JP2556159B2 - 半導体結晶の製造方法 - Google Patents

半導体結晶の製造方法

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JP2556159B2 JP2034995A JP3499590A JP2556159B2 JP 2556159 B2 JP2556159 B2 JP 2556159B2 JP 2034995 A JP2034995 A JP 2034995A JP 3499590 A JP3499590 A JP 3499590A JP 2556159 B2 JP2556159 B2 JP 2556159B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 半導体結晶の製造方法に関し、 基板上に形成されたエピタキシャル結晶が相互拡散層
を生じない状態で、所定の組成に安定して成長する方法
を目的とし、 基板上に成長すべき半導体結晶の構成原子を含む原子
で構成された半導体結晶を前記基板に形成後、 該基板と、該基板上に成長すべき半導体結晶形成用エ
ピタキシャル成長用メルトとを容器内に封入し、 前記エピタキシャル成長用メルトを溶融した後、該溶
融メルトの温度を該メルトの液相化温度に設定し、前記
基板上の半導体結晶、溶融したエピタキシャル成長用メ
ルト、該溶融したメルトからのガスの三相平衡状態の等
温気相成長法により前記基板上の半導体結晶をエピタキ
シャル成長用メルトと同一の組成の半導体結晶に変換
後、 前記基板を溶融したエピタキシャル成長用メルトに溶
融させ、該溶融メルトの温度を降下させながら液相エピ
タキシャル成長法により基板上に半導体結晶を形成して
構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体結晶の製造方法に係り、特に赤外線検
知素子形成材料として用いられる化合物半導体結晶に相
互拡散層が形成されず、組成の安定した化合物半導体結
晶をエピタキシャル成長する方法に関する。
赤外線検知素子形成材料としては、エネルギーバンド
ギャップの狭い水銀・カドミウム・テルルの化合物半導
体結晶が用いられており、この結晶を検知素子形成に都
合が良いように大面積でかつ薄層状態で得るために液相
エピタキシャル成長方法が用いられている。
ところでこのHg1-xCdxTe結晶をエピタキシャル成長す
る場合、該結晶と格子定数が接近したカドミウムテルル
(CdTe)の結晶を基板として用いているが、このCdTe結
晶は大面積の単結晶が得難い。そのため、大面積の単結
晶が容易に得られ、前記CdTe結晶と格子定数が接近した
サファイア結晶を基板として用い、この上にCdTe結晶を
MOCVD法で薄く形成した基板が、Hg1-xCdxTeのエピタキ
シャル成長用基板として用いられている。
〔従来の技術〕
従来、このようなCdTe結晶を形成したサファイア基板
上にHg1-xCdxTe結晶を、組成変動を生じない状態でエピ
タキシャル成長する方法を、本出願人は以前に特願平1
−85703号に於いて提案している。
この方法は第5図に示すように、エピタキシャル成長
用治具1に設置され、表面にCdTe結晶を形成したサファ
イアより成るエピタキシャル成長用基板2と、水銀、カ
ドミウムおよびテルルを、それぞれ所定重量混合して溶
融後、固化したエピタキシャル成長用メルト3とを容器
4内に封入した後、加熱炉(図示せず)内に挿入する。
そして第6図に示すように加熱炉の温度を500℃に上
昇し、容器4を500℃の温度に加熱した後、0.5〜1時間
この温度に保ち、該溶融したエピタキシャル成長用メル
トより蒸発するガスによって基板上のCdTe結晶と溶融メ
ルトより蒸発したガスとの相互拡散反応を伴う等温気相
成長により上記CdTe結晶をHg1-xCdxTe結晶に変換させた
後、前記溶融メルトの温度を480℃の液相化温度Tlに低
下させる。
次いで第5図に示す容器4を180度回転させ、エピタ
