CN102859051A - Ii-vi族化合物半导体多晶的合成方法 - Google Patents

Ii-vi族化合物半导体多晶的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供II-VI族化合物半导体多晶的合成方法，其中，即使不使用石英安瓿作为多晶合成中使用的容器，也可以进行合成，由此在不降低收率的情况下，可以实现容器的大型化，实现成本降低。其中，将两种以上原料元素放入到半密闭型pBN制内侧容器(6a)内，进而将该内侧容器放入到半密闭型耐热性外侧容器(6b)中，并配置在具有加热机构(7)的高压炉(1)内，对高压炉内进行排气并用规定压力的惰性气体充满后，利用加热机构加热外侧容器和内侧容器使其升温，使内侧容器内的原料元素熔解、反应后，缓慢降低温度，由此使多晶生长。

Description

II-VI族化合物半导体多晶的合成方法
技术领域
本发明涉及作为II-VI族化合物半导体单晶的原料的II-VI族化合物半导体多晶的合成方法，涉及CdTe系化合物半导体多晶、特别是CdTe多晶的合成方法。
背景技术
为了制造II-VI族化合物半导体单晶，必须首先由II族元素和VI族元素合成化合物半导体的多晶。以往，II-VI族化合物半导体的合成如下进行：在半密闭型的pBN制内侧容器内各自以单质形式封入II族元素和VI族元素，将该容器放入由密闭型石英安瓿构成的外侧容器内并真空封入，用电炉升温至熔点以上使原料元素熔解、反应，合成II-VI族化合物半导体。
作为涉及这种多晶合成方法的发明，例如有专利文献1、专利文献2中公开的发明。
专利文献1：日本专利第2517803号公报
专利文献2：日本特开2003-277197号公报。
发明内容
在合成作为II-VI族化合物半导体单晶的原料的II-VI族化合物半导体多晶时，为了有效地进行合成、实现成本降低，期待增大合成所使用的容器的尺寸而可以一次性合成大量的多晶。然而，如专利文献1、专利文献2所公开的技术，使用密闭型石英安瓿的合成方法中，若增大石英安瓿的尺寸，则难以处理安瓿，同时存在越是大型则由合成时的压力升高而导致安瓿越易破损、收率降低的问题。
此外，使用石英安瓿的合成方法中，由于在合成结束后打破石英安瓿来取出合成多晶，石英安瓿作为一次性的容器被处理，因此难以降低成本。
本发明是着眼于上述课题而提出的，其目的在于，提供II-VI族化合物半导体多晶的合成方法，其中，即使不使用石英安瓿作为II-VI族化合物半导体多晶的合成中使用的容器，也可以进行合成，由此在不降低收率的情况下可以实现容器的大型化，实现成本降低。
为了达成上述目的，权利要求1记载的是II-VI族化合物半导体多晶的合成方法，其特征在于，
将两种以上原料元素放入到半密闭型pBN制内侧容器内，进而将该内侧容器放入到半密闭型耐热性外侧容器中，并配置在具有加热机构的高压炉内，对上述高压炉内进行排气并用规定压力的惰性气体充满后，利用上述加热机构加热上述外侧容器和内侧容器使其升温，使上述内侧容器内的原料元素熔解、反应后，缓慢降低温度，由此使多晶生长。
利用上述方法，即使不使用难以大型化的石英安瓿作为多晶合成中使用的容器，也可以进行合成，由此可以实现容器的大型化。此外，若使用石英安瓿作为多晶合成中使用的容器，则在合成中途安瓿有可能破裂而导致合成失败、收率降低，然而通过适用本发明方法，由于不使用石英安瓿就可以进行合成，因此可以再次使用容器，可以实现成本降低。
权利要求2记载的发明的特征在于，在权利要求1记载的II-VI族化合物半导体多晶的合成方法中，
上述外侧容器为石墨制，表面被玻璃纤维系涂布剂被覆。
通过外侧容器使用石墨制的容器，处理变得容易，同时通过使用表面被涂层被覆的外侧容器，即使容器的材料为石墨，也可以抑制升温中气化的原料从外侧容器泄漏。
权利要求3记载的发明的特征在于，在权利要求1或2记载的II-VI族化合物半导体多晶的合成方法中，
升温前的上述高压炉内的惰性气体的压力为0.5MPa以上。
通过使升温前的上述高压炉内的惰性气体的压力为0.5MPa以上，可以减少升温中在合成用的容器内气化的原料从容器泄漏。
权利要求4记载的发明的特征在于，在权利要求3记载的II-VI族化合物半导体多晶的合成方法中，
