JP3193440B2 - Method for producing I-III-VI group 2 semiconductor single crystal - Google Patents

Method for producing I-III-VI group 2 semiconductor single crystal

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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、融体からの凝固による
I-III-VI2 族半導体単結晶の製造方法に関するもので、
その目的とするところは、非線形光学材料、発光ダイオ
ードおよびレーザーダイオード用基板材料、ならびに青
色発光素子用材料を提供することにある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to solidification from a melt.
A method for producing a group I-III-VI2 semiconductor single crystal,
An object of the present invention is to provide a nonlinear optical material, a substrate material for a light emitting diode and a laser diode, and a material for a blue light emitting device.

【0002】[0002]

【従来の技術】I-III-VI2 族半導体は、正方晶カルコパ
イライト型の結晶構造を持ち、その禁制帯幅は赤から紫
までの可視光領域に対応し、光の透過波長範囲は赤外か
ら可視光領域まで非常に広く、さらに非線形光学定数や
複屈折も大きいといった特徴を有することが知られてい
る。これらの特性から、発光素子や非線形光学素子など
種々の用途が考えられ、各種デバイスへの展開が期待さ
れている。
2. Description of the Related Art I-III-VI group II semiconductors have a tetragonal chalcopyrite type crystal structure, the bandgap corresponds to the visible light range from red to purple, and the light transmission wavelength range is red. It is known that it has a feature that it is very wide from the outside to the visible light region, and has a large nonlinear optical constant and a large birefringence. From these characteristics, various uses such as a light emitting element and a nonlinear optical element are considered, and development to various devices is expected.

【0003】図1はI-III-VI2 族化合物およびそれらの
固溶体の禁制帯幅Eg と格子定数aとの関係を示す。図
からわかるように固溶体の組成を制御することにより、
任意の禁制帯幅を有する半導体単結晶を製造することが
可能である。
FIG. 1 shows the relationship between the forbidden band width Eg and the lattice constant a of Group I-III-VI Group 2 compounds and their solid solutions. As can be seen from the figure, by controlling the composition of the solid solution,
It is possible to manufacture a semiconductor single crystal having an arbitrary band gap.

【0004】従来、これらの半導体単結晶の製造法は、
ヨウ素を用いた化学気相輸送法ならびに融体から成長を
行う方法(例えばブリッジマン法)の二種類に大別され
る。
Conventionally, these semiconductor single crystals have been manufactured by the following methods:
They are roughly classified into two types: a chemical vapor transport method using iodine and a method of growing from a melt (for example, the Bridgman method).

【0005】前者の方法では低温での成長が可能であ
り、完全性の高い単結晶が得られる特徴がある。しか
し、大きい結晶を得ることが難しいこと、また輸送剤で
あるヨウ素が結晶中へ混入する等の問題点を抱えてい
る。
The former method is characterized in that it can be grown at a low temperature and a single crystal with high integrity can be obtained. However, there are problems that it is difficult to obtain a large crystal and that iodine as a transport agent is mixed into the crystal.

【0006】一方後者の場合、特にブリッジマン法は、
ヨウ素を用いた化学気相輸送法と比べてヨウ素の混入の
心配がなく、大きな結晶を得ることが可能である。しか
し、I-III-VI2 族半導体は、結晶のa軸とc軸の熱膨張
係数が全く異なる。即ちa軸は正、またc軸は負の熱膨
張係数を持つ。そのため試料を融体から冷却する際に成
長管の管径方向にc軸をとっている結晶が含まれると、
成長管と結晶との熱膨張係数の違いから成長管を破壊し
たり、あるいは内部応力によって歪や割れが結晶内に生
じる。そこでこの問題を解決する方法として、成長管の
内側に炭素被膜を施すことにより成長管の破壊を防いだ
り、あるいはやや大きめの石英管中に成長管を封入する
二重管構造によって成長した単結晶の酸化や汚染を防止
する方法が提案されている。
On the other hand, in the latter case, in particular, the Bridgman method
Compared with the chemical vapor transport method using iodine, large crystals can be obtained without concern about iodine contamination. However, the I-III-VI group 2 semiconductors have completely different coefficients of thermal expansion between the a-axis and the c-axis of the crystal. That is, the a-axis has a positive thermal expansion coefficient and the c-axis has a negative thermal expansion coefficient. Therefore, when the sample is cooled from the melt, if crystals including the c-axis in the radial direction of the growth tube are included,
The growth tube is destroyed due to the difference in the thermal expansion coefficient between the growth tube and the crystal, or strain or crack is generated in the crystal due to internal stress. To solve this problem, a carbon film is applied to the inside of the growth tube to prevent the growth tube from being destroyed, or a single crystal grown by a double tube structure that encloses the growth tube in a slightly larger quartz tube. A method has been proposed for preventing oxidation and contamination of the material.

【0007】しかしこのブリッジマン法により得られた
AgGaS2 単結晶を観察してみると、全体は一個の単
結晶ではなく小さな結晶粒の集まった多結晶であって、
大型で良質な単結晶を得ることは極めて困難であった。
また得られた単結晶が一定の大きさとはならず、工業的
には量産性がなく非常に大きな問題がある。
However, when observing the AgGaS 2 single crystal obtained by the Bridgman method, the whole is not a single crystal but a polycrystal in which small crystal grains are gathered.
It was extremely difficult to obtain a large, high-quality single crystal.
Further, the obtained single crystal does not have a certain size, and there is a very large problem in that it is not industrially mass-producible.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上述した問題点を解決
する方法として、歪や割れがなく、しかも大型で良質な
単結晶を得ることのできるシーズ法、いわゆる種結晶を
用いる方法がある(引用文献 R.S.Feigelson and R.K.R
oute, “Recent developments in the growth ofchalco
pyrite crystala for nonlinear infrared application
s ”, OPTICALENGINEERING, 26(2)113-119(1987) )。
この方法は、単結晶の成長方向が種結晶のc軸と同じ方
向に単結晶を成長させようとするものであるが、次に述
べるような困難な問題がある。
As a method of solving the above-mentioned problems, there is a method using a so-called seed crystal, which is capable of obtaining a large and high-quality single crystal without distortion or cracking, that is, a so-called seed crystal. Literature RSFeigelson and RKR
oute, “Recent developments in the growth ofchalco
pyrite crystala for nonlinear infrared application
s ", OPTICALENGINEERING, 26 (2) 113-119 (1987)).
This method attempts to grow a single crystal in the same direction as the c-axis of the seed crystal, but has the following difficult problem.

【0009】まず第1に種結晶としてc軸方向の単結晶
を切り出して準備しなければならず、そのために製作に
手間と時間がかかること、また時として種結晶全部を溶
かしてしまうことにもなりかねず、融体原料と融着させ
るために比較的大きな種結晶の準備が必要である。さら
にまた取扱作業および温度制御にかなりの精密さと技術
が要求されるということも種結晶法の難点である。
First, it is necessary to cut out and prepare a single crystal in the c-axis direction as a seed crystal, which takes time and effort to manufacture, and sometimes dissolves the entire seed crystal. It is necessary to prepare a relatively large seed crystal in order to fuse with the raw material. Furthermore, the difficulty of the seed crystal method is that considerable precision and technology are required for handling operations and temperature control.

