JP2005306629A - Method for manufacturing compound semiconductor single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は化合物半導体単結晶の製造方法に関し、特に坩堝内において種結晶からの一方向凝固によって化合物半導体単結晶を製造する方法の改善に関する。 The present invention relates to a method for producing a compound semiconductor single crystal, and more particularly to an improvement in a method for producing a compound semiconductor single crystal by unidirectional solidification from a seed crystal in a crucible.
III−V族化合物(GaAs、GaP、InPなど)やII−VI族化合物(CdTe、ZnSeなど)からなる化合物半導体は、シリコンに比べて種々の異なる特性を有するので、近年では種々の電子デバイスへの利用のための需要が高まっている。しかし、化合物半導体では、シリコンの場合ように回転引き上げ法で単結晶を製造することが困難である。したがって、化合物半導体単結晶は、一般に坩堝内で種結晶からの一方向凝固によって育成される。 Since compound semiconductors composed of III-V group compounds (GaAs, GaP, InP, etc.) and II-VI group compounds (CdTe, ZnSe, etc.) have various different characteristics compared to silicon, in recent years, they have been used in various electronic devices. The demand for the use of is increasing. However, with compound semiconductors, it is difficult to produce a single crystal by the rotational pulling method as in the case of silicon. Therefore, a compound semiconductor single crystal is generally grown by unidirectional solidification from a seed crystal in a crucible.
ところが、化合物半導体単結晶を坩堝内で種結晶からの一方向凝固によって育成する場合、化合物半導体融液が接触する坩堝の内壁における不均一性に起因して不所望な結晶核が生じて、多結晶化する場合のあることが知られている。そして、先行技術において、化合物半導体融液と坩堝の内壁との直接的接触を回避しながら化合物半導体単結晶を育成する方法が試みらている。 However, when a compound semiconductor single crystal is grown in a crucible by unidirectional solidification from a seed crystal, undesired crystal nuclei are generated due to inhomogeneities in the inner wall of the crucible in contact with the compound semiconductor melt. It is known that it may crystallize. In the prior art, a method of growing a compound semiconductor single crystal while avoiding direct contact between the compound semiconductor melt and the inner wall of the crucible has been attempted.
図5は、特許文献1の特開2000−154089号公報に開示された化合物半導体単結晶の製造方法を模式的に図解している。この方法によって化合物半導体単結晶を育成する場合、まず坩堝21の底部に設けられた凹部に化合物半導体の種結晶23が装填される。その凹部と坩堝21の本体部との間には、テーパ部21aが設けられている。このテーパ部21aを覆うように、概略中空円錐状の酸化ホウ素下敷25が配置される。この酸化ホウ素下敷25が配置された坩堝21内に、複数の化合物半導体多結晶片24が充填される。
FIG. 5 schematically illustrates a method for producing a compound semiconductor single crystal disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-154089 of Patent Document 1. When a compound semiconductor single crystal is grown by this method, a compound
この状態で坩堝21を加熱すれば、化合物半導体原料24に比べて溶融温度の低い酸化ホウ素下敷25が先に軟化して溶融する。一般に酸化ホウ素はガラス状の物質で、約450℃以上で溶融する。他方、化合物半導体は酸化ホウ素に比べて一般に高い融点を有し、例えばGaAsの融点は約1238℃である。
If the
したがって、さらに坩堝の温度を上げて化合物半導体原料24を溶解すれば、その化合物半導体融液の重量によって酸化ホウ素融液が坩堝21の内壁に沿って押し上げられる。そして、坩堝21の内壁と化合物半導体融液との間に、酸化ホウ素融液層が形成されると考えられている。その結果として、化合物半導体融液と坩堝21の内壁との直接接触が回避されて、種結晶23からの一方向凝固による単結晶育成中の多結晶化が防止され得ると期待されている。
Therefore, if the temperature of the crucible is further raised to dissolve the compound semiconductor
図6は、特許文献2の特開2003−146791号公報に開示された化合物半導体単結晶の製造方法を模式的に図解している。この方法によって化合物半導体単結晶を育成する場合、まず窒化ホウ素坩堝31の内壁を酸化させることによって酸化ホウ素薄膜32を形成する。この酸化ホウ素薄膜は、空気中で窒化ホウ素坩堝を高温に加熱することによって形成される。
