的蓋子，330表示坩堝，310表示加熱器，311表示隔熱材料。在這個(gè)實(shí)例中，可以獨(dú)立控制反應(yīng)容器320內(nèi)的壓力和耐壓容器302內(nèi)的壓力。因此，在向耐壓容器302內(nèi)部設(shè)置反應(yīng)容器320時(shí)以及在結(jié)晶生長(zhǎng)中，能夠?qū)⒎磻?yīng)容器320內(nèi)部作為可以從耐壓容器302上完全分離的氣體系統(tǒng)進(jìn)行生長(zhǎng)作業(yè)。
下面以圖15的流程圖為基礎(chǔ)，就使用該裝置的結(jié)晶制造進(jìn)行說(shuō)明。該實(shí)例的制造方法包括以下的6個(gè)工序。
(3-1)雜質(zhì)去除(可選工序)(3-2)結(jié)晶原料投入(3-3)反應(yīng)容器的密閉(3-4)反應(yīng)容器向耐壓容器內(nèi)的配置和氣體系統(tǒng)連接(氣體導(dǎo)入口側(cè)、氣體排出口側(cè))(3-5)對(duì)反應(yīng)容器和耐壓容器獨(dú)立進(jìn)行加壓控制、氣體流動(dòng)控制(3-6)結(jié)晶生長(zhǎng)在上述工序中，直到(3-1)～(3-3)的工序是與實(shí)施例1的(1-1)～(1-3)相同的。下面就(3-4)～(3-6)的工序進(jìn)行說(shuō)明。
(3-4)反應(yīng)容器向耐壓容器內(nèi)的配置和氣體系統(tǒng)連接(氣體導(dǎo)入口側(cè)、氣體排出口側(cè))
把反應(yīng)容器320配置在耐壓容器302內(nèi)，上述反應(yīng)容器320以及第1氣體供給裝置380通過(guò)連接部350進(jìn)行連接，上述反應(yīng)容器320以及第1壓力調(diào)整器370用其它連接部351進(jìn)行連接。在該狀態(tài)下，與實(shí)施例1同樣地向反應(yīng)容器320內(nèi)部導(dǎo)入氣體。此外，在導(dǎo)入該氣體之前，或者在氣體導(dǎo)入時(shí)，由于要排出配管內(nèi)的雜質(zhì)氣體，所以也可以打開(kāi)氣體導(dǎo)入口側(cè)的氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)340以及氣體排出口側(cè)的氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)(閥)341，對(duì)反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行一次真空排氣。
(3-5)對(duì)反應(yīng)容器和耐壓容器獨(dú)立進(jìn)行加壓控制、氣體流動(dòng)控制其次，利用從第1氣體供給裝置380供給的含氮?dú)怏w對(duì)反應(yīng)容器320內(nèi)進(jìn)行加壓，利用從第2氣體供給裝置381供給的氣體對(duì)耐壓容器302內(nèi)進(jìn)行加壓。上述反應(yīng)容器320內(nèi)的壓力通過(guò)第1氣體流量調(diào)整器360和第1壓力調(diào)整器370的組合、上述耐壓容器302內(nèi)的壓力通過(guò)第2氣體流量調(diào)整器361和第2壓力調(diào)整器371的組合分別獨(dú)立地進(jìn)行控制。這時(shí)，反應(yīng)容器320的壓力和耐壓容器302的壓力既可以相同，也可以不同。如果耐壓容器302的壓力高于反應(yīng)容器320的壓力，則反應(yīng)容器320的密閉性就會(huì)提高。另外，如果調(diào)整反應(yīng)容器320的壓力和耐壓容器302的壓力，從而使它們實(shí)質(zhì)上基本相同，則可以幾乎不需要反應(yīng)容器320的耐壓性。上述反應(yīng)容器320和耐壓容器302的壓力與實(shí)施例1相同。
(3-6)結(jié)晶生長(zhǎng)其次，與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。在結(jié)晶生長(zhǎng)中，向反應(yīng)容器320中持續(xù)不斷地流入所希望流量的含氮?dú)怏w。由此，便可以不受吸附在反應(yīng)容器320的壁面等處的雜質(zhì)氣體的影響，常?？梢韵蚪Y(jié)晶原料中供給高純度的含氮?dú)怏w，其結(jié)果，可以維持高純度的結(jié)晶原料液。這時(shí)所具有的特征是作為含氮?dú)怏w，可以只在反應(yīng)容器320內(nèi)使用高純度氣體，而不會(huì)受耐壓容器302內(nèi)的氣體純度和種類的影響。例如，作為從第2氣體供給裝置381導(dǎo)入耐壓容器302的氣體，使用純度99％的氬氣或99％的氮?dú)獾?，另外，作為從?氣體供給裝置380導(dǎo)入反應(yīng)容器320的含氮?dú)怏w，使用99.9％～99.99999％左右的高純度氣體也是可能的。此時(shí)所具有的特征是反應(yīng)容器320的大小只要稍大于生長(zhǎng)的結(jié)晶尺寸就行，而可以明顯小于耐壓容器302，因此，可以減少昂貴的高純度氣體的消耗量。另外，在導(dǎo)入耐壓容器302的氣體中，例如當(dāng)使用氬氣等氣體時(shí)，則反應(yīng)容器320即使使用廉價(jià)的不銹鋼容器等，也可以不會(huì)使其發(fā)生銹蝕等。再者，反應(yīng)容器320例如在使用鎳合金(例如Inconel(鉻鎳鐵合金)和hastelloy(耐熱鎳基合金))等即使在高溫下也難以發(fā)生氧化的材料制成的反應(yīng)容器時(shí)，導(dǎo)入耐壓容器302的氣體也可以是空氣。在該實(shí)例中，雖然導(dǎo)入反應(yīng)容器320的氣體系統(tǒng)和導(dǎo)入耐壓容器302的氣體系統(tǒng)需要獨(dú)立地進(jìn)行壓力和流量的控制，氣體的控制有幾分復(fù)雜，但如前所述，其特征在于可以只在導(dǎo)入反應(yīng)容器320的氣體中使用高純度氣體，結(jié)果可以導(dǎo)致裝置運(yùn)行成本的減少。再者，其特征還在于在將含氧氣體(例如空氣等)用作耐壓容器內(nèi)氣體的情況下，可以使用電阻加熱中在非常高的溫度下也能使用的鉬系加熱器(MoSi2加熱器等)，這特別有利于AlN系材料的結(jié)晶生長(zhǎng)。