【0010】第2の問題としては、得られた単結晶の中
には成長開始側から終了側にかけて組成の変化がかなり
多く見られる場合がある。このような状態では、光学的
特性にも悪い影響を及ぼすおそれがある。この組成の変
化について、AgGaS2 化合物の場合を例にとり説明
する。AgGaS2 化合物の化学量論的組成は、Ag2
S量が50%であり、Ag2 S−Ga23 擬2元系状態
図(図2参照:引用文献 R.S.Feigelson and R.K.Rout
e, OPTICAL ENGINEERING, 26(2)113-119 (1987))にお
いてA点の組成に相当する。しかしこの組成は、AgG
aS2 化合物の調和溶融液組成(B点)と一致しない。
そのため化学量論的組成(A点)から成長させた結晶中
には組成の僅かな変化が生じることがわかる。これとは
別に調和溶融液組成からの結晶成長を行った場合には、
隣接するGa23 側の相が冷却過程において析出物と
して混入し、化学量論的組成の均質な単結晶が得られな
い。この析出物を除去する方法としては、得られた単結
晶およびAg2 Sを等温熱処理する手段により解決を図
っている。しかし、このような方法で熱処理を施しても
析出物を完全に除去することは困難である。
As a second problem, in the obtained single crystal, there is a case where a considerable change in composition is observed from the growth start side to the growth end side. In such a state, the optical characteristics may be adversely affected. The change in the composition will be described taking the case of an AgGaS 2 compound as an example. The stoichiometric composition of the AgGaS 2 compound is Ag 2
When the S content is 50%, the phase diagram of the quasi-binary system of Ag 2 S—Ga 2 S 3 (see FIG. 2: References RSFeigelson and RKRout)
e, OPTICAL ENGINEERING, 26 (2) 113-119 (1987)). However, this composition is
It does not match the harmonic melt composition (point B) of the aS 2 compound.
Therefore, it can be seen that a slight change in the composition occurs in the crystal grown from the stoichiometric composition (point A). Apart from this, when performing crystal growth from the harmonic melt composition,
The adjacent Ga 2 S 3 phase is mixed as a precipitate during the cooling process, and a homogeneous single crystal having a stoichiometric composition cannot be obtained. As a method of removing the precipitate, a solution is achieved by means of isothermal heat treatment of the obtained single crystal and Ag 2 S. However, it is difficult to completely remove the precipitate even by performing the heat treatment by such a method.

【0011】本発明の目的は、上述の問題点を系統的な
実験から解決し、種結晶法や等温熱処理などによらない
簡便な方法を用いることによって大型で良質なI-III-VI
2 族半導体単結晶を得るための製造方法を提供するにあ
る。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems from a systematic experiment and to use a simple method that does not rely on a seed crystal method or an isothermal heat treatment to obtain a large and high-quality I-III-VI.
An object of the present invention is to provide a manufacturing method for obtaining a Group 2 semiconductor single crystal.

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

【0012】本発明は、I-III-VI2 族半導体(I族はA
g、III 族はAlおよびGaの1種又は1種以上の元
素、およびVI2 族はSおよびSeの1種又は1種以上の
元素)を融体から凝固させて単結晶を製造する場合にお
いて、成長管を「単結晶成長部」と「組成傾斜部」とに
分割しこの間にくびれを設け、さらに組成制御を行うこ
とを特徴とする半導体単結晶の製造方法にある。「組成
傾斜部」において自然に形成された複数個の結晶核内
で、c軸に近い方位を有する結晶核だけを成長管途中に
設けられた「くびれ」において選択し、さらにこの結晶
核を「単結晶成長部」において優先的に成長させて大き
な結晶を得ようとするのが本発明の最大の狙いである。
即ち、成長管に任意の大きさと形状を有する「くびれ」
を導入することにより種結晶を用いなくても単結晶の製
造を可能とすることができるわけである。
The present invention, I-III-VI 2 group semiconductor (I Group is A
g, III-group is one or one or more elements of Al and Ga, and VI 2 group in the case of producing a single crystal by solidifying the one or one or more elements) of S and Se from melt A method of manufacturing a semiconductor single crystal, characterized in that a growth tube is divided into a “single crystal growth portion” and a “composition gradient portion”, a constriction is provided therebetween, and composition control is further performed. Among a plurality of crystal nuclei naturally formed in the “composition gradient portion”, only crystal nuclei having an orientation close to the c-axis are selected in the “constriction” provided in the middle of the growth tube. The greatest aim of the present invention is to preferentially grow large crystals in the “single crystal growth part”.
In other words, a “neck” having an arbitrary size and shape in the growth tube
In this case, a single crystal can be produced without using a seed crystal.

【0013】また、I-III-VI2 族半導体(I族はAg、
III 族はAlおよびGaの1種又は1種以上の元素、お
よびVI2 族はSおよびSeの1種又は1種以上の元素)
には、結晶成長の際、成長の開始側から終了側にかけて
非化学量論的組成から化学量論的組成へと変化する組成
変化を生じるという性質があるが、組成が丁度化学量論
的組成に移行する位置に「くびれ」を設けることによ
り、析出物を含まない単結晶を得ることができるものと
考えた。
Further, I-III-VI group 2 semiconductors (I-group is Ag,
Group III is one or more elements of Al and Ga, and Group VI 2 is one or more elements of S and Se)
Has the property that during the crystal growth, the composition changes from a non-stoichiometric composition to a stoichiometric composition from the start side to the end side of the growth, but the composition is just the stoichiometric composition. It was considered that a single crystal free of precipitates could be obtained by providing a "neck" at the position where the transition to.

【0014】本発明は、I族元素がAg、III 族元素が
AlおよびGaの何れか1種又は1種以上、およびVI2
族元素がSおよびSeの何れか1種又は1種以上の元素
からなるI-III-VI2 族半導体単結晶の製造する場合にお
いて、成長管の組成傾斜部と単結晶成長部との中間であ
って、組成が丁度化学量論的組成へと移行する位置に、
内径が2mm以上10mm以下、長さが0cm以上3cm以下、成
長開始端側への開き角度が30゜以上120 ゜以下および成
長終了端側への開き角度が120 ゜以下の「くびれ」を設
け、且つ成長速度が0.1 cm/日から5cm/日であること
を特徴としたI-III-VI2 族半導体単結晶の製造方法であ
る。
The present invention, I group elements Ag, III group elements Al and Ga either one or one or more, and VI 2
In the case of manufacturing a group I-III-VI group 2 semiconductor single crystal in which the group III element is one or more elements of S and Se, in the middle of the composition gradient part of the growth tube and the single crystal growth part. At the position where the composition just transitions to the stoichiometric composition,
A "neck" having an inner diameter of 2 mm or more and 10 mm or less, a length of 0 cm or more and 3 cm or less, an opening angle to the growth start end side of 30 ° or more and 120 ° or less, and an opening angle to the growth end end side of 120 ° or less is provided. A method for producing a group I-III-VI group 2 semiconductor single crystal, characterized in that the growth rate is 0.1 cm / day to 5 cm / day.

【0015】また本発明は、AgGaS2 半導体単結晶
を製造する場合において、成長管の組成傾斜部と単結晶
成長部との中間であって、組成が化学量論的組成へと移
行する位置に、内径が2mm以上10mm以下、長さが0cm以
上3cm以下、成長開始端側への開き角度が30゜以上120
゜以下および成長終了端側への開き角度が120 ゜以下の
「くびれ」を設け、且つ成長速度が0.4 cm/日から2cm
/日であることを特徴としたAgGaS2 半導体単結晶
の製造方法である。
Further, the present invention provides a method for manufacturing an AgGaS 2 semiconductor single crystal, which is located between a composition gradient portion and a single crystal growth portion of a growth tube and at a position where the composition shifts to a stoichiometric composition. The inner diameter is 2 mm or more and 10 mm or less, the length is 0 cm or more and 3 cm or less, and the opening angle to the growth start end is 30 ° or more and 120 ° or more.
Provide a “constriction” of お よ び or less and the opening angle to the growth end side is 120 ゜ or less, and the growth rate is 0.4 cm / day to 2 cm.
/ Day, a method for producing an AgGaS 2 semiconductor single crystal.

【0016】要するに上述の手段によると、種結晶ある
いは熱処理等の方法にはみられない簡便な方法であっ
て、しかも大型で良質なI-III-VI2 族半導体単結晶を極
めて容易に製造することが可能となった。
In short, according to the above-mentioned means, it is a simple method not found in a method such as a seed crystal or heat treatment, and a very large and high-quality I-III-VI group 2 semiconductor single crystal can be produced very easily. It became possible.