FIG. 6 schematically illustrates a method for producing a compound semiconductor single crystal disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-146791 of
坩堝31の底部に設けられた凹部内には、化合物半導体種結晶33が装填される。そして、種結晶33が装填された凹部と坩堝本体部との間に設けられたテーパ部上に酸化ホウ素片34が封止剤として配置される。さらに、そのテーパ部上には、化合物半導体多結晶ブロック35が設置される。このとき、多結晶ブロック35の下面周縁は坩堝のテーパ部によって支持されが、ブロック35の側面は坩堝内壁に形成された酸化ホウ素薄膜32に接触しないように配置される。
A compound
この状態で坩堝31を加熱すれば、酸化ホウ素と化合物半導体とが順次溶融する。このとき、酸化ホウ素片34が溶解した融液は化合物半導体融液の重量によって押し上げられて、既に酸化ホウ素膜32の融液で覆われている坩堝内壁に沿って上昇する。そして、化合物半導体融液と坩堝内壁とは、酸化ホウ素膜32の厚さより増大された厚さの酸化ホウ素融液層によって、互いの接触が防止され得ると考えられる。その結果として、種結晶33からの一方向凝固による単結晶育成中の多結晶化が防止され得ると期待されている。
本発明者が図5による化合物半導体単結晶の製造方法を試みたところ、その方法によっては単結晶の育成中に多結晶化が生じることを完全には防止し得なかった。 When the inventor attempted a method for producing a compound semiconductor single crystal according to FIG. 5, it was not possible to completely prevent polycrystallization during the growth of the single crystal.
また、本発明者が図6による化合物半導体単結晶の製造方法を試みたところ、その方法によっても単結晶の育成中に多結晶化が生じることを完全には防止し得なかった。 Further, when the present inventor tried a method for producing a compound semiconductor single crystal according to FIG. 6, it was not possible to completely prevent polycrystallization during the growth of the single crystal.
このような先行技術における状況に鑑み、本発明の目的は、坩堝内の一方向凝固によって化合物半導体単結晶を育成する場合において、その多結晶化を十分に防止して、良質の化合物半導体単結晶を効率的に製造することを可能ならしめることである。 In view of such a situation in the prior art, the object of the present invention is to sufficiently prevent polycrystallization of a compound semiconductor single crystal in the case of growing a compound semiconductor single crystal by unidirectional solidification in a crucible, and to provide a high-quality compound semiconductor single crystal. It is possible to make it possible to manufacture efficiently.
本発明による化合物半導体単結晶の製造方法においては、底部に種結晶の収納部を有する窒化ホウ素坩堝の少なくとも原料融液の接する内面に酸化ホウ素膜を形成し、坩堝の底部の種結晶収納部内に種結晶を装填してその坩堝の底部に酸化ホウ素下敷を配置し、その酸化ホウ素下敷上に化合物半導体原料ブロックを配置し、この際に酸化ホウ素膜と原料ブロックとの間に互いの接触を防止する所定の小さな隙間を設け、その所定の小さな隙間を酸化ホウ素下敷を溶融させた融液によって満たし、この状態で化合物半導体原料ブロックおよび種結晶の上部の一部を溶融させ、その後に、種結晶からの一方向凝固によって化合物半導体単結晶を成長させることを特徴としている。 In the method for producing a compound semiconductor single crystal according to the present invention, a boron oxide film is formed on at least the inner surface of the boron nitride crucible having a seed crystal storage portion at the bottom and in contact with the raw material melt, and the seed crystal storage portion at the bottom of the crucible A seed crystal is loaded and a boron oxide underlay is placed at the bottom of the crucible, and a compound semiconductor raw material block is placed on the boron oxide underlay, preventing contact between the boron oxide film and the raw material block. A predetermined small gap is provided, and the predetermined small gap is filled with a melt obtained by melting the boron oxide underlay, and in this state, a part of the upper part of the compound semiconductor raw material block and the seed crystal is melted, and then the seed crystal It is characterized by growing a compound semiconductor single crystal by unidirectional solidification.