根據(jù)這樣的工序，例如在將99.9％的氮?dú)庥米鲗?dǎo)入耐壓容器302的氣體、將不銹鋼容器用作反應(yīng)容器320、以及將氧化鋁用作坩堝330的情況下，例如在反應(yīng)容器302以及耐壓容器302的壓力為40atm(40×1.01325×105Pa)、生長(zhǎng)溫度為800℃、生長(zhǎng)時(shí)間為100小時(shí)的條件下，可以在1英寸～2英寸(2.54cm～5.08cm)的模板上，生長(zhǎng)厚度為1mm左右的III族元素氮化物結(jié)晶。
實(shí)施例5圖7A表示本發(fā)明的裝置所使用的反應(yīng)容器之構(gòu)成的又一個(gè)實(shí)例。正如該圖所示的那樣，反應(yīng)容器520通過(guò)蓋子521可以密閉其上部。在反應(yīng)容器520內(nèi)可以配置坩堝530，在上述坩堝530內(nèi)可以配置結(jié)晶原料液531。在上述蓋子521上，以相鄰的方式形成有氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口，在上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口，分別連接著導(dǎo)管522以及523。這樣，通過(guò)與上述氣體導(dǎo)入口相鄰而形成氣體排出口，可以從反應(yīng)容器內(nèi)部堿金屬以及堿土類金屬等的濃度較低的區(qū)域排出氣體，可以更進(jìn)一步抑制結(jié)晶原料液中堿金屬以及堿土類金屬等的蒸發(fā)。圖7B以及圖7C作為上述氣體導(dǎo)入口以及上述氣體排出口之構(gòu)成的實(shí)例，表示的是垂直于反應(yīng)容器附近的導(dǎo)管的剖面圖。圖7B是氣體導(dǎo)入口524以及氣體排出口525以相鄰方式形成的結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例，圖7C是以相鄰方式在氣體導(dǎo)入口524的周?chē)纬啥鄠€(gè)氣體排出口525的結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。
圖8表示本發(fā)明的裝置所使用的反應(yīng)容器之構(gòu)成的再一個(gè)實(shí)例。此外，該圖在與圖7A相同的部分，標(biāo)記相同的符號(hào)。正如該圖所示的那樣，在反應(yīng)容器520的內(nèi)部以及坩堝530的上部，配置有擋板590，在上述擋板590的中央部，形成有貫通孔593。在蓋子521上，以相互對(duì)置的方式形成有氣體導(dǎo)入口和氣體排出口，在上述氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口，分別連接著導(dǎo)管522以及523。通過(guò)設(shè)計(jì)為這樣的構(gòu)成，可以更進(jìn)一步抑制堿金屬以及堿土類金屬等從結(jié)晶原料液的蒸發(fā)，其結(jié)果，可以降低堿金屬以及堿土類金屬等的蒸氣向反應(yīng)容器外排放。此外，該實(shí)例將擋板配置在反應(yīng)容器520中，不過(guò)本發(fā)明并不局限于此，也可以配置在蓋子521上。另外，如前所述，替換上述擋板或者與之并用，也可以將開(kāi)有氣體導(dǎo)入用微孔的蓋子蓋在上述坩堝上。
圖9以及10表示本發(fā)明的裝置所使用的反應(yīng)容器之構(gòu)成的其它實(shí)例。此外，這些圖在與圖8相同部分，標(biāo)記相同的符號(hào)。正如圖9所示的那樣，在蓋子521的上部壁面形成有氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口，它們各自與導(dǎo)管522以及523相連接。與上述氣體導(dǎo)入口相連接的導(dǎo)管522的一端被配置成位于貫通孔593的附近，其中貫通孔593形成于擋板590的中央部。通過(guò)設(shè)計(jì)為這樣的構(gòu)成，可以進(jìn)一步抑制堿金屬以及堿土類金屬等從結(jié)晶原料液的蒸發(fā)。上述擋板590的貫通孔593的形狀并沒(méi)有特別的限制，例如如圖10所示，也可以是向氣體導(dǎo)入口側(cè)逐漸擴(kuò)大的圓錐狀。
在使用圖8所示的反應(yīng)容器的情況下，例如可以按如下的方法制作GaN結(jié)晶。首先，準(zhǔn)備氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口的內(nèi)徑為φ2mm的反應(yīng)容器。然后，將金屬Na以及Ga(總重量28g)、和作為種晶且在藍(lán)寶石基板上采用氣相生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)的GaN(2英寸，種晶層的厚度為5μm)配置在坩堝530內(nèi)。把上述坩堝530配置在上述反應(yīng)容器520內(nèi)，用加熱器加熱，在加壓氣氛下，例如以如下的條件進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。