【0017】[0017]

【作用】図3は本発明に係わる「くびれ」を有する成長
管の形状を示したものである。即ち成長管は、下方から
組成制御用の「組成傾斜部」、単結晶核選択用の「くび
れ」及び「単結晶成長部」から構成されている。図にお
いて、Lb 及びLu は「くびれ」をはさんでそれぞれ
「くびれ」の下から成長開始端までの長さ(「組成傾斜
部」の長さ)および「くびれ」の上から成長終了端まで
の長さ(「単結晶成長部」の長さ)を示す。Db とDu
はそれぞれ「組成傾斜部」と「単結晶成長部」の内径を
示す。Do およびLo は「くびれ」のそれぞれ内径およ
び長さを示す。さらに、θb は「くびれ」から下側の
「組成傾斜部」への開き角度を、又θuは「くびれ」か
ら上側の「単結晶成長部」への開き角度をそれぞれ示
す。このような形状の成長管を用いて融体から単結晶成
長を行い、「くびれ」から結晶成長終了側に均質な化学
量論的組成を持った大型の単結晶を得ることができた。
FIG. 3 shows the shape of a growth tube having a "neck" according to the present invention. That is, the growth tube is composed of, from the bottom, a “composition gradient” for controlling the composition, a “neck” for selecting a single crystal nucleus, and a “single crystal growth part”. In the figure, Lb and Lu are the lengths from the bottom of the “constriction” to the growth start end (the length of the “composition gradient”) and the tops of the “constriction” to the growth end end, respectively, sandwiching the “constriction”. The length (the length of the “single crystal growth portion”) is shown. Db and Du
Indicates the inner diameters of the “composition gradient portion” and the “single crystal growth portion”, respectively. Do and Lo indicate the inner diameter and length of the "neck", respectively. Further, θb indicates the opening angle from “constriction” to the lower “composition gradient portion”, and θu indicates the opening angle from “constriction” to the upper “single crystal growth portion”. A single crystal was grown from the melt using a growth tube having such a shape, and a large single crystal having a homogeneous stoichiometric composition could be obtained from the "neck" on the crystal growth end side.

【0018】これらの単結晶を製造するための最適な条
件は、幾多の実験の結果、次の範囲に絞られることがわ
かった。「くびれ」の下から成長開始端までの長さLb
は、原料の体積に対する相対値として限定され、良質で
大きな単結晶を得るにはLb の領域の体積を原料全体の
85%以上とする必要がある。「くびれ」の内径Do につ
いては、Db 、Du の大きさにもよるが、2mm以上10mm
以下の範囲が最適である。「くびれ」の長さLoは、原
料の配合比にもよるが、3cm以下が適している。「くび
れ」から「組成傾斜部」への開き角度θb は30゜以上12
0 ゜以下、「くびれ」から「単結晶成長部」への開き角
度θu は120 ゜以下、成長速度は0.1 cm/日以上5cm/
日以下が適当であり、特にAgGaS2 では、0.4 cm/
日以上2cm/日以下が最適であった。
The optimum conditions for producing these single crystals have been found through various experiments to be limited to the following ranges. Length Lb from the bottom of "constriction" to the start of growth
Is limited as a relative value with respect to the volume of the raw material. To obtain a large single crystal of good quality, the volume of the Lb region must be
Must be at least 85%. The inner diameter Do of the "constriction" depends on the size of Db and Du, but 2 mm or more and 10 mm
The following ranges are optimal. The length Lo of the "neck" depends on the mixing ratio of the raw materials, but is preferably 3 cm or less. The opening angle θb from “constriction” to “composition gradient” is 30 ° or more12
0 ° or less, opening angle θu from “constriction” to “single crystal growth part” is 120 ° or less, and growth rate is 0.1 cm / day or more and 5 cm / day.
Days or less is appropriate, especially for AgGaS2, 0.4 cm /
More than one day and less than 2 cm / day was optimal.

【0019】次に本発明の技術を確立する上で重要な基
礎的概念を図2から図6で説明する。図2から判るよう
に、AgGaS2 化合物の存在領域は、高温度(約720
℃以上)において、化学量論的組成(Ag2 S量50%、
Ga23 量50%)からGa23 側に最大2%ほど広
がっている。AgGaS2 化合物の調和溶融点はB点
(Ga23 量51%)に、また液相線上の化学量論的組
成の融点はA点(Ga23 量50%)にそれぞれ対応し
ている。すなわち、図2の一部を拡大した状態図(図4
参照)において、AgGaS2 化合物の調和溶融液組成
(B点)は化学量論的組成(A点)と異なっている。そ
のため、AgGaS2 の融体を化学量論的組成から冷却
すると、まずA点では液相(L)とAgGaS2 の二相
共存であって、液相中にAgGaS2 がわずかに晶出す
る。従ってこの温度における固相の組成は図からわかる
ように化学量論的組成にならず、B点の調和溶融液組成
となる。
Next, basic concepts important in establishing the technology of the present invention will be described with reference to FIGS. As can be seen from FIG. 2, the region in which the AgGaS 2 compound is present has a high temperature (about 720 ° C.).
℃ or more), the stoichiometric composition (Ag 2 S content 50%,
(Ga 2 S 3 content 50%) to the Ga 2 S 3 side by about 2% at the maximum. The harmonic melting point of the AgGaS 2 compound corresponds to point B (Ga 2 S 3 content 51%), and the melting point of the stoichiometric composition on the liquidus corresponds to point A (Ga 2 S 3 content 50%). I have. That is, a state diagram in which a part of FIG.
), The harmonic melt composition (Point B) of the AgGaS 2 compound is different from the stoichiometric composition (Point A). Therefore, when the melt of AgGaS 2 is cooled from the stoichiometric composition, first, at point A, the liquid phase (L) and the two phases of AgGaS 2 coexist, and AgGaS 2 crystallizes slightly in the liquid phase. Therefore, the composition of the solid phase at this temperature does not become a stoichiometric composition as can be seen from the figure, but becomes a harmonic melt composition at point B.

【0020】次に、Ga23 量が50%の融体から51%
の固相が晶出された場合には、当然残りの融体の組成は
A点よりもAg2 S側へわずかにシフト(A1 −B1
することになる。融体の組成がAg2 S側へシフトする
と融点がわずかに低くなる。融点が低くなると晶出する
固相の組成がB点よりもわずかにAg2 S側へシフト
(A2 −B2 )する。これを繰り返していくと融体の組
成は、A点からAg2 S側へさらにシフトしてゆきて晶
出する組成もBC間の曲線に沿ってBからB1 ,B2
3 を経てCへとシフトしてゆくものと考えた。この変
化の様子を、実際の結晶成長に対応させると、図5
(ア)に示してあるようなスケッチ図となる。得られた
単結晶は、結晶の成長開始側(B点)から終了側(C
点)へ向けてわずかな組成変化が見られる。ここで問題
となるのは、晶出したB点の組成およびB点とC点の間
の組成を持つAgGaS2 の固相は、温度の降下により
AgGaS2 とAg2 Ga2031の共存相へと相転移す
るということである。すなわちAgGaS2 母相中にA
2 Ga2031が析出物として混入することであり、こ
の析出物は光を散乱し、単結晶の透過率を著しく損なう
原因となる。それ故、得られた単結晶を観察してみる
と、成長開始側(図5(ア)のB〜B2 領域)ほどAg
2 Ga2031の析出物が多く含まれ結晶が白濁するが、
終了側に近づくほど析出物が少なくなってゆき、漸次透
明さを増す(図5(ア)のB2 〜B3 領域)。さらに末
端部に近いC点に達した部分では、すなわち全原料容積
に対する組成傾斜部の割合が85%となる時点において、
析出物を全く含まず、完全に透明となる。このC〜Dの
領域、すなわち、化学量論的組成をもつ透明な部分は、
全原料の融体量に対して常に一定の割合の体積(約15
%)で占められることが多くの実験結果によって実証で
きた。このことから判断して、成長方向の長さが長けれ
ば長いほど化学量論的組成の体積を大きくとることが可
能となり、任意の大きさの良質の単結晶を作製すること
ができるであろうと考えた。しかし、実験の結果I-III-
VI2 族半導体結晶の場合、成長管の管径を大きくした
り、あるいは長さを長くしただけでは単一の結晶核が大
きく育たず、また大きな単結晶を造ることができないこ
とも判明した。
Next, the content of Ga 2 S 3 from 50% melt to 51%
When the solid phase is crystallized, the composition of the remaining melt naturally shifts slightly from the point A to the Ag 2 S side (A 1 −B 1 ).
Will do. When the composition of the melt shifts to the Ag 2 S side, the melting point slightly lowers. When the melting point decreases, the composition of the solid phase to be crystallized shifts slightly to the Ag 2 S side from the point B (A 2 −B 2 ). By repeating this, the composition of the melt is further shifted from the point A to the Ag 2 S side, and the composition to be crystallized also changes from B to B 1 , B 2 , B along the curve between BC.
It was considered to slide into shifted to C through B 3. FIG. 5 shows how this change corresponds to actual crystal growth.
The sketch is as shown in (a). The obtained single crystal is moved from the growth start side (point B) to the end side (C
A slight change in composition toward (point) is observed. The problem here is that the AgGaS 2 solid phase having the composition of the crystallized B point and the composition between the B point and the C point is a coexisting phase of AgGaS 2 and Ag 2 Ga 20 S 31 due to a decrease in temperature. Phase transition. That is, A in the AgGaS 2 matrix
is that g 2 Ga 20 S 31 are mixed as a precipitate, the precipitate scatter light, and significantly impairs causes the transmittance of the single crystal. Therefore, when observing the obtained single crystal, the closer to the growth start side (the region B to B 2 in FIG.
Crystals become cloudy due to the large amount of 2 Ga 20 S 31 precipitates,
Yuki becomes less as the deposit closer to the end side, increasing gradually transparency (B 2 .about.B 3 regions in FIG. 5 (A)). Further, in the portion reaching the point C near the end portion, that is, when the ratio of the composition gradient portion to the total raw material volume becomes 85%,
Completely transparent without any precipitates. The regions C to D, that is, the transparent portions having the stoichiometric composition,
A constant volume (about 15
%) Could be demonstrated by many experimental results. Judging from this, it is possible to increase the volume of the stoichiometric composition as the length in the growth direction becomes longer, and it will be possible to produce a high-quality single crystal of any size. Thought. However, as a result of the experiment I-III-
For VI 2 group semiconductor crystal, or by increasing the pipe diameter of the growth tubes, or simply by increasing the length is not grow large single crystal nucleus, also has also been found that it is impossible to make a large single crystal.