なお、酸化ホウ素膜は、加熱された窒化ホウ素坩堝の内面に空気、水蒸気、CO2、および酸素から選択された一以上の酸化性物質を反応させることによって形成することが好ましい。また、酸化ホウ素下敷上に配置された原料ブロック上に付加的な酸化ホウ素片をさらに配置し、酸化ホウ素膜と原料ブロックの側面との間の小さな隙間がこの付加的酸化ホウ素片の融液によっても満たされるとともに原料ブロックの上面が覆われることが好ましい。さらに、酸化ホウ素膜と原料ブロックとの間の小さな隙間は、1mm〜20mmの範囲内にあることが好ましい。さらにまた、坩堝の本体部とその底部の種結晶収納部とは円錐状のテーパ部で接続されていることが好ましく、原料ブロックおよび酸化ホウ素下敷はそのテーパ部に適合する円錐状の形状を有していることが好ましい。 The boron oxide film is preferably formed by reacting one or more oxidizing substances selected from air, water vapor, CO 2 , and oxygen on the inner surface of the heated boron nitride crucible. Further, an additional boron oxide piece is further arranged on the raw material block arranged on the boron oxide underlay, and a small gap between the boron oxide film and the side surface of the raw material block is formed by the melt of the additional boron oxide piece. And the upper surface of the raw material block is preferably covered. Furthermore, the small gap between the boron oxide film and the raw material block is preferably in the range of 1 mm to 20 mm. Furthermore, it is preferable that the crucible body and the seed crystal storage at the bottom thereof are connected by a conical taper, and the raw material block and the boron oxide underlay have a conical shape that fits the taper. It is preferable.
本発明によれば、化合物半導体原料ブロックおよびその融液が窒化ホウ素坩堝内壁と直接接触することが十分に防止され、そして種結晶からの一方向凝固によって化合物半導体単結晶を育成する際の多結晶化が十分に防止され得る。 According to the present invention, the compound semiconductor raw material block and the melt thereof are sufficiently prevented from coming into direct contact with the inner wall of the boron nitride crucible, and the polycrystal when growing the compound semiconductor single crystal by unidirectional solidification from the seed crystal Can be sufficiently prevented.
本発明をなすに際して、本発明者は、図5による化合物半導体単結晶の製造方法によっては単結晶の育成中に多結晶化が生じることを完全には防止し得なかった理由を検討した。そして、その原因は、坩堝21内に化合物半導体多結晶片24を坩堝21に充填した際に既にその多結晶片24が坩堝21の内壁に直接接触していることによると考えられた。
In making the present invention, the present inventor examined the reason why it was not possible to completely prevent the occurrence of polycrystallization during the growth of the single crystal depending on the method for producing the compound semiconductor single crystal according to FIG. The cause was considered to be that the
