JP2501147B2 - Method for producing high-purity alkylphosphine - Google Patents

Method for producing high-purity alkylphosphine

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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高純度アルキルホスフ
ィンの製造方法に関する。特に本発明はMOCVD(Met
alorganic Chemical Vapor Deposition)法により化合物
半導体薄膜を形成する際の原料となる高純度アルキルホ
スフィンの製造方法に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing high-purity alkylphosphine. In particular, the present invention is a MOCVD (Met
The present invention relates to a method for producing a high-purity alkylphosphine as a raw material for forming a compound semiconductor thin film by the alorganic Chemical Vapor Deposition method.

【0002】[0002]

【従来の技術】インジウムーリンをはじめとするIII 族
ーV族化合物半導体薄膜は電子デバイスを作製する材料
として有用である。化合物半導体薄膜を形成する方法と
しては、MBE(Molecular Beam Epitaxy) 、ハライド
CVD、MOCVD 、MOMBE(Metal-organic Molecular Beam
Epitaxy) などがある。これらの中でもMOCVD あるいは
MOMBE は結晶成長系内を高真空に保つ必要がなく原料の
交換が容易であり、メンテナンスが楽であるため、使用
頻度の高まりとともに注目されつつある結晶成長法であ
る。
2. Description of the Related Art Group III-V compound semiconductor thin films such as indium-phosphorus are useful as materials for producing electronic devices. As a method of forming a compound semiconductor thin film, MBE (Molecular Beam Epitaxy), halide
CVD, MOCVD, MOMBE (Metal-organic Molecular Beam
Epitaxy). Among these, MOCVD or
MOMBE is a crystal growth method that is attracting attention as it is used more frequently because it does not need to maintain a high vacuum inside the crystal growth system, the material can be easily replaced, and maintenance is easy.

【0003】ところがこれらの方法によってIII 族ーリ
ン化合物半導体を作製する際には、リン化合物の原料と
して、毒性の高いリンの水素化物であるホスフィンを用
いているため、量産化に伴う原料の多量使用に不安がも
たれている。
However, when a group III-phosphorus compound semiconductor is produced by these methods, since phosphine, which is a highly toxic phosphorus hydride, is used as a raw material for the phosphorus compound, a large amount of the raw material is used for mass production. I'm worried.

【0004】そこで近年、リン原料として、ホスフィン
に代わってアルキルホスフィンが提案され、特にモノア
ルキルホスフィンは水素を2個有するため半導体薄膜へ
の炭素の混入が少なく、毒性を低減したホスフィン代替
材料として注目されている[例えばJ.Crystal Growth.
77(1986) 11]。
Therefore, in recent years, alkylphosphine has been proposed as a phosphorus raw material in place of phosphine. In particular, since monoalkylphosphine has two hydrogen atoms, it is attracting attention as a phosphine substitute material with less carbon contamination in the semiconductor thin film and reduced toxicity. [Eg J. Crystal Growth.
77 (1986) 11].

【0005】アルキルホスフィンの合成法としては アルキルハロゲノリン化合物の水素化アルミニウム
リチウムあるいはナトリウムによる還元 2RPCl2+LiAlH4→2RPH2 +LiAlCl4 RPCl2 +4Na(+H2O)→RPH2+2NaCl +2NaOH 亜ホスホン酸ジアルキルやホスホン酸ジアルキルの
水素化アルミニウムリチウムによる還元 R1P(OR2)2 +LiAlH4→R1PH2 ホスフィンとオレフィンの反応 PH3 +CnH2n →CnH2n+1・PH2 +(CnH2n+1)2・PH +(CnH
2n+1)3P などが知られている(ここにR、R1 、R2 はアルキル
基を表わす)。
As a method for synthesizing an alkylphosphine, reduction of an alkylhalogenoline compound with lithium aluminum hydride or sodium 2RPCl 2 + LiAlH 4 → 2RPH 2 + LiAlCl 4 RPCl 2 + 4Na (+ H 2 O) → RPH 2 + 2NaCl + 2NaOH dialkyl phosphonite or Reduction of dialkyl phosphonates with lithium aluminum hydride R 1 P (OR 2 ) 2 + LiAlH 4 → R 1 PH 2 Reaction of phosphine with olefin PH 3 + C n H 2n → C n H 2n + 1・ PH 2 + (C n H 2n + 1 ) 2・ PH + (C n H
2n + 1 ) 3 P and the like are known (wherein R, R 1 and R 2 represent an alkyl group).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】これらのアルキルホス
フィンの合成法のうちやのような還元による方法に
おいては、収率の点から還元剤として主として水素化ア
ルミニウムリチウム(LiAlH4 )、ナトリウム水素
化ビス(2−メトキシエトキシ)アルミニウム(NaA
lH2 (OC24 OCH32 )や水素化ほう素ナト
リウム(NaBH4 )のような分子中に活性ヒドリドを
有する化合物を用いるのが有利であるが、このような還
元反応においては、通常還元による反応生成物を、塩酸
水溶液で加水分解し、有機相を抽出蒸留してアルキルホ
スフィンを製造していた(例えば新実験化学講座15、
有機金属)。
Among the synthetic methods of these alkylphosphines, in the reduction method such as the method described above, lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ) and sodium bis (bis) hydride are mainly used as reducing agents from the viewpoint of yield. (2-Methoxyethoxy) aluminum (NaA
Although it is advantageous to use a compound having an active hydride in the molecule, such as 1H 2 (OC 2 H 4 OCH 3 ) 2 ) or sodium borohydride (NaBH 4 ), in such a reduction reaction, Usually, the reaction product of the reduction was hydrolyzed with an aqueous hydrochloric acid solution, and the organic phase was extracted and distilled to produce an alkylphosphine (for example, New Experimental Chemistry Course 15,
Organic metal).