キシャル成長用基板2に溶融したエピタキシャル成長用
メルト3を接触させ、前記溶融メルトの温度を480℃の
液相化温度Tlより更に低下させながら基板上にHg1-xCdx
Teのエピタキシャル結晶を形成していた。
〔発明が解決しようとする課題〕
然し、このような方法であると第7図に示すように、
サファイア基板11上のCdTe結晶12は、溶融したエピタキ
シャル成長用メルトより蒸発したHg、Te原子と、CdTe結
晶12のTe原子との間で相互拡散反応を伴った等温気相成
長層が生じてHg1-xCdxTe結晶13に変換する。この変換さ
れたHg1-xCdxTe結晶のx値は、その上に液相エピタキシ
ャル成長により形成されるHg1-xCdxTeエピタキシャル結
晶14のx値に比して高い、そのため、液晶エピタキシャ
ル成長途中で両者の結晶の間で相互拡散を生じて所定の
x値のHg1-xCdxTe結晶が得られない問題がある。
また上記等温気相成長によるHg1-xCdxTe結晶のx値と
液相エピタキシャル成長で形成されるHg1-xCdxTeエピタ
キシャル結晶14とのx値は異なるため、公私不整合によ
り成長したHg1-xCdxTeエピタキシャル結晶14の表面にピ
ットと称する表面欠陥が生じやすい問題がある。
このように基板上に等温気相成長層13とHg1-xCdxTeエ
ピタキシャル結晶14との相互拡散層が形成されると、所
望のx値のHg1-xCdxTe結晶で無いために形成される検知
素子の特性が悪くなったり、また上記ピットがある箇所
には検知素子が形成できない問題点がある。
本発明は上記した問題点を解決し、基板上に組成の安
定したHg1-xCdxTe結晶が形成されるようにした半導体結
晶の製造方法を目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、基板上に成長すべき半導体結晶の構成原
子を含む原子で構成された第1の半導体結晶を前記基板
に形成後、該基板と、該基板上に成長すべき半導体結晶
形成用エピタキシャル成長用メルトとを容器内に封入
し、前記エピタキシャル成長用メルトを溶融した後、該
溶融メルトの温度を該メルトの液相化温度に設定し、前
記基板上の第1の半導体結晶、溶融したエピタキシャル
成長用メルト、該溶融したメルトからのガスの三相平衡
状態の等温気相成長法により前記基板上の第1の半導体
結晶をエピタキシャル成長用メルトの固相値と同一の組
成の第2の半導体結晶に変換後、前記基板を溶融したエ
ピタキシャル成長用メルトに接触させ、該溶融メルトの
温度を降下させながら液晶エピタキシャル成長法により
基板上に第3の半導体結晶を形成する本発明の方法によ
り達成できる。
〔作 用〕
第4図はHg分圧と成長温度との関係図で、(文献:Jou
rnal of Vaccum Science Technology,vol21−1982−pp1
17)より引用したもので、図の横軸は成長温度(溶融し
たエピタキシャル成長用メルトの温度)、縦軸は水銀分
圧を示す。図で曲線21は水銀単体の蒸気圧曲線を示し、
曲線22はHgTe(Hg1-xCdxTeでx=0)の蒸気圧曲線、曲
線23,24,25,26,27,28,29は、溶融メルト、該溶融メルト
からのガス、エピタキシャル結晶の三相平衡となるx値
のHg1-xCdxTe結晶の温度と水銀分圧との関係曲線であ
る。液相化温度480℃の溶融したメルトの保持温度を480
℃より上げた場合に付いて考慮すると、液相化温度以上
ではメルトと平衡するHg分圧は単体のHgの蒸気圧に比例
する。またHg1-xCdxTe固相とガスの平衡を考えた場合、
Hg分圧は他のCdやTeの分圧に比して4桁以上高いので、
Hg分圧によって平衡蒸気圧が決まり、三相平衡の水銀蒸
気圧と一致した平衡蒸気圧をとると考えられる。
そこでx=0.2のHg1-xCdxTeの固相が析出する溶融メ
ルトの液相化温度は480℃で、この溶融メルトの温度を4
80℃より500℃迄上昇させると水銀分圧は矢印ABに沿っ