すなわち、当初から化合物半導体多結晶片24が坩堝21の内壁に直接接触している個所が存在する場合、それらの多結晶片24と坩堝21の内壁との界面に酸化ホウ素融液が侵入してその融液層を形成することは困難である。化合物半導体多結晶片24が溶解して融液となった後においても、坩堝21の内壁に直接接触している化合物半導体融液を押しのけて酸化ホウ素融液界面層を形成することは困難であろう。したがって、そのように坩堝21と化合物半導体融液とが直接接触している個所から結晶核が生じて、これによって多結晶化の結果になると考えられた。
That is, when there is a portion where the compound
本発明者は、図6による化合物半導体単結晶の製造方法によっても単結晶の育成中に多結晶化が生じることを完全には防止し得なかった理由についても検討した。図6では、化合物半導体多結晶ブロック35の下面周縁が坩堝31のテーパ部によって支持されている。坩堝31の内壁上には酸化ホウ素薄膜32が形成されているが、その酸化ホウ素薄膜は非常に薄くまたガラス質で脆い性質を有している。したがって、酸化ホウ素薄膜32は、多結晶ブロック35の下面周縁に接している領域において欠損を生じ得ると考えられる。そのような欠損部では、化合物半導体ブロック35と窒化ホウ素坩堝31とが直接接触することになる。また、一般に、坩堝本体部とテーパ部との接続領域であるコーナ部近傍から多結晶化が生じやすく、特にそのようなコーナ部近傍において坩堝内壁の不均一性を回避することが容易でないと考えられる。
The present inventor also examined the reason why it was not possible to completely prevent polycrystallization during the growth of the single crystal even by the method for producing a compound semiconductor single crystal according to FIG. In FIG. 6, the periphery of the lower surface of the compound
以上のように先行技術に関して検討された問題点を改善するために、本発明による化合物半導体単結晶の製造方法は、図1から図4に図解された実施形態としての例示を参照して以下のように行われ得る。 In order to improve the problems discussed with respect to the prior art as described above, a method for manufacturing a compound semiconductor single crystal according to the present invention is described below with reference to the examples illustrated in FIG. 1 to FIG. Can be done as follows.
まず図1の模式的断面図を参照して、窒化ホウ素坩堝1が用意される。この坩堝1は、その底部に化合物半導体単結晶3を装填するための凹部1aを有するとともに、その凹部1aと坩堝本体部とを接続するテーパ部1bを有している。このテーパ部1bは、好ましくは円錐状の形状を有している。そして、この窒化ホウ素坩堝1の内壁が酸化されて、酸化ホウ素膜2が形成されている。この酸化ホウ素膜2を坩堝内面に形成する方法については、酸化力のある固体、液体、気体などを坩堝内面と接触させて反応させればよいが、特に、加熱された窒化ホウ素坩堝1の内壁に水蒸気、空気、CO2、または酸素などの少なくとも一種以上を反応させることによって形成されることが好ましい。また、この酸化ホウ素膜の厚みは、1〜50μmの範囲内にあることが好ましい。
First, referring to the schematic cross-sectional view of FIG. 1, a boron nitride crucible 1 is prepared. The crucible 1 has a
このように内面上に酸化ホウ素膜2を有する窒化ホウ素坩堝1の底部における凹部1a内に、化合物半導体の種単結晶3が装填される。そして、坩堝1内において、テーパ部1bを覆うように酸化ホウ素下敷4Aが配置される。この酸化ホウ素下敷4Aの底部は、坩堝1の円錐状テーパ部1bに適合するように円錐状形状を有していることがより好ましい。また、この酸化ホウ素下敷4A上には、化合物半導体原料ブロック5が設置される。このとき、その原料ブロック5は酸化ホウ素膜2に接触させることなく坩堝1内に挿入され、原料ブロック5と酸化ホウ素膜2との間には所定の隙間6が設けられる。また、原料ブロック5の下面は全体が酸化ホウ素下敷4Aによって支持されており、テーパ部1b上の酸化ホウ素膜2に接触することもない。さらに、原料ブロック5上には、付加的な酸化ホウ素片4Bが配置されることが好ましい。ただし、このような付加的酸化ホウ素片4Bは、望まれる場合には省略することも可能である。また、酸化ホウ素下敷の底部と同様に、原料ブロックの底部形状も坩堝の円錐状テーパ部1bに適合するように円錐形状を有することがより好ましい。
Thus, the compound semiconductor seed