【0007】しかしこれらの還元剤は微量のケイ素を含
有しており、これが製品であるアルキルホスフィンに混
入するという問題があった。アルキルホスフィンに混入
したケイ素は精密蒸留を行っても除去は困難で高純度化
の障害となっていた。特にアルキルホスフィンをIII −
V族化合物半導体のMOCVD用原料とする場合、IV族
元素であるケイ素は活性種でありケイ素が混入すると化
合物半導体の特性が著しく低下するため極力低減しなけ
ればならない元素の一つである。
However, these reducing agents contain a trace amount of silicon, and there is a problem that they are mixed in the product alkylphosphine. The silicon mixed in the alkylphosphine is difficult to remove even by precision distillation, which is an obstacle to high purification. In particular, alkylphosphine is
In the case of using as a raw material for MOCVD of a group V compound semiconductor, silicon, which is a group IV element, is an active species, and when silicon is mixed in, the characteristics of the compound semiconductor are remarkably deteriorated, and it is one of the elements that must be reduced as much as possible.

【0008】本発明の発明者らは、アルキルハロゲノリ
ン化合物を還元剤により還元してアルキルホスフィンを
製造する方法において、混入するケイ素の低減化を検討
した結果、還元反応終了後の生成物の分解に用いる塩酸
濃度とアルキルホスフィンに混入するケイ素量に関係が
あることに着目し、水で加水分解し精密蒸留を行うこと
によりアルキルホスフィン中のケイ素を大幅に低減でき
ることを見出し本発明に至った。
The inventors of the present invention have studied the reduction of silicon contained in a method for producing an alkylphosphine by reducing an alkylhalogenoline compound with a reducing agent, and as a result, decomposed the product after completion of the reduction reaction. Focusing on the relationship between the concentration of hydrochloric acid used for the above and the amount of silicon mixed into the alkylphosphine, the inventors have found that the silicon in the alkylphosphine can be significantly reduced by hydrolyzing with water and performing precision distillation.

【0009】従って本発明の目的はケイ素を低減した高
純度アルキルホスフィンを得る方法を提供することにあ
る。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for obtaining high purity alkylphosphine having reduced silicon.

【0010】[0010]

【発明を解決するための手段】本発明はアルキルハロゲ
ノリン化合物を、分子中に活性ヒドリドを有する還元剤
により還元して、アルキルホスフィンを合成する反応に
おいて、還元反応生成物を水により加水分解してアルキ
ルホスフィンを分離回収することを特徴とするアルキル
ホスフィンの製造方法である。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention reduces an alkylhalogenoline compound with a reducing agent having an active hydride in the molecule to synthesize an alkylphosphine, in which the reduction reaction product is hydrolyzed with water. And a method for producing an alkylphosphine, characterized in that the alkylphosphine is separated and recovered.

【0011】本発明は二ハロゲン化亜ホスホニル(RP
2 )又は二ハロゲン化ホスホニル(RP(O)X2
のようなアルキルジハロゲノリン化合物の還元によるモ
ノアルキルホスフィンの製造、ハロゲン化亜ホスフィニ
ル(R2 PX)又はハロゲン化ホスフィニル(R2
(O)X)のようなジアルキルハロゲノリン化合物の還
元によるジアルキルホスフィンの製造のいずれにも適用
することができる。
The present invention is directed to phosphonyl dihalides (RP
X 2 ) or phosphonyl dihalide (RP (O) X 2 )
Of monoalkylphosphines by reduction of alkyldihalogenoline compounds such as, phosphinyl halides (R 2 PX) or phosphinyl halides (R 2 P
It can be applied to any of the production of dialkylphosphines by reduction of dialkylhalogenoline compounds such as (O) X).