上述II-VI族化合物半导体多晶为CdTe多晶，上述升温时的升温速度为100～2000℃/小时。
通过使升温时的升温速度为100～2000℃/小时，可以可靠地进行CdTe多晶的合成而没有未反应的残留原料。
发明效果
根据本发明，具有下述效果：即使不使用石英安瓿作为合成中使用的容器，也可以进行II-VI族化合物半导体多晶的合成，由此在不降低收率的情况下可以实现容器的大型化，实现成本降低。
附图说明
图1为本发明的实施方式的CdTe多晶的合成中使用的结晶合成装置的结构简图。
图2为表示利用本发明的实施方式的CdTe多晶的合成方法进行的合成过程的加热装置的温度变化情况的时间曲线图。
图3为以往的CdTe多晶的合成中使用的结晶合成装置的结构简图。
具体实施方式
以下基于附图对本发明的优选实施方式进行说明。
图1为本实施方式的CeTe多晶等II-VI族化合物半导体多晶的合成中使用的装置的结构简图。在图1中为以下结构：符号1为高压炉，该高压炉1通过配管2a与真空泵3连接、通过配管2b与加压装置4连接，利用真空泵3对高压炉1内的空气进行排气后，由配管2b导入N2等惰性气体等来置换内部气体，进而利用加压装置4压入惰性气体，可以调整高压炉1内的压力。
认为上述加压装置4为以下结构：例如使用高压气体贮罐，用减压阀将该气体的压力减压，通过压力控制器5供给到高压炉1内，设定为所需的压力。
此外，在本实施方式的结晶合成装置中，在上述高压炉1的中央配置合成容器6，以包围该合成容器6的方式设置加热器7。应予说明，合成时Cd等的蒸气压升高，原料有可能从容器飞出，因此合成容器6形成由内侧容器6a和外侧容器6b构成的双重结构的容器，内侧容器6a为pBN制，由下端封闭、上端开口的圆筒状的坩埚和具有与该坩埚的上部开口端的外径大致相同直径的圆板状盖体构成。
此外，外侧容器6b为石墨制，由下端封闭、上端开口的具有比上述内侧容器6a大一圈的直径的圆筒状主体，和具有与该圆筒状主体的开口端的外径大致相同直径的圆板状盖体构成。石墨制外侧容器6b由于可透过气体，因此优选使用表面被玻璃纤维系涂布剂被覆的容器。由此，可以抑制气体从外侧容器6b泄漏。
进一步地，可以形成以下结构：上述外侧容器6b的盖可以通过未图示的螺纹以半密闭状态固定于主体部。此外，通过使外侧容器6b的凹部的高度与内侧容器6a的整体的高度相同，将外侧容器6b的盖固定在主体部时，通过从上方挤压内侧容器6a的盖，使内侧容器6a的盖不会因内部气体的压力而偏移。进一步地，在合成前进行炉内气体的置换时，为了也可以进行合成容器内的气体的置换，优选预先设置打开容器的盖、在气体置换后关闭盖的机构。
使用图1的结晶合成装置进行例如CdTe多晶的合成时，首先分别将规定重量的Cd的块8和Te的块9放入到作为内侧容器的pBN制坩埚6a中并盖上盖。然后，将该坩埚放入到石墨制的外侧容器6b中并盖上盖，用螺纹将盖固定在主体部。接着，将该容器设置在高压炉1内，利用真空泵3对炉内进行真空排气后用加压装置4将惰性气体导入到炉内，将内部压力设定为0.5MPa以上。通过将惰性气体导入到高压炉内，可以抑制升温中在合成用的容器内气化的原料从容器泄漏。
然后，对加热器7供电使高压炉1内升温。图2表示该升温时的炉内温度的变化。如图2所示，首先，在Cd和Te熔化的500℃附近开始第一反应，由产生的反应热使炉内温度暂时升高。接着，在800～900℃下未反应的Cd和Te产生第二反应，由于反应热而使炉内温度暂时升高。进一步地，若残留未反应的Cd和Te，则在1000℃附近产生第三反应。
然后，将高压炉1内升温至CdTe的熔点1092℃，维持该状态规定的时间使原料Cd与Te完全反应形成CdTe后，冷却炉内使CdTe多晶生长，取出合成容器6，卸除内侧容器6a和外侧容器6b的盖，取出CdTe多晶。此时，通过本实施方式的结晶合成装置，内侧容器6a和外侧容器6b都无需被破坏，可以再次使用。
(实施例)
接着，在上述实施方式的结晶合成装置中，使用直径6英寸、高度40cm的pBN制坩埚，将原料Cd的块与Te的块以总计20kg放入到pBN制坩埚中，按照上述顺序对高压炉1内进行排气，用规定压力(例如0.5MPa)的惰性气体充满后用1小时升温至1092℃，维持该状态2小时后，用5小时将炉内冷却至室温，使CdTe多晶生长，重复进行上述实验120次。结果内侧容器6a和外侧容器6b一次都没有破损。