·含氮?dú)怏w的流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))100mL/分·結(jié)晶生長(zhǎng)溫度850℃·結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)的壓力40atm(40×1.01325×105Pa)·氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口的氣體流速(850℃以及40atm(40×1.01325×105Pa))5cm/sec96小時(shí)結(jié)晶生長(zhǎng)的結(jié)果，可以得到厚度為1mm～3mm且位錯(cuò)密度低的GaN結(jié)晶，而且可以將堿金屬以及堿金屬等的蒸發(fā)抑制在大約1～10％的范圍。再者，根據(jù)本發(fā)明的裝置，在氣體導(dǎo)入口、氣體排出口以及與它們連接的導(dǎo)管等處，沒(méi)有堿金屬以及堿金屬等的凝集，而且來(lái)自于反應(yīng)容器外部的加熱器以及隔熱材料等處的雜質(zhì)氣體(例如氧氣以及水分等)也不會(huì)進(jìn)入反應(yīng)容器內(nèi)，從而可以生長(zhǎng)高品位的結(jié)晶。
實(shí)施例6圖11～13表示本發(fā)明的裝置所使用的反應(yīng)容器之構(gòu)成的又一其它實(shí)例。此外，這些圖在相同的部分標(biāo)記相同的符號(hào)。如圖11所示，反應(yīng)容器520通過(guò)蓋子521可以密閉其上部。在反應(yīng)容器520內(nèi)可以配置坩堝530，在上述坩堝530內(nèi)可以配置結(jié)晶原料液531。在上述蓋子521上，以相互對(duì)置的方式形成有氣體導(dǎo)入口和氣體排出口，導(dǎo)管522以及523分別與之連接。與上述氣體排出口連接的導(dǎo)管523以貫通氣體排出口的狀態(tài)進(jìn)行連接，其一端配置在反應(yīng)容器520內(nèi)。冷卻管591以接近或接觸的方式環(huán)繞著上述反應(yīng)容器520內(nèi)所配置的部分，由此，可以冷卻導(dǎo)管523。通過(guò)設(shè)計(jì)為這樣的構(gòu)成，蒸發(fā)的堿金屬等蒸氣在氣體排出口附近冷卻，變成液滴532(液化)而進(jìn)行回收，從而可以作為結(jié)晶原料液加以再利用。
圖12所示的反應(yīng)容器之構(gòu)成的再一其它實(shí)例是在蓋子521的上部壁面配置氣體排出口，與上述氣體排出口連接的導(dǎo)管(也稱為氣體排出管)526的形狀呈漏斗形狀。這樣，通過(guò)將上述氣體排出管526的形狀設(shè)計(jì)為反應(yīng)容器側(cè)的內(nèi)徑得以加粗的漏斗形狀，可以防止與蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬等的液化相伴的氣體排出管的堵塞，而且可以更進(jìn)一步減少堿金屬以及堿土類金屬等的蒸發(fā)。
圖13所示的反應(yīng)容器之構(gòu)成的進(jìn)一步的實(shí)例還具有液滴導(dǎo)桿592，上述液滴導(dǎo)桿592的一端配置在上述氣體排出管526上，另一端位于上述結(jié)晶原料液531內(nèi)或其液面附近，上述氣體排出管的內(nèi)部構(gòu)造是多級(jí)的中心偏離的漏斗結(jié)構(gòu)。與圖12一樣，冷卻管以接近或接觸的方式配置在上述氣體排出管526上(圖中未示出)。通過(guò)這樣配置液滴導(dǎo)桿，可以使液化的堿金屬以及堿土類金屬等靜靜地返回而不會(huì)對(duì)坩堝內(nèi)的結(jié)晶原料液產(chǎn)生沖擊。
本發(fā)明的裝置并不局限于于這些實(shí)施例，例如也可以設(shè)計(jì)為并用上述擋板和上述氣體排出管的構(gòu)成。
實(shí)施例7其次，就本發(fā)明的半導(dǎo)體元件進(jìn)行說(shuō)明。這是將III族元素氮化物結(jié)晶用作基板的半導(dǎo)體元件，其中III族元素氮化物結(jié)晶是根據(jù)使用本發(fā)明裝置的制造方法而得到的。圖16表示本發(fā)明半導(dǎo)體元件90的一個(gè)實(shí)例的構(gòu)造。
首先，采用本發(fā)明的制造方法獲得III族元素氮化物結(jié)晶，而且在使用該III族元素氮化物結(jié)晶的基板91上，形成由摻雜了Si的n型GaN構(gòu)成的接觸層92，其中n型GaN中的載流子密度為5×1018以下。在GaN系的結(jié)晶(含有Ga和N的結(jié)晶)中，如果添加Si作為雜質(zhì)，則Ga的空穴增加。由于上述Ga的空穴容易擴(kuò)散，所以如果在其上面制作器件，就會(huì)在壽命等方面產(chǎn)生不良影響。為此，要控制摻雜量以便使載流子密度為5×1018以下。
其次，在接觸層92上形成由n型Al0.07Ga0.93N構(gòu)成的包覆層93和由n型GaN構(gòu)成的光導(dǎo)層94。接著形成多重量子阱(MQW)作為活性層95，其中多重量子阱包括由Ga0.8In0.2N構(gòu)成的阱層(厚度大約為3nm)以及由GaN構(gòu)成的阻擋層(厚度大約為6nm)。接著形成由p型GaN構(gòu)成的光導(dǎo)層96、由p型Al0.07Ga0.93N構(gòu)成的包覆層97、以及由p型GaN構(gòu)成的接觸層98。這些層可以采用公知的方法來(lái)形成。半導(dǎo)體元件90是雙異質(zhì)結(jié)型半導(dǎo)體發(fā)光器件，MQW活性層95中含銦的阱層的能隙小于含鋁的n型以及p型包覆層的能隙。另一方面，光的折射率以MQW活性層95的阱層為最大，以下按照光導(dǎo)層、包覆層的順序依次減少。
在接觸層98的上部，形成有寬度2μm左右的構(gòu)成電流注入?yún)^(qū)域的絕緣膜99。在p型包覆層97的上部以及p型接觸層98上，形成有成為電流狹窄部的脊部。在p型接觸層98的上側(cè)，形成有與接觸層98進(jìn)行歐姆接觸的p側(cè)電極100。p側(cè)電極100由鎳(Ni)和金(Au)的層疊體構(gòu)成。在n型接觸層92的上側(cè)，形成有與接觸層92進(jìn)行歐姆接觸的n側(cè)電極101。n側(cè)電極101由鈦(Ti)和鋁(Al)的層疊體構(gòu)成。