【0021】これらの欠点を克服するために本発明者ら
は幾多の実験を行った結果、単一核を優先的に大きく成
長させる方法として成長管の中間に「くびれ」を設ける
方法が極めて有望であることを見出した。しかしなが
ら、その「くびれ」を成長管のどの位置に設けるか、す
なわちLb をどのくらいにとり原料を成長管のどこまで
入れるかによって、均質で大きな単結晶の成長が左右さ
れることも明らかとなった。例えば図5(イ)に示すよ
うに成長開始端付近に「くびれ」を設ける(「組成傾斜
部」の長さLb が小さい)場合では、単結晶が大きくと
れてもその単結晶中に組成変化が生じ、析出物の混入を
招き、またクラックも入りやすくなり満足できる単結晶
すら得られなくなる。なお図5(イ)および(ウ)の斜
線部分が化学量論的組成で、その下部は組成が変化して
いる。
The present inventors have conducted a number of experiments to overcome these drawbacks. As a result, a method of providing a "neck" in the middle of a growth tube as a method for preferentially growing a single nucleus is extremely promising. Was found. However, it has also been found that the growth of a uniform and large single crystal depends on where the "constriction" is provided in the growth tube, that is, how much Lb is taken and how much the raw material is introduced into the growth tube. For example, as shown in FIG. 5A, in the case where a “constriction” is provided near the growth start end (the length Lb of the “composition-graded portion” is small), even if a large single crystal is taken, the composition changes in the single crystal. Occurs, and precipitates are mixed, cracks are easily formed, and even a satisfactory single crystal cannot be obtained. Note that the hatched portions in FIGS. 5A and 5C are stoichiometric compositions, and the lower portions have different compositions.

【0022】要するに「くびれ」だけでなくLb も重要
な要素であることを見出した。図5(ウ)は結晶成長の
途中において調和溶融液組成から化学量論的組成に移り
変わる最適な位置Lb に「くびれ」を設けることが有効
であることを示したものである。この方法により、「く
びれ」の成長終了端側(C〜D)に析出物を含まず、化
学量論的組成の均質な単結晶が得られた。
In short, it has been found that not only "constriction" but also Lb is an important factor. FIG. 5 (c) shows that it is effective to provide a "neck" at an optimum position Lb where the composition shifts from the harmonic melt composition to the stoichiometric composition during the crystal growth. According to this method, a homogeneous single crystal having a stoichiometric composition without a precipitate was obtained on the growth termination end side (C to D) of the “neck”.

【0023】本発明の第1の重要な点は、上述の「くび
れ」において単結晶が析出物を含まない良質な部分と析
出物を含む不透明な部分とを分離する役割を担うことで
あり、しかも大きな単結晶を得るためには非常に有効な
手段である。
A first important point of the present invention is that the single crystal plays a role of separating a high-quality portion containing no precipitate and an opaque portion containing a precipitate in the above-described “constriction”. Moreover, this is a very effective means for obtaining a large single crystal.

【0024】次に「くびれ」と化学量論的組成との関
係、ならびに「くびれ」の形状について説明する。図6
(ア)〜(エ)には、「くびれ」と化学量論的組成(斜
線部分)との関係を示してある。図において、A−Bは
化学量論的組成と組成が変化する非化学量論的組成との
境界線を示す。
Next, the relationship between the "neck" and the stoichiometric composition and the shape of the "neck" will be described. FIG.
(A) to (d) show the relationship between "constriction" and the stoichiometric composition (shaded portion). In the figure, AB indicates the boundary between the stoichiometric composition and the non-stoichiometric composition in which the composition changes.

【0025】今「くびれ」の位置を図6(ア)のように
正確に設定することは容易でなく、原材料の量、組成お
よび成長条件等の微妙な違いにより極めて難しい。例え
ば図6(イ)のように化学量論的組成への移行位置(斜
線の下限位置A−B)が「くびれ」よりも上の位置にあ
る場合は、組成変化が起こるために単一結晶核の成長が
困難となる。この問題は図6(ウ)のように、化学量論
的組成へ移行すると予想される位置よりも十分上に「く
びれ」を設けることで解決できる。しかし、この移行位
置があまり下すぎた場合には「くびれ」より上側の必要
な部分の体積が小さくなり、単結晶の歩留まりが悪くな
るという問題が生じる。これらの説明からわかるよう
に、組成移行位置に「くびれ」の位置を一致させること
は、技術的には極めて困難である。そこで、この問題を
解決するためには、図6(エ)に示すように「くびれ」
に適度な「長さ」Lo を持たせる方法が効果的であるこ
とが判明した。この場合、非化学量論的組成から化学量
論的組成へ移行する位置の誤差は±1.5 cmであって、L
o は0cm以上3cm以下であれば十分である。この範囲内
では、結晶成長を損なうことがないが、3cm以上の場合
では新たな結晶核の誘発や単結晶歩留まりを悪化させる
要因となる。この方法を導入することにより、多少の条
件の変化があっても、非化学量論的組成から化学量論的
組成へ移行する箇所を「くびれ」の中程に確実に、しか
も容易に納められ、単一結晶核の成長が可能となること
も、本発明の大きな特徴である。
Now, it is not easy to accurately set the position of the "constriction" as shown in FIG. 6A, and it is extremely difficult due to subtle differences in the amount, composition, and growth conditions of the raw materials. For example, as shown in FIG. 6 (a), when the transition position to the stoichiometric composition (the lower limit position AB of the oblique line) is above the "constriction", a single crystal is formed due to a composition change. Nuclear growth becomes difficult. This problem can be solved by providing a "constriction" sufficiently above the position expected to shift to the stoichiometric composition as shown in FIG. However, if the transition position is too low, the volume of the necessary portion above the “constriction” becomes small, and the problem of a low yield of the single crystal occurs. As can be seen from these descriptions, it is technically extremely difficult to match the position of the “constriction” to the composition transition position. Therefore, in order to solve this problem, as shown in FIG.
It has been found that a method of giving a suitable "length" Lo is effective. In this case, the error of the position at which the transition from the non-stoichiometric composition to the stoichiometric composition is ± 1.5 cm, and L
It is sufficient that o is 0 cm or more and 3 cm or less. Within this range, the crystal growth is not impaired, but if it is 3 cm or more, it may be a factor for inducing new crystal nuclei or deteriorating the single crystal yield. By introducing this method, even when there is a slight change in conditions, the transition from the non-stoichiometric composition to the stoichiometric composition can be reliably and easily stored in the middle of the "neck". Another feature of the present invention is that a single crystal nucleus can be grown.