【0012】また本発明は、いずれのアルキル基を有す
るアルキルホスフィンの製造にも適用することができ、
特にMOCVD法により化合物半導体薄膜を形成する際
の原料となるイソプロピル、tert−ブチル、フェニ
ル等のモノアルキルホスフィン製造に適用し、不純物の
少ないモノアルキルホスフィンを製造することができ
る。
Further, the present invention can be applied to the production of alkylphosphine having any alkyl group,
In particular, it can be applied to the production of monoalkylphosphine such as isopropyl, tert-butyl, phenyl, etc., which is a raw material when forming a compound semiconductor thin film by the MOCVD method, to produce a monoalkylphosphine containing few impurities.

【0013】本発明で用いる還元剤は分子中に活性ヒド
リドを有する化合物であり、水素化アルミニウムリチウ
ム(LiAlH4 )、ナトリウム水素化ビス(2−メト
キシエトキシ)アルミニウム(NaAlH2 (OC2
4 OCH32 )あるいは水素化ほう素ナトリウム(N
aBH4 )等を挙げることができるが、製品中にハロゲ
ン化アルキルの混入が少ないという点ではナトリウム水
素化ビス(2−メトキシエトキシ)アルミニウムが優れ
ている。
The reducing agent used in the present invention is a compound having an active hydride in the molecule, such as lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), sodium bis (2-methoxyethoxy) aluminum hydride (NaAlH 2 (OC 2 H 2
4 OCH 3 ) 2 ) or sodium borohydride (N
aBH 4 ), etc., but sodium bis (2-methoxyethoxy) aluminum hydride is superior in that it contains less alkyl halide in the product.

【0014】加水分解に用いる水は純水のごとき中性の
水であり、pHが6〜8、特に6.5〜7.5 の範囲のもの
が好ましい。
The water used for the hydrolysis is neutral water such as pure water, and preferably has a pH of 6 to 8, particularly 6.5 to 7.5.

【0015】加水分解に用いる水の量は、収率の点から
収率が飽和する量以上加えることが好ましい。但し水量
が多くなると反応容器が大型化するため、反応系に合っ
た水量で行うと良い。
From the viewpoint of yield, it is preferable that the amount of water used for hydrolysis is more than the amount at which the yield is saturated. However, if the amount of water increases, the reaction vessel becomes larger, so it is advisable to carry out with the amount of water suitable for the reaction system.

【0016】加水分解の初期は多量のガスを発生するた
め暴走反応がおこらないように滴下速度を制御する必要
がある。
Since a large amount of gas is generated in the initial stage of hydrolysis, it is necessary to control the dropping rate so that a runaway reaction does not occur.

【0017】[0017]

【実施例】操作はすべて不活性雰囲気下で行った。実施例1 ナトリウム水素化ビス(2−メトキシエトキシ)アルミ
ニウム70%トルエン溶液347gをフラスコに入れ、
100℃、5mmHg、3時間でトルエンを加熱減圧留
去した。常温にもどした後ジブチルエーテル200ml
を加え溶解させたtert−ブチルジクロロホスホニル
(tert−BuP(O)Cl2 )70gを滴下ロート
に入れ、約−10℃に冷却したナトリウム水素化ビス
(2−メトキシエトキシ)アルミニウム中に滴下した。
滴下終了後約60℃で1時間加熱攪拌した。常温にもど
した後再び約−10℃に冷却し、水900mlを徐々に
加えた。反応液は白濁しさらに加えると完全に二相分離
した。上相の有機相を抽出、蒸留し18gの無色液体を
得た(収率50%)。ICPによりケイ素含有量を定量
したところ0.2ppmであった。これを長さ30cm
のラッシヒリングを充てんした蒸留塔を用い2回精留を
行なったところ、ケイ素含有量はICPの定量下限であ
る0.03ppm以下となった。
EXAMPLES All operations were carried out under an inert atmosphere. Example 1 347 g of 70% sodium bis (2-methoxyethoxy) aluminum hydride toluene solution was placed in a flask,
Toluene was distilled off under reduced pressure by heating at 100 ° C., 5 mmHg for 3 hours. After returning to room temperature, 200 ml of dibutyl ether
70 g of tert-butyldichlorophosphonyl (tert-BuP (O) Cl 2 ) which had been added and dissolved was placed in a dropping funnel and added dropwise to bis (2-methoxyethoxy) aluminum hydride cooled to about -10 ° C. .
After completion of dropping, the mixture was heated and stirred at about 60 ° C. for 1 hour. After returning to room temperature, it was cooled to about -10 ° C again, and 900 ml of water was gradually added. The reaction solution became cloudy and when it was further added, it was completely separated into two phases. The upper organic phase was extracted and distilled to obtain 18 g of colorless liquid (yield 50%). The silicon content determined by ICP was 0.2 ppm. This is 30 cm in length
When rectification was performed twice using a distillation column filled with Raschig rings, the silicon content was 0.03 ppm or less, which is the lower limit of quantification of ICP.