這里就采用上述方法制作的半導(dǎo)體發(fā)光器件進(jìn)行了器件評(píng)價(jià)。對(duì)于得到的半導(dǎo)體發(fā)光器件，如果在p側(cè)電極和n型電極之間施加正向的預(yù)定電壓，則在MQW活性層從p側(cè)電極注入空穴，從n側(cè)電極注入電子，并在MQW活性層進(jìn)行復(fù)合，產(chǎn)生光學(xué)增益，從而能夠以激發(fā)波長(zhǎng)404nm產(chǎn)生激光激發(fā)。
該實(shí)例的半導(dǎo)體發(fā)光器件將采用液相生長(zhǎng)方法得到的低位錯(cuò)的結(jié)晶用作基板，其中液相生長(zhǎng)方法使用了堿金屬系助熔劑，所以與以前的在高位錯(cuò)密度的GaN基板上制作的半導(dǎo)體發(fā)光器件相比，可以降低閾值，提高發(fā)光效率，并增加可靠性。
此外，例如在藍(lán)寶石基板上采用氣相生長(zhǎng)法生長(zhǎng)III族元素氮化物結(jié)晶薄膜，并將這樣得到的基板作為種晶，然后采用本發(fā)明的制造方法獲得GaN結(jié)晶，在這種情況下，也可以通過(guò)研磨等去除GaN結(jié)晶以外的藍(lán)寶石部分，從而制作出GaN基板，然后在該GaN基板上制造器件。
如上所述，根據(jù)采用本發(fā)明裝置的制造方法得到III族元素氮化物結(jié)晶，并將該III族元素氮化物結(jié)晶用作基板，進(jìn)而在該基板上外延生長(zhǎng)III族元素氮化物結(jié)晶，由此便可以得到具有LD和LED等半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置。此外，該實(shí)例作為采用本發(fā)明的制造方法得到的III族元素氮化物結(jié)晶的一個(gè)實(shí)例，示出的是GaN的實(shí)例，但本發(fā)明并不局限與此，即使使用除此以外的通過(guò)采用本發(fā)明裝置的制造方法得到的III族元素氮化物結(jié)晶，也可以得到具有LD和LED等半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置。再者，根據(jù)本發(fā)明的制造方法得到的III族元素氮化物結(jié)晶由于其缺陷密度較小，所以可靠性較高，從而即使是強(qiáng)的光輸出功率，也可以獲得不會(huì)發(fā)生元件退化的發(fā)光元件。
另外，該實(shí)例示出了作為發(fā)光器件的半導(dǎo)體元件的實(shí)例，但本發(fā)明并不局限于此，使用根據(jù)本發(fā)明的制造方法得到的III族元素氮化物結(jié)晶，例如可以制作電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)等電子器件。
正如以上所說(shuō)明的那樣，根據(jù)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)用于生長(zhǎng)品質(zhì)優(yōu)質(zhì)的III族元素氮化物結(jié)晶的結(jié)晶制造裝置、使用該裝置的III族元素氮化物結(jié)晶的制造方法、以及使用由此得到的III族元素氮化物結(jié)晶且特性良好的III元素氮化物半導(dǎo)體元件。另外，根據(jù)本發(fā)明的制造方法以及制造裝置得到的GaN單晶基板與用氣相生長(zhǎng)(例如HVPE)等方法制造的基板相比較，其位錯(cuò)密度較小，這對(duì)于半導(dǎo)體激光的高輸出功率化和長(zhǎng)壽命化是極為有利的。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)晶制造裝置，其使用含有III族元素、氮、以及堿金屬和堿土類金屬中的至少一種的結(jié)晶原料液，在含氮?dú)怏w的氣氛下進(jìn)行加壓加熱，使所述結(jié)晶原料液中的氮和III族元素反應(yīng)，從而生長(zhǎng)出III族元素氮化物結(jié)晶；該裝置的特征在于其具有可以配置所述結(jié)晶原料液的反應(yīng)容器、以及用于向所述反應(yīng)容器內(nèi)導(dǎo)入含氮?dú)怏w的氣體供給裝置；所述反應(yīng)容器和所述氣體供給裝置相連接；所述反應(yīng)容器具有氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口；在所述反應(yīng)容器中，從所述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入的含氮?dú)怏w中未被所述反應(yīng)所使用的含氮?dú)怏w，從所述氣體排出口排出。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還具有耐壓容器以及用于加熱所述反應(yīng)容器的加熱器，所述反應(yīng)容器收納在所述耐壓容器內(nèi)，并通過(guò)所述氣體導(dǎo)入口將所述反應(yīng)容器和所述氣體供給裝置進(jìn)行連接。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于由所述氣體供給裝置供給的含氮?dú)怏w首先通過(guò)所述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入所述反應(yīng)容器內(nèi)，其次能夠從所述氣體排出口向所述耐壓容器的內(nèi)部以及外部的至少一方排出。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述氣體導(dǎo)入口以及所述氣體排出口是以相鄰的方式形成的。