【0026】なお「組成傾斜部」から「くびれ」を利用
して、「組成傾斜部」の多結晶の内から単一の結晶核を
選択する場合には、「くびれ」から「組成傾斜部」への
開き角度θb が最適でなければならない。
In the case where a single crystal nucleus is selected from among the polycrystals of the "composition-graded portion" by utilizing the "constriction" from the "composition-graded portion", the "composition-graded portion" Opening angle θb must be optimal.

【0027】本発明において、各種検討した結果、成長
開始端側への開き角度θb が30゜以上120 ゜以下の条件
において効率よく単一の結晶核を選択できることが分っ
た。すなわちθb が30゜以下の場合では、多結晶内から
単一の結晶核を選択することは非常に困難である。また
θb が120 ゜以上では「組成傾斜部」Lb の容積が大と
なり、単結晶の歩留まりを悪化する。
In the present invention, as a result of various studies, it has been found that a single crystal nucleus can be efficiently selected under the condition that the opening angle θb toward the growth start end is 30 ° or more and 120 ° or less. That is, when θb is 30 ° or less, it is very difficult to select a single crystal nucleus from the polycrystal. When θb is 120 ° or more, the volume of the “graded composition portion” Lb becomes large, and the yield of the single crystal deteriorates.

【0028】なおまた単結晶成長の過程において、新た
な結晶核が発生することもままあるが、内壁の滑らかさ
の程度や「くびれ」から「単結晶成長部」への開き角度
θuも重要な因子である。
In the course of single crystal growth, new crystal nuclei may be generated. However, the degree of smoothness of the inner wall and the opening angle θu from “constriction” to “single crystal growth portion” are also important. Is a factor.

【0029】本発明において、各種検討した結果、θu
は120 ゜以下であることが必須条件である。ただし、θ
u が0°の場合では、当然単結晶が得られるが、反面大
きな単結晶を得ることを考慮すると効率が悪いので本発
明の目的からはずれる。またθu が120 ゜以上では、大
きな単結晶を得ることには非常に好都合であるが、内壁
から新たな結晶核が発生するので、θu が0°の場合と
同様に大きな単結晶を得ることはかなり困難である。ま
た本発明においては成長速度は0.1 cm/日から5cm/日
であることが必要である。
In the present invention, as a result of various studies, θu
Is less than 120 mm. Where θ
When u is 0 °, a single crystal is naturally obtained. However, considering that a large single crystal is to be obtained, the efficiency is poor, and thus the object of the present invention is deviated. When θu is 120 ° or more, it is very convenient to obtain a large single crystal.However, since a new crystal nucleus is generated from the inner wall, it is impossible to obtain a large single crystal as in the case where θu is 0 °. Quite difficult. In the present invention, the growth rate needs to be 0.1 cm / day to 5 cm / day.

【0030】従って本発明によると、失敗が皆無で、再
現性に優れ、かつ高歩留まりで、しかも安価なI-III-VI
2 族半導体を提供することができるので、工業的に利す
るところが大である。
Therefore, according to the present invention, there is no failure, excellent reproducibility, high yield, and inexpensive I-III-VI
Since a Group 2 semiconductor can be provided, it is industrially advantageous.

【0031】上述において、「くびれ」の効果は、単一
結晶核の成長を促すことを説いたが、厳密にいえはば
「くびれ」の太さにも最適条件のあることを図7で説明
する。「くびれ」の内径Do が大きすぎる場合(図7
(ア))、単一結晶核生成の優先性が損なわれ、多結晶
化を促すこととなり、大きな単結晶に成長しない。ま
た、内径Do が小さすぎる場合(図7(イ))、表面張
力によって融体が上下に引っ張られ「くびれ」部分に空
間を作ってしまう。従ってDo については、単一核だけ
を成長させるための最適なDo (図7(ウ))を採用す
ることが重要である。その最適なDo は実験の結果、2
mm以上10mm以下であることがわかった。
In the above description, the effect of the "neck" promotes the growth of a single crystal nucleus. Strictly speaking, it is explained in FIG. 7 that there is an optimum condition for the thickness of the "neck". I do. When the inner diameter Do of the “constriction” is too large (FIG. 7)
(A)) The priority of single crystal nucleus generation is impaired, which promotes polycrystallization and does not grow into a large single crystal. On the other hand, if the inner diameter Do is too small (FIG. 7 (a)), the melt is pulled up and down by the surface tension, creating a space in the "constricted" portion. Therefore, for Do, it is important to employ the optimal Do (FIG. 7 (c)) for growing only a single nucleus. The optimal Do is the result of the experiment, 2
It was found that it was not less than 10 mm and not more than 10 mm.

【0032】要するに、大きくて良質な単結晶を得るた
めには、次の3点が重要である。 成長終了端側で得
られる化学量論的組成の領域を大きくすること。 組
成が変化して目的とする化学量論的組成へと移行する位
置に「くびれ」を設けること。 これと同時に「くび
れ」の形状や寸法を的確に規定することによって単結晶
の成長を容易にすること。
In short, the following three points are important for obtaining a large and high-quality single crystal. To increase the region of the stoichiometric composition obtained at the growth end side. To provide a "neck" at a position where the composition changes to the desired stoichiometric composition. At the same time, the growth and growth of single crystals should be facilitated by precisely defining the shape and dimensions of the "neck".

【0033】上記の観点から成長管の構成、形状および
寸法等の諸条件としては、成長管における「単結晶成長
部」の長さと太さを大きくすること、「組成傾斜部」の
長さLb が原料全体の85%以上となるようにとること、
および「くびれ」の内径Doと長さLo がそれぞれ2mm
以上10mm以下、好ましくはと3cm以下にすることであ
る。さらに「くびれ」から「組成傾斜部」への開き角度
θb が、30゜以上120 ゜以下、および「くびれ」から
「単結晶成長部」への開き角度θu が、120 ゜以下の適
正値をとることも必要である。
From the above point of view, various conditions such as the configuration, shape and dimensions of the growth tube include increasing the length and thickness of the “single crystal growth portion” in the growth tube, and the length Lb of the “gradient composition”. Should be at least 85% of the total raw material,
And the inner diameter Do and the length Lo of the "constriction" are each 2 mm.
It should be at least 10 mm and preferably at most 3 cm. Furthermore, the opening angle θb from “constriction” to “compositional gradient portion” takes an appropriate value of 30 ° or more and 120 ° or less, and the opening angle θu from “constriction” to “single crystal growth portion” takes an appropriate value of 120 ° or less. It is also necessary.

【0034】この結果、本発明の技術により得られた、
析出物の入らない良質なI-III-VI2族半導体単結晶は、
光学的に良好な特性を持つことが明らかになった。従っ
て、本発明に関する「くびれ」等の技術は、特にI-III-
VI2 族半導体単結晶を製造する上で従来困難であった問
題点を解決するための独創的な方法である。
As a result, the result obtained by the technique of the present invention is:
High-quality I-III-VI group 2 semiconductor single crystals that do not contain precipitates
It has been found that it has good optical properties. Therefore, the technique such as “constriction” related to the present invention is particularly suitable for I-III-
VI is an original method for solving the problems that have conventionally been difficult in producing Group 2 semiconductor single crystals.

【0035】次に本発明の製造法に関する数値限定の理
由を以下に述べる。「組成傾斜部」の長さLb :Lb が
十分に長いほど良質で大きな結晶核が育つため、その後
の単結晶成長が容易になる。ただしこのLb は、絶対的
な数値ではなく、原料の容積に対する相対値として限定
される。この相対値として、全原料融体量の容積に対す
る組成傾斜部の容積の割合が85%以上の場合では単結晶
中に析出物が入り込まず、しかも良質で大きい単結晶が
得られる。しかしその割合が85%以下では、大きな単結
晶ができても、析出物が生じて不透明となるので、本発
明の目的からはずれる。なお、全原料融体量の容積に対
する組成傾斜部の容積の割合は85%以上95%以下が
実験上好ましい。
Next, the reasons for limiting the numerical values relating to the production method of the present invention will be described below. As the length Lb: Lb of the "composition gradient" is sufficiently long, high quality and large crystal nuclei grow, so that subsequent single crystal growth becomes easy. However, this Lb is not an absolute value, but is limited as a relative value to the volume of the raw material. As a relative value, when the ratio of the volume of the composition gradient portion to the volume of the total amount of the raw material melt is 85% or more, no precipitate enters the single crystal, and a high-quality large single crystal is obtained. However, when the proportion is 85% or less, even if a large single crystal is formed, a precipitate is formed and becomes opaque, which is out of the object of the present invention. The ratio of the volume of the composition gradient portion to the volume of the total amount of the raw material melt is preferably 85% or more and 95% or less in terms of experiments.

