金属カリウム融液を用いた立方晶窒化ガリウム単結晶の育成

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450355
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山根 久典 東北大学, 学際科学国際高等研究センター, 教授 (20191364)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 皿山 正二 (株)リコー, 応用電子研究所・オプトデバイス開発センター, 主席係長研究員 ; 窪田 俊一 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (10271975) ; 島田 昌彦 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80029701)
• Keywords: 窒化ガリウム / フラックス法 / 金属カリウム融液 / 金属ナトリウム融液 / 単結晶育成 / 溶液成長 / 結晶形態

Research Abstract

青色発光ダイオードや短波長半導体レーザー素子として応用研究が進められている窒化ガリウム(GaN)は、六方晶系のウルツ型構造である。GaNには、この他に多形として立方晶系閃亜鉛鉱型構造のものが知られている。立方晶GaNに関しては、主に薄膜や超微粒子に関し研究が行なわれているのみで、単結晶育成についての研究例はほとんどない。本研究では立方晶GaNバルク単結晶を作製することを目的とし、本年度は、昨年度、カリウム融液との反応性が低いことが明らかにされたタングステン製ルツボを用いて立方晶GaN単結晶育成を試みるとともに、機械加工時の歪みを抑えて作製したBN製ルツボを用いた実験を行った。タングステン製ルツボを用いた実験では、融液のはい上がりが問題となった。加工時の歪みを押さえたBN製ルツボでは、はい上がりを防ぐことができ立方晶GaN結晶の生成を確認することができた。しかし、BNルツボの融液と接する部分は黒色に変色し、融液との反応が示唆された。結晶成長後の金属カリウムの処理では、発火等を伴うことが多く、実験上、危険が伴った。そこで、本年度はより危険性の少ない金属ナトリウム融液を用いた実験もあわせて行い、第三元素の添加による結晶成長形態変化や、大型単結晶育成の可能性を探るため、GaNの溶解度測定、および徐冷法による結晶育成も試みた。
金属ナトリウム融液にMnやFe, Niなどの遷移金属元素を添加した場合にはc軸が伸張した六方晶系のGaNが、また、Liを添加した系では、六角板状でやはり六方晶系のGaN単結晶が合成された。Mn添加の場合、結晶は赤褐色を呈し、約0.35at%、Mnがドーピングがされていることが明らかになった。また、この単結晶は常磁性を示し、磁化率測定の結果、Mnは2価状態で結晶中に存在する可能性が示された。FeやNiの添加で得られた単結晶は無色透明で、ICP分析検出範囲内ではこれらの元素のドープは確認できなかった。しかし、Ni添加の条件では育成時間200時間で長さが2mmを越える単結晶が作製できた。金属融液およびLi_3Nを添加した金属ナトリウム中には、GaNが溶解することが明らかになった。溶解量は温度の増加とともに増大し、また、Li_3N添加によってその値は40%ほど大きくなった。温度による溶解度差を考慮して、徐冷法により単結晶育成を試みたところ、大きさ1mm程度の六方晶GaN単結晶が得られた。

Research Products

• [Publications] M.Aoki: "Influence of 3d-Transition-Metal Additives on Single Crystal Growth of GaN by the Na Flux Method"Japanese Journal of Applied Physics. 42. 5445-5549 (2003)
• [Publications] M.Aoki: "Dissolution and Recrystallization of GaN in Molten Na"Japanese Journal of Applied Physics. 42. 7272-7275 (2003)
• [Publications] 山根 久典: "GaN単結晶の育成"金属. 73. 1060-1064 (2003)