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于具有多個(gè)所述氣體排出口，所述氣體排出口以相鄰的方式形成于所述氣體導(dǎo)入口的周?chē)?br> 6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還具有形成了貫通孔的擋板，所述擋板在所述反應(yīng)容器內(nèi)被配置成，比所述氣體導(dǎo)入口以及所述氣體排出口更靠近結(jié)晶原料液的液面。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述擋板被配置成所述氣體導(dǎo)入口和所述擋板的貫通孔位置相對(duì)合的狀態(tài)。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述擋板貫通孔的斷面形狀為向氣體導(dǎo)入口側(cè)逐漸擴(kuò)大的圓錐狀。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還具有冷卻管以及氣體排出管，所述氣體排出管配置在所述氣體排出口，所述冷卻管被配置成靠近或接觸所述氣體排出管的周?chē)?br> 10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述氣體排出口形成于所述反應(yīng)容器的側(cè)壁面。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述氣體排出口形成于所述反應(yīng)容器的上部壁面。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述氣體排出管經(jīng)由所述氣體排出口配置在所述反應(yīng)容器的外部，且所述氣體排出管的形狀為漏斗形狀。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于還具有液滴導(dǎo)桿，而且所述液滴導(dǎo)桿的一端配置在所述氣體排出管上，另一端位于所述結(jié)晶原料液內(nèi)或所述結(jié)晶原料液的液面附近，所述氣體排出管的內(nèi)部構(gòu)造為多級(jí)地配置漏斗結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，而且在相鄰的漏斗結(jié)構(gòu)中，其中心位置是相互偏離的。
14.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于在所述氣體導(dǎo)入口、或者所述氣體導(dǎo)入口以及所述氣體排出口的雙方配置有連接部，且所述反應(yīng)容器從所述耐壓容器內(nèi)部是裝卸自如的。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于在所述氣體導(dǎo)入口以及所述氣體排出口的至少一方配置有氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述氣體導(dǎo)入口以及所述氣體排出口的內(nèi)徑為10mm以下。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于在所述氣體導(dǎo)入口以及所述氣體排出口的至少一方設(shè)置有余長(zhǎng)部。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述余長(zhǎng)部的形狀為線圈狀或波形狀。
19.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述余長(zhǎng)部的長(zhǎng)度為5mm以上。
20.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述余長(zhǎng)部的長(zhǎng)度為20mm以上。
21.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述余長(zhǎng)部的長(zhǎng)度為100mm以上。
22.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于借助于用所述氣體供給裝置供給的所述含氮?dú)怏w，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)以及所述耐壓容器內(nèi)雙方的氣氛壓力進(jìn)行控制。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于還具有氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器，經(jīng)由所述氣體流量調(diào)整器從所述氣體供給裝置向所述反應(yīng)容器導(dǎo)入所述含氮?dú)怏w，所述耐壓容器有氣體排出口，在該氣體排出口連接著所述壓力調(diào)整器，通過(guò)所述氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)以及所述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力進(jìn)行控制。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于還具有回收裝置，其中所述回收裝置與所述壓力調(diào)整器相連接，并且通過(guò)所述回收裝置，對(duì)由所述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的所述堿金屬以及堿土類金屬的至少1種進(jìn)行回收。