【0036】「くびれ」の内径Do :Do が2mm以上10
mm以下の範囲において結晶成長を行うと、「組成傾斜
部」の多結晶の内から単一の結晶核を選択することが容
易となる。しかしDo が2mm以下の場合では、「くび
れ」の中程に空洞ができるために「組成傾斜部」の結晶
方位を「単結晶成長部」に導くことが不可能となる。ま
たDo が10mm以上では、「組成傾斜部」の多結晶の内か
ら複数個の結晶核が「単結晶成長部」に入り込み、単一
結晶核生成の優先性が損なわれ、大きな単結晶を得るた
めには不適当であるからである。
The inner diameter Do of the "neck": Do not less than 2 mm 10
When the crystal growth is performed in the range of mm or less, it becomes easy to select a single crystal nucleus from the polycrystals of the “composition gradient”. However, when Do is 2 mm or less, a cavity is formed in the middle of the "constriction", so that it is impossible to guide the crystal orientation of the "composition gradient portion" to the "single crystal growth portion". If Do is 10 mm or more, a plurality of crystal nuclei from the polycrystal in the "compositionally graded portion" enter the "single crystal growth portion", and the priority of single crystal nucleus generation is impaired, and a large single crystal is obtained. This is because it is inappropriate.

【0037】「くびれ」の長さLo :Lo が3cm以内の
場合では、非化学量論的組成から化学量論的組成への移
行が確実で、しかも容易になり、単一結晶核の成長が可
能となる。しかしLo が3cm以上又はLo が0cmでは、
新たな結晶核の誘発が危惧されるだけでなく、単結晶の
歩留まりの悪化を招き、本発明の目的からはずれるので
これを除外した。従ってくびれの長さLo は0cm以上3
cm以下(但しLo は0cmを含まず)に限定される。
When the length Lo of the "neck" is less than 3 cm, the transition from the non-stoichiometric composition to the stoichiometric composition is assured and easy, and the growth of single crystal nuclei is facilitated. It becomes possible. However, if Lo is more than 3cm or Lo is 0cm,
In addition to fear of induction of new crystal nuclei, the yield of single crystals is deteriorated, and this is excluded from the object of the present invention. Therefore, the length Lo of the neck is 0 cm or more and 3
cm or less (however, Lo does not include 0 cm).

【0038】「くびれ」から「組成傾斜部」への開き角
度θb :θb が30゜以上120 ゜以下では、単一の結晶核
を形成するのに適している。しかしθb が30゜よりも小
さい場合では多くの結晶核が生じ、また120 ゜よりも大
きい場合では単一の結晶核が得られない。従ってθb は
30゜以上120 ゜以下に限定される。
When the opening angle θb from the “constriction” to the “composition gradient”: θb is 30 ° or more and 120 ° or less, it is suitable for forming a single crystal nucleus. However, when θb is smaller than 30 °, many crystal nuclei are generated, and when θb is larger than 120 °, a single crystal nucleus cannot be obtained. Therefore, θb is
Limited to 30 to 120 mm.

【0039】「くびれ」から「単結晶成長部」への開き
角度θu :θu が120 ゜以下では単一の結晶核から単結
晶成長を促進するので好ましい。しかしθu が負の場合
では単結晶成長が妨げられ、また、θu が120 ゜より大
きい場合では、結晶成長途中において新たな結晶核が生
じてしまうので好ましくない。従ってθu は120 ゜以下
に限定される。
It is preferable that the opening angle θu from the “constriction” to the “single crystal growth portion”: θu be 120 ° or less, since single crystal nuclei promote single crystal growth. However, when θu is negative, single crystal growth is hindered, and when θu is larger than 120 °, new crystal nuclei are generated during crystal growth, which is not preferable. Therefore, θu is limited to 120 ° or less.

【0040】成長速度V:Vを0.1 cm/日から5cm/日
の範囲では、結晶成長が良好となる。しかしVが5cm/
日以上では単結晶が成長せず、また0.1 cm/日以下では
単一の結晶核が形成されず「単結晶成長部」における結
晶成長にも支障をきたすおそれがあるからである。従っ
て成長速度は、0.1 cm/日以上5cm/日以下に限定され
る。
Growth rate V: When V is in the range of 0.1 cm / day to 5 cm / day, crystal growth is good. But V is 5cm /
This is because a single crystal does not grow over a day or more, and a single crystal nucleus is not formed at a time of 0.1 cm / day or less, which may hinder crystal growth in a “single crystal growth portion”. Therefore, the growth rate is limited to 0.1 cm / day to 5 cm / day.

【0041】[0041]

【実施例】次にAgGaS2 およびAgAlSe2 単結
晶の製造方法について以下に説明する。
Next, a method for producing AgGaS 2 and AgAlSe 2 single crystals will be described below.

【0042】実施例1:AgGaS2 半導体単結晶の製
造−1 実験に使用した原料は、純度99.9999 %以上のAg,G
aおよびSであった。AgGaS2 単結晶を造るために
は、まず原料を所定の配合比(Ag=25原子%、Ga=
25原子%およびS=50原子%)になるように精確に秤量
する。その後、原料を透明石英管に真空封入して、1000
℃以上の高温で長時間加熱して合成する。合成された黄
色固形物質は、X線回折で分析した結果、正方晶カルコ
パイライト型の結晶構造であった。次にこの物質を粉体
となし、全量の内から25.1gを採取し、炭素被膜を内壁
に施した透明石英管に入れて真空封入した。ここで、透
明石英管は「くびれ」を有するものと、そうでないもの
(比較例)との2種類を作製し、十分に清浄にした後、
乾燥して使用した。最後に上記の方法で作製した石英管
アンプルを電気炉に入れ、図8に示す温度傾斜凝固法
(参考文献:例えば河東田隆「半導体結晶」p.29−30
(1987))により結晶成長を行った。この方法は、ブリ
ッジマン法の一種であって、成長管と温度勾配を固定し
て、炉内温度だけを変化させる特徴があり、またアンプ
ルの回転や振動がないので、良質な結晶が得られる。
Example 1 : Production of AgGaS 2 semiconductor single crystal-1 Raw materials used in the experiment were Ag, G having a purity of 99.9999% or more.
a and S. In order to produce an AgGaS 2 single crystal, first, the raw materials are mixed at a predetermined mixing ratio (Ag = 25 at%, Ga =
Weigh accurately to 25 atomic% and S = 50 atomic%). After that, the raw material is vacuum-sealed in a transparent quartz tube, and 1000
It is synthesized by heating at a high temperature of at least ℃ for a long time. The synthesized yellow solid substance was analyzed by X-ray diffraction and found to have a tetragonal chalcopyrite-type crystal structure. Next, this substance was made into a powder, and 25.1 g of the whole was collected, placed in a transparent quartz tube having an inner wall coated with a carbon coating, and vacuum-sealed. Here, two types of transparent quartz tubes, one having a “constriction” and one not having the same (comparative example), were prepared, and after being sufficiently cleaned,
Used after drying. Finally, the quartz tube ampoule manufactured by the above method is placed in an electric furnace, and a temperature gradient solidification method shown in FIG. 8 (reference: for example, Takashi Kawatoda, “Semiconductor Crystal”, pp. 29-30)
(1987)). This method is a kind of the Bridgman method, in which the growth tube and the temperature gradient are fixed, and only the temperature in the furnace is changed, and since there is no rotation or vibration of the ampoule, a good quality crystal can be obtained. .