図2は、図1の状態の坩堝を加熱して酸化ホウ素材料を溶融させている状況を図解している。すなわち、坩堝を昇温していけば、化合物半導体に比べて溶融温度が低い酸化ホウ素が先に溶融し始める。そうすれば、酸化ホウ素下敷4Aが溶融した融液4aは、原料ブロック5の重量によって押し上げられ、そのブロック5と酸化ホウ素膜2との隙間6を満たしながら上昇していく。なお、最終的に化合物半導体原料5も溶融した後においては、その原料融液と坩堝内面との間に介在する酸化ホウ素融液層4aは50〜2000μmの範囲内の厚さになり得る。
FIG. 2 illustrates a situation where the crucible in the state of FIG. 1 is heated to melt the boron oxide material. That is, if the temperature of the crucible is increased, boron oxide having a lower melting temperature than the compound semiconductor starts to melt first. Then, the
他方、付加的な酸化ホウ素片4Bも溶融して融液4bになり、その融液4bも自重によってブロック5と酸化ホウ素膜2との隙間6を満たすように流れ込む。そして、化合物半導体ブロック5の上面上に残った酸化ホウ素融液4bはその化合物半導体の上面を保護するように作用し得る。
On the other hand, the additional
図2から理解されるであろうように、原料ブロック5と酸化ホウ素膜2との隙間6は、狭からずかつ広すぎないことが好ましい。例えば、この隙間6は、1mmから20mm程度の範囲内にあることが好ましい。なぜならば、その隙間6が狭すぎる場合には、多結晶ブロック5を坩堝1内に挿入する場合にそのブロック5が酸化ホウ素膜2に接触して損傷させることがあり得るからである。他方、隙間6が広すぎる場合には、その隙間を酸化ホウ素融液で満たすために多量の酸化ホウ素下敷4Aおよび付加的酸化ホウ素片4Bを必要とするからである。また、原料ブロック5と坩堝1との間にあまりに多量の酸化ホウ素融液が存在する場合には、その化合物半導体のブロックおよびその融液が不安定になるからである。すなわち、原料ブロックは坩堝内でできる限り稠密にセットされることが好ましく、坩堝形状と同じ円柱状であれば理想的である。特に、坩堝の横断面積に対して70%以上が原料ブロックで占められるようにすれば効果的である。
As will be understood from FIG. 2, the
図3を参照して、酸化ホウ素下敷の融液4aと付加的酸化ホウ素片の融液4bとが合体した融液4によって化合物半導体多結晶ブロック5の全表面が覆われる。このとき、もちろん坩堝内壁上の酸化ホウ素膜も液層2aになっている。その後に、化合物半導体ブロックが溶融させられて化合物半導体融液5aにされるとともに、化合物半導体種結晶3の上部も部分的に溶解させられる。こうして化合物半導体融液5aと種結晶3とが接続された後に、その融液5aは種結晶3側から上方に向かってゆっくりと一方向凝固させられる。
Referring to FIG. 3, the entire surface of compound semiconductor
図4は、化合物半導体融液5aの一方向凝固の過程を模式的に図解している。このような一方向凝固は、当業者に周知のように、種々の態様で行うことができる。すなわち、例えば加熱炉(図示せず)に対して坩堝1をゆっくりと下降させてもよいし、逆に坩堝1に対して加熱炉を上昇させてもよい。また、上方に比べて下方が低い温度分布を有する加熱炉の温度をゆっくりと降下させるように温度制御してもよい。そのように、種結晶3から上方への一方向凝固をゆっくりと生じさせることによって、種結晶3と同じ結晶方位を有する化合物半導体単結晶3を育成することができる。
FIG. 4 schematically illustrates the unidirectional solidification process of the
この一方向凝固の間に、化合物半導体融液5aは、酸化ホウ素融液4および酸化ホウ素膜2の液層によって窒化ホウ素坩堝1との直接接触が防止され、新たな結晶核を生じさせることなく化合物半導体単結晶3を成長させることができる。
During this unidirectional solidification, the
なお、以上の実施形態では一体の化合物半導体原料ブロック5を坩堝1内に装填する例について説明されたが、その原料ブロックは、望まれる場合には複数のブロックの稠密な集合体であってもよいことは言うまでもない。ただし、その場合に、いずれの化合物半導体ブロックも窒化ホウ素坩堝1の内壁に直接接触しないように装填すべきことに留意すべきである。また、それら複数の化合物半導体ブロックは全てが多結晶のブロックである必要もなく、好ましい場合にはその一部または全てに単結晶のブロックを配置してもよいことも言うまでもない。
In the above embodiment, the example in which the integral compound semiconductor
さらに、図1において化合物半導体ブロック5上には複数の酸化ホウ素片4Bが配置されているが、これら複数の酸化ホウ素片が一体の酸化ホウ素片として配置されてもよいし、酸化ホウ素下敷4Aが十分な量であれば配置する必要もない。