25.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述氣體供給裝置包括第1氣體供給裝置以及第2氣體供給裝置，所述耐壓容器具有氣體導(dǎo)入口，所述第1氣體供給裝置與所述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口相連接，所述反應(yīng)容器的氣體排出口與所述耐壓容器外部直接連通，所述第2氣體供給裝置與所述耐壓容器的氣體導(dǎo)入口相連接，而且借助于所述第1氣體供給裝置以及所述第2氣體供給裝置，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)以及所述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力分別獨(dú)立地進(jìn)行控制。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述耐壓容器還具有氣體排出口。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于還具有第1氣體流量調(diào)整器、第2氣體流量調(diào)整器、第1壓力調(diào)整器以及第2壓力調(diào)整器，經(jīng)由所述第1氣體流量調(diào)整器從所述第1氣體供給裝置向所述反應(yīng)容器導(dǎo)入含氮?dú)怏w，所述反應(yīng)容器的氣體排出口和所述第1壓力調(diào)整器連接，經(jīng)由所述第2氣體流量調(diào)整器從所述第2氣體供給裝置向所述耐壓容器導(dǎo)入氣體，所述耐壓容器的氣體排出口與所述第2壓力調(diào)整器相連接，借助于所述第1氣體流量調(diào)整器以及第1壓力調(diào)整器，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)的氣氛壓力進(jìn)行控制，而且借助于所述第2氣體流量調(diào)整器以及第2壓力調(diào)整器，對(duì)所述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力進(jìn)行控制。
28.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口的至少一方的所述含氮?dú)怏w的流速為1cm/sec～500cm/sec。
29.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w和導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體在其純度方面是不同的。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w的純度為99.9％以上，導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體的純度為99％以下。
31.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w和導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體在其種類方面是不同的。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w為氮，導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體為稀有氣體。
33.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w為氮，導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體為空氣。
34.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于還具有回收裝置，其中所述回收裝置與所述第1壓力調(diào)整器相連接，并且通過(guò)所述回收裝置，對(duì)從所述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬的至少1種進(jìn)行回收。
35.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述加熱器為感應(yīng)加熱型加熱器。
36.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述III族元素為選自鎵、鋁以及銦之中的至少一種；所述結(jié)晶為AlxGayIn1-x-yN，其中，0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1。
37.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述含氮?dú)怏w為氮?dú)?、氨氣或這兩種氣體的混合氣體。
38.如權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于所述含氮?dú)怏w還含有不活潑氣體以及氫氣之中的至少一種。
39.一種結(jié)晶的制造方法，其在反應(yīng)容器內(nèi)準(zhǔn)備含有III族元素、氮、以及堿金屬和堿土類金屬中的至少一種的結(jié)晶原料液，在含氮?dú)怏w的氣氛下進(jìn)行加熱加壓，使所述結(jié)晶原料液中的III族元素和氮反應(yīng)，從而生長(zhǎng)出III族元素氮化物結(jié)晶；該制造方法的特征在于所述反應(yīng)容器具有氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口；所述反應(yīng)容器和氣體供給裝置相連接；在所述反應(yīng)容器中，從所述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入的含氮?dú)怏w中未被所述反應(yīng)所使用的含氮?dú)怏w，從所述氣體排出口排出。