【0043】この方式は成長管の位置をa,b間に固定
し、その間の温度勾配を時刻t1 からt2 までの時間中
一定に保ったまま炉内温度を降下させて結晶を成長でき
るので、成長管のゆれに伴う多結晶化を防止できる特徴
がある。なお、1cm当り7.7℃の温度勾配ならびに1日
当り11.5℃の冷却速度の条件で単結晶成長を行った結
果、黄色で、透明な大型の単結晶(全長23mm、直胴部の
長さ13mm、直径12mmの鉛筆形:図9)が得られた。ま
た、表1には比較例として「くびれ」のない成長管を用
いた場合の結果を示した。比較例では、小さな単結晶粒
しか得られないのと比べて、この実施例で得られた結晶
はその大きさも格段に大きく、また結晶の完全性および
透明さの度合に関しても数段良い結果が得られた。
In this method, the crystal can be grown by fixing the position of the growth tube between a and b and lowering the furnace temperature while keeping the temperature gradient between the times t 1 and t 2 constant. Therefore, there is a feature that polycrystallization accompanying the fluctuation of the growth tube can be prevented. As a result of growing a single crystal under the conditions of a temperature gradient of 7.7 ° C. per cm and a cooling rate of 11.5 ° C. per day, a large transparent single crystal of yellow color (length: 23 mm, straight body length: 13 mm, diameter: 12 mm pencil shape: FIG. 9) was obtained. Table 1 shows the results of a comparative example in which a growth tube without “neck” was used. In the comparative example, as compared with the case where only a small single crystal grain is obtained, the crystal obtained in this example is much larger in size, and several times better results are obtained with respect to the degree of crystal perfection and transparency. Obtained.

【0044】[0044]

【表1】 [Table 1]

【0045】実施例2:AgGaS2 半導体単結晶の製
造−2 使用した原料および成長管は、実施例1と同様であっ
た。また単結晶の成長は、実施例1と同様の方法で実施
した。まず炭素被膜を施した成長管にAgGaS2 多結
晶粉末21.21 gを入れて真空封入した。成長方法として
は、1cm当り11.6℃の温度勾配ならびに1日当り16.08
℃の冷却速度の条件であった。なお成長管の大きさ等は
表2に示す通りである。その結果、実施例1と同様に黄
色透明な大型単結晶(全長30mm、直胴部の長さ20mm、直
径12mmの鉛筆形)が得られた。比較例との違いは、実施
例1と同様であった。
Example 2 : Production of AgGaS 2 semiconductor single crystal-2 The raw materials and growth tubes used were the same as in Example 1. The single crystal was grown in the same manner as in Example 1. First, 21.21 g of AgGaS 2 polycrystalline powder was put into a growth tube provided with a carbon coating, followed by vacuum sealing. As a growth method, a temperature gradient of 11.6 ° C./cm and 16.08 / day
C. Cooling rate conditions. The size and the like of the growth tube are as shown in Table 2. As a result, a large transparent single crystal (30 mm in total length, 20 mm in length of a straight body portion, and 12 mm in diameter) was obtained as in Example 1. The difference from the comparative example was the same as in Example 1.

【0046】[0046]

【表2】 [Table 2]

【0047】次に実施例1および2で得られた結晶の光
学的評価を以下に述べる。本発明の製造方法によれば顕
微鏡観察の結果、析出物の混入が認められないので、透
明性の良好な結晶が得られることが判明した。図10はA
gGaS2 単結晶を約0.75mmの厚さに切り出した後表面
研磨して得られた試料の室温における透過スぺクトルを
示す。また500 から1000nmまでの波長領域にわたって
およそ60から70%の満足できる透過率が得られた。禁制
帯幅近傍まで高い透過率を示すことから、本材料の光学
的特性が優れていることを示す。次に図11は、AgGa
2単結晶の4.2 Kにおけるフォトルミネッセンススぺ
クトルを示す。従来の製造方法で得られた単結晶(比較
例)が、低エネルギー側において幅広な発光が顕著であ
ったのに対し、本発明の製造方法による単結晶の発光
は、禁制帯幅に極めて近い2.687 eVにおいて強く、し
かも鋭いスぺクトルを示し、青色発光ダイオードとして
極めて有望であることが明らかとなった。また、上述の
光学顕微鏡の結果や透過スぺクトルおよびフォトルミネ
ッセンススぺクトルの特性から判断して、本発明は大型
で良質な単結晶を得るための極めて優れた製造方法であ
るといえる。
Next, the optical evaluation of the crystals obtained in Examples 1 and 2 will be described below. According to the production method of the present invention, as a result of microscopic observation, no inclusion of a precipitate was observed, and it was found that crystals having good transparency were obtained. FIG. 10 shows A
The transmission spectrum at room temperature of a sample obtained by cutting a gGaS 2 single crystal into a thickness of about 0.75 mm and polishing the surface is shown. Satisfactory transmission of about 60 to 70% was obtained over the wavelength range from 500 to 1000 nm. The material exhibits high transmittance up to the vicinity of the forbidden band width, indicating that the optical properties of the material are excellent. Next, FIG.
4 shows a photoluminescence spectrum at 4.2 K of an S 2 single crystal. The single crystal obtained by the conventional manufacturing method (Comparative Example) showed remarkable broad light emission on the low energy side, whereas the single crystal light emission by the manufacturing method of the present invention was very close to the forbidden band width. It showed a strong and sharp spectrum at 2.687 eV, which proved to be extremely promising as a blue light emitting diode. Also, judging from the results of the above-mentioned optical microscope and the characteristics of the transmission spectrum and the photoluminescence spectrum, it can be said that the present invention is an extremely excellent manufacturing method for obtaining a large and high-quality single crystal.

【0048】実施例3:AgAlSe2 半導体単結晶の
製造 原料としては、純度99.9999 %以上のAg,Alおよび
Seを用いた。単結晶の製造方法は、実施例1とほぼ同
様であった。まず炭素被膜を施した成長管にAgAlS
2 多結晶粉末16.0gを入れて真空封入し、実施例2と
同様の温度傾斜凝固法および条件で成長を行った。成長
管の大きさ等は表3に示す通りである。その結果、得ら
れた結晶は黄色で、透明な単結晶(長さ10mm、直径12mm
の円錐形)であった。単結晶の大きさや完全性は、比較
例の「くびれ」がない場合に比べて良いことがわかっ
た。
Example 3 Production of AgAlSe 2 Semiconductor Single Crystal Ag, Al and Se having a purity of 99.9999% or more were used as raw materials. The method for producing a single crystal was almost the same as in Example 1. First, AgAlS was added to the growth tube with carbon coating.
vacuum sealed put e 2 polycrystalline powders 16.0 g, was grown at the same temperature gradient solidification method and conditions as in Example 2. The size and the like of the growth tube are as shown in Table 3. As a result, the resulting crystals are yellow, transparent single crystals (length 10 mm, diameter 12 mm
Cone). It was found that the size and the integrity of the single crystal were better than those of the comparative example where there was no “neck”.

【0049】[0049]

【表3】 [Table 3]