Further, although a plurality of
以上のように、本発明によれば、坩堝内の一方向凝固によって化合物半導体単結晶を育成する場合において、その多結晶化を十分に防止して良質の化合物半導体単結晶を効率的に製造することが可能となる。 As described above, according to the present invention, when a compound semiconductor single crystal is grown by unidirectional solidification in a crucible, the polycrystallization is sufficiently prevented and a high-quality compound semiconductor single crystal is efficiently manufactured. It becomes possible.
1 窒化ホウ素坩堝、1a 坩堝の種結晶収納部、1b 坩堝のテーパ部、2 酸化ホウ素膜、2a 酸化ホウ素融液層、3 化合物半導体種結晶、4、4a、4b 酸化ホウ素融液層、4A 酸化ホウ素下敷、4B 酸化ホウ素片、5 化合物半導体原料ブロック、5a 化合物半導体融液、6 隙間。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Boron nitride crucible, 1a Crucible seed crystal storage part, 1b Crucible taper part, 2 Boron oxide film, 2a Boron oxide melt layer, 3 Compound semiconductor seed crystal, 4, 4a, 4b Boron oxide melt layer, 4A Oxidation Boron underlay, 4B boron oxide piece, 5 compound semiconductor raw material block, 5a compound semiconductor melt, 6 gap.
Claims (1)
底部に種結晶の収納部を有する窒化ホウ素坩堝の少なくとも原料融液の接する内面に酸化ホウ素膜を形成し、
前記坩堝の底部の前記収納部内に前記種結晶を装填して、その坩堝の底部に酸化ホウ素下敷を配置し、
その酸化ホウ素下敷上に化合物半導体原料ブロックを配置し、この際に前記酸化ホウ素膜と前記原料ブロックとの間に互いの接触を防止する所定の小さな隙間を設け、
前記酸化ホウ素下敷を溶融させて、この酸化ホウ素融液によって前記所定の小さな隙間を満たし、
この状態で前記化合物半導体原料ブロックおよび前記種結晶の上部の一部を溶融させ、
その後に、前記種結晶からの一方向凝固によって化合物半導体単結晶を成長させることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。 A method for producing a compound semiconductor single crystal comprising:
A boron oxide film is formed on at least the inner surface of the boron nitride crucible having a seed crystal storage portion at the bottom, which is in contact with the raw material melt,
The seed crystal is loaded into the storage part at the bottom of the crucible, and a boron oxide underlay is placed at the bottom of the crucible,
A compound semiconductor raw material block is disposed on the boron oxide underlay, and at this time, a predetermined small gap is provided between the boron oxide film and the raw material block to prevent mutual contact,
Melting the boron oxide underlay, filling the predetermined small gap with the boron oxide melt,
In this state, the compound semiconductor raw material block and a part of the upper part of the seed crystal are melted,
Then, a compound semiconductor single crystal is grown by unidirectional solidification from the seed crystal.
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