【0018】得られたtert−ブチルホスフィンと市
販されているトリメチルインジウムを用い、水平式MO
CVD装置で成長温度600℃、V/III 比30でIn
P基板上にInPエピタキシャル膜を常圧成長させ、V
an der Pauw法により電気的特性を測定した
結果は以下のとおりであった。 移動度μ77k =50500cm2 /v・sec キャリア濃度η77k =1.7×1015cm-3 であった。
Using the obtained tert-butylphosphine and commercially available trimethylindium, a horizontal MO
In using a CVD apparatus at a growth temperature of 600 ° C. and a V / III ratio of 30
An InP epitaxial film is grown under atmospheric pressure on a P substrate, and V
The results of measuring the electrical characteristics by the and der Pauw method are as follows. Mobility μ 77k = 50500 cm 2 / v · sec Carrier concentration η 77k = 1.7 × 10 15 cm −3 .

【0019】比較例1 ナトリウム水素化ビス(2−メトキシエトキシ)アルミ
ニウム70%トルエン溶液357gとtert−ブチル
ジクロロホスホニル(t−BuP(O)Cl2)72g
を用い実施例1と同様にして反応させ、反応後水のかわ
りに6N塩酸水溶液900mlにより加水分解をした。
有機相を抽出蒸留し21gの無色液体を得た(収率56
%)。ICPによりケイ素含有量を定量したところ0.
7ppmであった。これを長さ30cmのラッシヒリン
グを充てんした蒸留塔を用いて2回精留をしたが、精留
後においても製品中のケイ素含有量は0.8ppmであ
った。
Comparative Example 1 Sodium bis (2-methoxyethoxy) aluminum hydride 70% toluene solution 357 g and tert-butyldichlorophosphonyl (t-BuP (O) Cl 2 ) 72 g
Was reacted in the same manner as in Example 1, and after the reaction, hydrolysis was performed with 900 ml of a 6N hydrochloric acid aqueous solution instead of water.
The organic phase was subjected to extractive distillation to obtain 21 g of a colorless liquid (yield 56
%). The silicon content was determined by ICP to be 0.
It was 7 ppm. This was rectified twice using a distillation column filled with a Raschig ring having a length of 30 cm, and the silicon content in the product was 0.8 ppm even after the rectification.

【0020】得られたtert−ブチルホスフィンと市
販のトリメチルインジウムから実施例1と同様にMOC
VD装置によりInPエピタキシャル膜を作製し電気的
特性を測定した結果、 移動度μ77k =7900cm2 /v・sec キャリア濃度η77k =2.3×1016cm-3 であり、水で加水分解して得られたものに較べ、電気的
特性が充分なものが得られなかった。
MOC was obtained from the obtained tert-butylphosphine and commercially available trimethylindium in the same manner as in Example 1.
An InP epitaxial film was prepared by a VD apparatus and the electrical characteristics were measured. As a result, the mobility was μ 77k = 7900 cm 2 / v · sec, the carrier concentration was η 77k = 2.3 × 10 16 cm −3 , and it was hydrolyzed with water. As a result, the one having sufficient electric characteristics was not obtained as compared with the one obtained.

【0021】[0021]

【発明の効果】本発明によれば分子中に活性ヒドリドを
有する還元剤によるアルキルハロゲノリン化合物の還元
反応生成物を水で加水分解することにより、ケイ素含有
量が湿式分析定量下限以下の高純度アルキルホスフィン
が得られ、高性能のIII 族ーV族化合物半導体薄膜用原
料とすることができる。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, the reduction reaction product of an alkylhalogenoline compound with a reducing agent having an active hydride in the molecule is hydrolyzed with water to obtain a silicon compound having a high purity of less than the lower limit of wet analysis quantitative determination. An alkylphosphine can be obtained and can be used as a raw material for a high-performance Group III-V compound semiconductor thin film.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 アルキルハロゲノリン化合物を、分子中
に活性ヒドリドを有する還元剤により還元して、アルキ
ルホスフィンを合成する反応において、還元反応生成物
を水により加水分解してアルキルホスフィンを分離回収
することを特徴とするアルキルホスフィンの製造方法。
1. In a reaction for synthesizing an alkylphosphine by reducing an alkylhalogenoline compound with a reducing agent having an active hydride in the molecule, the reduction reaction product is hydrolyzed with water to separate and recover the alkylphosphine. A method for producing an alkylphosphine, comprising:
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