て変動し、例えば500℃の溶融メルトの液相化温度に平
衡する固相値は等圧線ACに沿って移動し、D点に示すよ
うに500℃の溶融メルトの液相化温度に平衡するHg1-xCd
xTe結晶の固相値は0.34となり、所望のx値=0.2のHg
1-xCdxTe結晶が得られない。
そのため、480℃の溶融メルトの液相化温度に所定時
間保って、その温度の溶融メルトで等温気相成長を行っ
て基板上のCdTe結晶を確実にHg1-xCdxTe結晶に変換した
後、更に該溶融メルトの組成のHg1-xCdxTe結晶を等温気
相成長する。
次いでこの等温気相成長を行った温度の溶融メルトに
エピタキシャル結晶を接触させ、該メルトの温度を降下
させると基板上に所望の組成のHg1-xCdxTe結晶が相互拡
散層の無い状態で安定して形成される。
また所定の時間、等温気相成長を行った後、該溶融メ
ルトの温度を液相化温度の480℃より1〜2℃程度高温
にして基板を接触させて基板表面の等温気相成長された
Hg1-xCdxTe結晶をメルトバックした後、該溶融メルトの
温度を降下させてエピタキシャル成長すると、等温気相
成長されたHg1-xCdxTe結晶表面に付着している塵や異物
等が除去され、形成されるエピタキシャル結晶表面にピ
ットのような結晶欠陥が発生するのが除去できる。
〔実 施 例〕
以下、図面を用いて本発明の一実施例につき詳細に説
明する。
第1図(a)より第1図(d)迄は本発明の方法の工
程を示す断面図、 第2図(a)および第2図(b)は本発明の方法の手
順を示す断面図で前記した第5図のV−V′線断面図、 第3図は本発明の方法を実施する加熱炉の成長温度プ
ログラム図である。
第1図(a)に示すようにサファイア基板31上に第1
の半導体結晶であるCdTe結晶32をMOCVD法を用いて例え
ば1μmの厚さに形成し、エピタキシャル成長用基板33
を形成する。
次いで第2図(a)に示すようにエピタキシャル成長
用基板33を容器34内にx=0.2のHg1-xCdxTeエピタキシ
ャル成長用メルト35と共に封入し、該容器を第3図の曲
線36Aに示すように一旦500℃の高温に加熱して該メルト
35を確実に溶融して液化する。
次いで該容器を第3図の曲線36Bに示すような480℃の
Hg1-xCdxTeメルトの液相化温度Tlに保ち、該容器内で溶
融したメルト、および溶融メルトからのガスおよびエピ
タキシャル成長用CdTe結晶の三相平衡状態に2時間程度
保ち、本出願人が以前に特願平1−187990号で提案した
等温気相成長法により1μmのCdTe結晶を第1図(b)
に示す第2の半導体結晶であるHg1-xCdxTeの結晶37Aに
変換する。
このように溶融メルトを液相化温度に長時間保つと第
1図(c)に示すように、前記変換されたHg1-xCdxTe結
晶37Aの上に更にHg1-xCdxTe結晶37Bが等温気相成長で所
定の厚さに形成される。
次いで第2図(a)の容器を180℃回転し、第2図
(b)の状態にしてエピタキシャル成長用基板を溶融メ
ルトに接触させる。
次いで第3図の曲線36Cに示すように溶融メルトの温
度を480℃の液相化温度より所定の温度勾配で降下さ
せ、基板上に所定の厚さのHg1-xCdxTeのエピタキシャル
結晶を形成する。
この状態を第1図(d)に示し、図の37Cは液晶エピ
タキシャル成長方法により形成された第3の半導体結晶
であるHg1-xCdxTe結晶である。
このように等温気相成長法で形成されたHg1-xCdxTeの
結晶37A,37Bと液相エピタキシャル成長法で形成されたH
g1-xCdxTe結晶37Cとで所望の厚さの相互拡散層を有しな
いHg1-xCdxTe結晶37が形成される。
また本実施例の他に第3図の点線で示す曲線36Dに示
すように、溶融メルトの温度を液相化温度の480℃より
1〜2℃上昇させて基板上に等温気相成長したHg1-xCdx
Te結晶37A,37Bを一旦メルトバックすると、等温気相成