【0050】以上、実施例1,2,3についてまとめる
と、成長後「組成傾斜部」内では小さい粒からなる多結
晶が観察されたが、「単結晶成長部」内では一つの単結
晶が形成されていた(図9参照)。実施例1では全長23
mm、直胴部の長さ13mm、直径12mmの鉛筆形の単結晶が得
られた。実施例2では全長30mm、直胴部の長さ20mm、直
径12mmの鉛筆形の単結晶が得られた。また実施例3では
長さ10mm、直径12mmの円錐形の単結晶が得られた。なお
表1,表2および表3には、各実施例における成長条件
と得られた単結晶の寸法ならびに結晶の評価についてそ
れぞれまとめてある。
As described above, when Examples 1, 2, and 3 are summarized, a polycrystal composed of small grains was observed in the "composition-graded portion" after growth, but one single crystal was observed in the "single-crystal growth portion". (See FIG. 9). In the first embodiment, the total length is 23
A pencil-shaped single crystal having a diameter of 13 mm and a diameter of 12 mm was obtained. In Example 2, a pencil-shaped single crystal having a total length of 30 mm, a length of a straight body of 20 mm, and a diameter of 12 mm was obtained. In Example 3, a conical single crystal having a length of 10 mm and a diameter of 12 mm was obtained. Tables 1, 2, and 3 summarize the growth conditions, the dimensions of the obtained single crystals, and the evaluation of the crystals in each example.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明のI-III-VI2 族半導体の融体から
の単結晶製造法において、成長管の「単結晶成長部」と
「組成傾斜部」との間に「くびれ」をを設けることによ
って、均質で大型で、発光効率の高い化学量論的組成か
らなる単結晶が得られた。さらに、本発明は次世代光機
能素子用ならびに発光素子用I-III-VI2 族半導体材料の
低コスト化、高品質化に極めて大きな寄与をもたらすも
のである。また複雑な組成からなる材料の単結晶化を図
る上で、波及効果は非常に多大である。
According to the method of the present invention for producing a single crystal from a melt of an I-III-VI Group 2 semiconductor, a "neck" is formed between a "single crystal growth portion" and a "composition gradient portion" of a growth tube. Provided a single crystal having a stoichiometric composition which is homogeneous, large, and has high luminous efficiency. Further, the present invention greatly contributes to cost reduction and high quality of I-III-VI group 2 semiconductor materials for next-generation optical functional devices and light-emitting devices. In addition, the ripple effect is extremely large in achieving single crystallization of a material having a complicated composition.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係わるI-III-VI2 族(I族はAg、
III 族はAlおよびGaの何れか1種又は1種以上の元
素、およびVI2 族はSおよびSeの何れか1種又は1種
以上の元素)化合物およびそれらの代表的な固溶体の禁
制帯幅と格子定数の関係を示したものである。
FIG. 1 shows a group I-III-VI 2 (group I is Ag,
Group III either one or one or more elements of Al and Ga, and VI 2 group is any one or one or more elements of S and Se) compounds and bandgap of their typical solid solution It shows the relationship between and the lattice constant.

【図2】 Ag2 S−Ga23 擬2元系状態図を示
す。
FIG. 2 shows a phase diagram of a pseudo binary system of Ag 2 S—Ga 2 S 3 .

【図3】 本発明に係わる「くびれ」を有する成長管の
形状を示したものである。
FIG. 3 shows the shape of a growth tube having a “neck” according to the present invention.

【図4】 図2の一部を拡大したもので、成長した結晶
の組成変化を説明するための擬2元系状態図である。
4 is an enlarged view of a part of FIG. 2 and is a quasi-binary phase diagram for explaining a change in composition of a grown crystal.

【図5】 本発明の方法において、「くびれ」の最適位
置を決定するための説明図である。(ア)は「くびれ」
の無い成長管を用いて単結晶成長を行った結果得られた
多結晶の状況を示しす説明図である。(イ)および
(ウ)はくびれを設けた成長管を用いた結果得られた結
晶の状況を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for determining an optimum position of “constriction” in the method of the present invention. (A) is "constriction"
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state of a polycrystal obtained as a result of performing single crystal growth using a growth tube having no crystal. (A) and (C) are explanatory views showing the state of crystals obtained as a result of using a growth tube provided with a constriction.

【図6】 本発明の方法において、「くびれ」の位置と
化学量論的組成への移行位置との関係を示した説明図で
ある。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the position of “constriction” and the position of transition to stoichiometric composition in the method of the present invention.

【図7】 本発明の方法において、「くびれ」の太さD
o を限定する必要があることを説明するための説明図で
ある。
FIG. 7 shows a method of the present invention, in which the thickness “D” of “constriction” is obtained.
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining that it is necessary to limit o.

【図8】 (A)及び(B)は本発明の方法において、
温度傾斜凝固法の概略を説明するための説明図である。
FIG. 8 (A) and (B) show the method of the present invention.
It is an explanatory view for explaining an outline of a temperature gradient solidification method.

【図9】 本発明の方法において、「くびれ」を有する
成長管を用いて結晶成長を行った場合の単結晶の位置と
大きさの概略を示す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory view schematically showing the position and size of a single crystal when a crystal is grown using a growth tube having a “neck” in the method of the present invention.

【図10】 本発明の方法で作製したAgGaS2 半導
体単結晶のそれぞれ透過スぺクトル特性およびフォトル
ミネッセンススぺクトル特性図である。
FIG. 10 is a transmission spectrum characteristic and a photoluminescence spectrum characteristic of an AgGaS 2 semiconductor single crystal produced by the method of the present invention.

【図11】 本発明の方法で作製したAgGaS2 半導
体単結晶のそれぞれ透過スぺクトル特性およびフォトル
ミネッセンススぺクトル特性図である。
FIG. 11 is a transmission spectrum characteristic and a photoluminescence spectrum characteristic of an AgGaS 2 semiconductor single crystal manufactured by the method of the present invention.

フロントページの続き (72)発明者 望月 勝美 宮城県仙台市太白区八木山弥生町22番12 号 (56)参考文献 特開 昭61−261287(JP,A) 電子通信学会技術研究報告書、79、 [251]、p.79−84、(1980) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B30B 29/46 B30B 11/00 INSPEC(DIALOG) JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (72) Inventor Katsumi Mochizuki 22-12, Yayoi-machi, Yagiyama, Taishiro-ku, Sendai, Miyagi Prefecture (56) References JP-A-61-261287 (JP, A) IEICE Technical Report, 79 [251], p. 79-84, (1980) (58) Fields studied (Int. Cl. 7 , DB name) B30B 29/46 B30B 11/00 INSPEC (DIALOG) JICST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 I族元素がAg、III 族元素がAlおよ
びGaの何れか1種又は1種以上、およびVI族元素がS
およびSeの何れか1種又は1種以上の元素からなるI-
III-VI2 族半導体単結晶を製造する場合において、成長
管の組成傾斜部と単結晶成長部との中間であって、組成
が丁度化学量論的組成へと移行する位置に、内径が2mm
以上10mm以下、長さLo が0cm以上3cm以下(但しLo
は0cmを含まず)、成長開始端側への開き角度が30゜以
上120 ゜以下および成長終了端側への開き角度が120 ゜
以下の「くびれ」を設け、且つ成長速度が0.1 cm/日か
ら5cm/日であることを特徴としたI-III-VI2 族半導体
単結晶の製造方法。
A group I element is Ag, a group III element is one or more of Al and Ga, and a group VI element is S.
And I- consisting of one or more elements of Se
In the case of manufacturing a III-VI Group 2 semiconductor single crystal, the inner diameter is 2 mm at a position between the composition gradient portion of the growth tube and the single crystal growth portion, where the composition just transitions to the stoichiometric composition.
10 mm or less and length Lo is 0 cm or more and 3 cm or less (however, Lo
Does not include 0 cm), a constriction with an opening angle to the growth start end side of 30 ° or more and 120 ° or less and an opening angle to the growth end end side of 120 ° or less is provided, and the growth rate is 0.1 cm / day. A method for producing a group I-III-VI group 2 semiconductor single crystal, characterized in that the temperature is 5 cm / day.
【請求項2】 AgGaS2 半導体単結晶を製造する場
合において、成長管の組成傾斜部と単結晶成長部との中
間であって、組成が化学量論的組成へと移行する位置
に、及び組成傾斜部の容積が全原料融体量の容積に対し
85%以上となるよう、内径が2mm以上10mm以下、長さ
Lo が0cm以上3cm以下(但しLo は0cmを含まず)、
成長開始端側への開き角度が30゜以上120 ゜以下および
成長終了端側への開き角度が120 ゜以下の「くびれ」を
設け、且つ成長速度が0.4 cm/日から2cm/日であるこ
とを特徴としたAgGaS2 半導体単結晶の製造方法。
2. A method for producing an AgGaS 2 semiconductor single crystal, which is located between a composition gradient portion of a growth tube and a single crystal growth portion, at a position where the composition shifts to a stoichiometric composition, and The inner diameter is 2 mm or more and 10 mm or less, and the length Lo is 0 cm or more and 3 cm or less (however, Lo does not include 0 cm) so that the volume of the inclined portion is 85% or more of the volume of the entire raw material melt.
A constriction with an opening angle of 30 ° or more and 120 ° or less at the growth start end and 120 ° or less at the growth end end, and a growth rate of 0.4 cm / day to 2 cm / day A method for producing an AgGaS 2 semiconductor single crystal, characterized in that:
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