(比较例1)
如图3所示，在直径3英寸、长50cm的pBN制内侧容器6a内放入原料Cd的块与Te的块总计5kg，将该内侧容器6a放入石英制的外侧容器6b(石英安瓿)内并真空封入，将其设置在与图1相同的结晶合成装置的高压炉1内。然后，按照与上述相同的顺序用11小时将高压炉1内升温至1092℃，维持该状态2小时后，用35小时将炉内冷却至室温，使CdTe多晶生长，重复进行上述实验120次。结果在发生上述第一反应～第三反应的阶段，以每120次中2次的频率作为外侧容器的石英安瓿破裂。
(比较例2)
作为pBN制的内侧容器6a，使用直径6英寸、长度40cm的容器，如图3所示，在pBN制内侧容器6a内放入原料Cd的块与Te的块总计20kg，将该内侧容器6a放入石英制的外侧容器6b(石英安瓿)内并真空封入，将其设置在与图1相同的结晶合成装置的高压炉1内。然后，按照与上述相同的顺序用11小时将高压炉1内升温至1092℃，维持该状态2小时后，用35小时将炉内冷却至室温，使CdTe多晶生长，重复进行上述实验120次。结果在发生上述第一反应～第三反应的阶段，以每10次中2次的频率作为外侧容器的石英安瓿破裂。
由比较例1和比较例2可知，若适用使用石英安瓿作为外侧容器6b的以往合成方法，则在升温的过程中石英安瓿有可能破裂，而且容器的尺寸越大则这种事故的频率越高。因此，在使用石英安瓿的以往合成方法中，10kg左右为一次合成产生的重量的限度。
此外，由上述实施例和上述比较例1及比较例2可知，通过适用本发明的实施方式，即使使用石墨制容器而不使用石英安瓿作为外侧容器6b，也可以使CdTe多晶生长，由于没有在中途容器破损的事故，因此容器可以再次使用。而且，由于pBN制内侧容器6a的直径可以为20cm以上，因此在一次合成中可以合成至少20kg的多晶，效率大幅提高。此外，石墨制的容器虽然在制作费方面初期成本高于石英安瓿，但是由于可以重复使用数10次，同时也不会产生使用石英安瓿时的废弃物，因此可以降低合成的总成本。
以上，基于实施例对本发明人提出的发明进行了具体说明，然而本次公开的实施例在全部方面为示例而不是限定。例如在上述实施例中，说明了将高压炉1的升温前的内部压力设定为0.5MPa，然而内部压力不限定为0.5MPa。升温前的优选内部压力为0.5MPa～1MPa。
此外，升温速度也不限于上述实施例，在100～2000℃/小时的范围内即可。此外，在上述实施例中，说明了将高压炉1内用规定压力的惰性气体充满，然而还可以形成以下结构：在高压炉1内设置贮存部而在升温过程中产生原料中的任意一种(例如Cd)的蒸气压。
进一步地，在以上的说明中，主要对将本发明人提出的发明用于CdTe多晶的合成中的情况进行了说明，然而本发明还可以用于除CdTe多晶以外的II-VI族化合物半导体多晶的合成。
符号说明
1 高压炉
2a、2b 配管
3 真空泵
4 加压装置
5 压力控制器
6 合成容器(内侧容器6a、外侧容器6b)
7 加热器
8 Cd块(原料)
9 Te块(原料)

Claims (4)

1.II-VI族化合物半导体多晶的合成方法，其特征在于，将两种以上原料元素放入到半密闭型pBN制内侧容器内，进而将该内侧容器放入到半密闭型耐热性外侧容器中，并配置在具有加热机构的高压炉内，对所述高压炉内进行排气并用规定压力的惰性气体充满后，利用所述加热机构加热所述外侧容器和内侧容器使其升温，使所述内侧容器内的原料元素熔解、反应后，缓慢降低温度，由此使多晶生长。
2.如权利要求1所述的II-VI族化合物半导体多晶的合成方法，其特征在于，所述外侧容器为石墨制，表面被涂层被覆。
3.如权利要求1或2所述的II-VI族化合物半导体多晶的合成方法，其特征在于，升温前的所述高压炉内的惰性气体的压力为0.5MPa～1MPa。
4.如权利要求3所述的II-VI族化合物半导体多晶的合成方法，其特征在于，所述II-VI族化合物半导体多晶为CdTe多晶，所述升温时的升温速度为100～2000℃/小时。
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