40.如權(quán)利要求39所述的制造方法，其特征在于所述反應(yīng)容器收納在耐壓容器中，并通過(guò)所述氣體導(dǎo)入口將所述反應(yīng)容器和氣體供給裝置進(jìn)行連接；由所述氣體供給裝置供給的含氮?dú)怏w首先通過(guò)所述氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入所述反應(yīng)容器內(nèi)，其次從所述氣體排出口向所述耐壓容器的內(nèi)部以及外部的至少一方排出。
41.如權(quán)利要求39所述的制造方法，其特征在于在所述反應(yīng)容器內(nèi)，形成從所述結(jié)晶原料液蒸發(fā)的堿金屬以及堿土類金屬的至少一種的濃度梯度。
42.如權(quán)利要求39所述的制造方法，其特征在于所述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口以及氣體排出口的至少一方的所述含氮?dú)怏w的流速被調(diào)整為1cm/sec～500cm/sec。
43.如權(quán)利要求40所述的制造方法，其特征在于在所述氣體導(dǎo)入口、或者所述氣體導(dǎo)入口以及所述氣體排出口的雙方配置連接部，且所述反應(yīng)容器從所述耐壓容器內(nèi)部是裝卸自如的。
44.如權(quán)利要求43所述的制造方法，其特征在于在所述氣體導(dǎo)入口以及所述氣體排出口的至少一方配置氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，在結(jié)晶制造之前，于所述耐壓容器外面，在不活潑氣體的氣氛下，將含有III族元素、以及堿土類金屬和堿金屬中的任意一種的結(jié)晶原料放入所述反應(yīng)容器，關(guān)閉所述氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)以密閉所述反應(yīng)容器，將該反應(yīng)容器收納在所述耐壓容器內(nèi)，借助于所述連接部與所述氣體供給裝置進(jìn)行連接，打開(kāi)所述氣體開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，在該狀態(tài)下將所述氣體導(dǎo)入所述反應(yīng)容器內(nèi)。
45.如權(quán)利要求44所述的制造方法，其特征在于在所述耐壓容器外面，于不活潑氣體的氣氛下，將結(jié)晶原料放入反應(yīng)容器后，還包括加熱所述反應(yīng)容器以形成所述結(jié)晶原料液的工序。
46.如權(quán)利要求45所述的制造方法，其特征在于加熱所述反應(yīng)容器而形成所述結(jié)晶原料液之后，還包括攪拌所述結(jié)晶原料液的工序。
47.如權(quán)利要求40所述的制造方法，其特征在于經(jīng)由氣體流量調(diào)整器從所述氣體供給裝置向所述反應(yīng)容器導(dǎo)入含氮?dú)怏w，所述耐壓容器具有氣體排出口，壓力調(diào)整器與該氣體排出口相連接，借助于所述氣體流量調(diào)整器以及壓力調(diào)整器，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)以及所述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力進(jìn)行控制，導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w和導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體是相同的。
48.如權(quán)利要求40所述的制造方法，其特征在于所述耐壓容器具有氣體導(dǎo)入口，第1氣體供給裝置與所述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口相連接，所述反應(yīng)容器的氣體排出口與所述耐壓容器外部直接連通，第2氣體供給裝置與所述耐壓容器的氣體導(dǎo)入口相連接，而且借助于所述第1氣體供給裝置以及所述第2氣體供給裝置，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)以及所述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力分別獨(dú)立地進(jìn)行控制，導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w和導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體是不同的。
49.如權(quán)利要求48所述的制造方法，其特征在于導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w為氮，導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體為稀有氣體。
50.如權(quán)利要求48所述的制造方法，其特征在于導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w為氮，導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體為空氣。
51.如權(quán)利要求48所述的制造方法，其特征在于所述耐壓容器還具有氣體排出口。
52.如權(quán)利要求51所述的制造方法，其特征在于經(jīng)由第1氣體流量調(diào)整器從所述第1氣體供給裝置向所述反應(yīng)容器導(dǎo)入含氮?dú)怏w，所述反應(yīng)容器的氣體排出口和第1壓力調(diào)整器連接，經(jīng)由第2氣體流量調(diào)整器從所述第2氣體供給裝置向所述耐壓容器導(dǎo)入氣體，所述耐壓容器的氣體排出口與第2壓力調(diào)整器相連接，借助于所述第1氣體流量調(diào)整器以及第1壓力調(diào)整器，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)的氣氛壓力進(jìn)行控制，而且借助于所述第2氣體流量調(diào)整器以及第2壓力調(diào)整器，對(duì)所述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力進(jìn)行控制。