長時に結晶表面に付着している塵や、異物等により形成
された結晶表面のピット(表面欠陥)が除去され、より
高品質の結晶が得られる。
なお、本実施例ではエピタキシャル成長用基板にサフ
ァイア基板を用いたが、Si基板、或いはGaAs基板上にCd
Te結晶を形成したものをエピタキシャル成長用基板とし
て用いても良い。
このようにすれば、基板上のCdTe結晶が等温気相成長
方法により確実に液相エピタキシャル成長で形成した結
晶層と等しいx値のHg1-xCdxTe結晶に変換されるので、
従来の方法に於けるようにCdTe結晶とその上に液相エピ
タキシャル成長により形成されるHg1-xCdxTe結晶との間
で相互拡散層が形成されなくなり、組成の安定した高品
質のエピタキシャル結晶が得られる。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように本発明によれば、基板
上に組成の安定した高品質のHg1-xCdxTeのエピタキシャ
ル結晶が形成される効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)より第1図(d)迄は本発明の方法の工程
を示す断面図、 第2図(a)および第2図(b)は本発明の方法の手順
を示す断面図、 第3図は本発明の方法を実施する加熱炉の成長温度プロ
グラム図、 第4図は水銀分圧と成長温度の関係図、 第5図は従来の製造方法の説明図、 第6図は従来の方法を実施する加熱炉の成長温度プログ
ラム図、 第7図は従来の方法で形成した半導体結晶の断面図であ
る。 図において、 21はHgの蒸気圧曲線、、22はHgTe蒸気圧曲線、23,24,2
5,26,27,28,29はHg1-xCdxTeの蒸気圧曲線、31はサファ
イア基板、32はCdTe結晶、33はエピタキシャル成長用基
板、34は容器、35はエピタキシャル成長用メルト、36A,
36B,36C,36Dは加熱炉の温度分布を示す線分、37A,37B,3
7CはHg1-xCdxTe結晶を示す。
フロントページの続き (72)発明者 山本 保 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 尾崎 一男 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に成長すべき半導体結晶の構成原子
    を含む原子で構成された第1の半導体結晶を前記基板に
    形成後、 該基板と、該基板上に成長すべき半導体結晶形成用エピ
    タキシャル成長用メルトとを容器内に封入し、 前記エピタキシャル成長用メルトを溶融した後、該溶融
    メルトの温度を該メルトの液相化温度に設定し、前記基
    板上の第1の半導体結晶、溶融したエピタキシャル成長
    用メルト、該溶融したメルトからのガスの三相平衡状態
    の等温気相成長法により前記基板上の第1の半導体結晶
    をエピタキシャル成長用メルトの固相値と同一の組成の
    第2の半導体結晶に変換後、 前記基板を溶融したエピタキシャル成長用メルトに接触
    させ、該溶融メルトの温度を降下させながら液晶エピタ
    キシャル成長法により基板上に第3の半導体結晶を形成
    することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
  2. 【請求項2】前記等温気相成長法により前記基板の第1
    の半導体結晶をエピタキシャル成長用メルトの固相値と
    同一の組成に変換した後、前記基板を溶融したエピタキ
    シャル成長用メルトに接触させ、該溶融メルトの温度を
    一旦液相化温度以上に加熱し、前記基板上の等温気相成
    長した第2の半導体結晶をメルトバックする工程を含む
    ことを特徴とする請求項(1)記載の半導体結晶の製造
    方法。
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