53.如權(quán)利要求40所述的制造方法，其特征在于所述耐壓容器具有氣體導(dǎo)入口，第1氣體供給裝置與所述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口相連接，所述反應(yīng)容器的氣體排出口與所述耐壓容器外部直接連通，第2氣體供給裝置與所述耐壓容器的氣體導(dǎo)入口相連接，而且借助于所述第1氣體供給裝置以及所述第2氣體供給裝置，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)以及所述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力分別獨(dú)立地進(jìn)行控制，導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w和導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體在其純度方面是不同的。
54.如權(quán)利要求53所述的制造方法，其特征在于導(dǎo)入到所述反應(yīng)容器的含氮?dú)怏w的純度為99.9％以上，導(dǎo)入到所述耐壓容器的氣體的純度為99％以下。
55.如權(quán)利要求53所述的制造方法，其特征在于所述耐壓容器還具有氣體排出口。
56.如權(quán)利要求55所述的制造方法，其特征在于經(jīng)由第1氣體流量調(diào)整器從所述第1氣體供給裝置向所述反應(yīng)容器導(dǎo)入含氮?dú)怏w，所述反應(yīng)容器的氣體排出口和第1壓力調(diào)整器連接，經(jīng)由第2氣體流量調(diào)整器從所述第2氣體供給裝置向所述耐壓容器導(dǎo)入氣體，所述耐壓容器的氣體排出口與第2壓力調(diào)整器相連接，借助于所述第1氣體流量調(diào)整器以及第1壓力調(diào)整器，對(duì)所述反應(yīng)容器內(nèi)的氣氛壓力進(jìn)行控制，而且借助于所述第2氣體流量調(diào)整器以及第2壓力調(diào)整器，對(duì)所述耐壓容器內(nèi)的氣氛壓力進(jìn)行控制。
57.如權(quán)利要求40所述的制造方法，其特征在于在結(jié)晶制造之前，對(duì)所述反應(yīng)容器以及所述耐壓容器的至少一方進(jìn)行雜質(zhì)氣體的去除處理。
58.如權(quán)利要求57所述的制造方法，其特征在于所述雜質(zhì)氣體的去除處理為烘烤以及真空排氣之中的至少一種。
59.如權(quán)利要求39所述的制造方法，其特征在于所述III族元素為選自鎵、鋁以及銦之中的至少一種；所述結(jié)晶為AlxGayIn1-x-yN，其中，0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1。
60.如權(quán)利要求39所述的制造方法，其特征在于所述含氮?dú)怏w為氮?dú)?、氨氣或這兩種氣體的混合氣體。
61.如權(quán)利要求60所述的制造方法，其特征在于所述含氮?dú)怏w還含有不活潑氣體以及氫氣之中的至少一種。
62.一種半導(dǎo)體元件，其含有根據(jù)權(quán)利要求39所述的制造方法制造的III族元素氮化物結(jié)晶。
63.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其含有根據(jù)權(quán)利要求39所述的制造方法制造的III族元素氮化物結(jié)晶。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以制造高品質(zhì)結(jié)晶的III族元素氮化物結(jié)晶的制造裝置以及III族元素氮化物結(jié)晶的制造方法。使用本發(fā)明的裝置進(jìn)行的結(jié)晶生長(zhǎng)例如可以按如下的方法進(jìn)行。向反應(yīng)容器(120)內(nèi)導(dǎo)入結(jié)晶原料(131)以及含氮?dú)怏w，用加熱器(110)進(jìn)行加熱，并在加壓氣氛下使結(jié)晶生長(zhǎng)。上述氣體從氣體供給裝置(180)經(jīng)由上述反應(yīng)容器的氣體導(dǎo)入口而導(dǎo)入上述反應(yīng)容器(120)內(nèi)，隨后從上述反應(yīng)容器的氣體排出口排到耐壓容器(102)的內(nèi)部。由于上述氣體不經(jīng)由耐壓容器(102)便直接導(dǎo)入反應(yīng)容器(120)，因而可以防止附著在耐壓容器(102)等處的雜質(zhì)混入到結(jié)晶生長(zhǎng)的場(chǎng)所。另外，因?yàn)樯鲜鰵怏w在反應(yīng)容器(120)內(nèi)流動(dòng)，所以不會(huì)發(fā)生諸如蒸發(fā)的堿金屬等在氣體導(dǎo)入口等處的凝集、以及向氣體供給裝置(180)等處的流入等問(wèn)題。其結(jié)果，可以提高所得到的III族元素氮化物結(jié)晶的質(zhì)量。
文檔編號(hào)C30B29/10GK1930327SQ200580008118
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月27日
發(fā)明者森勇介, 峯本尚, 北岡康夫, 木戶口勛, 川村史朗, 佐佐木孝友, 梅田英和, 高橋康仁 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社, 森勇介