JP4321312B2 - Method for producing group III-V compound semiconductor crystal - Google Patents

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Description

本発明は、III−V族化合物半導体結晶の製造方法に関するものであり、特に、カーボンが添加されたIII−V族化合物半導体結晶の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, and more particularly to a method for producing a group III-V compound semiconductor crystal to which carbon is added.

カーボンが添加されたIII−V族化合物半導体結晶の製造方法に関しては、従来より以下のような種々の先行技術があった。   Conventionally, there have been various prior arts for producing a group III-V compound semiconductor crystal to which carbon has been added.

たとえば以下の特許文献1には、単結晶GaAs(ヒ化ガリウム)を垂直ブリッジマン法(VB法)で製造する方法が開示されている。   For example, Patent Document 1 below discloses a method of manufacturing single crystal GaAs (gallium arsenide) by the vertical Bridgman method (VB method).

図4は、特許文献1に開示されたカーボン添加GaAs単結晶の製造方法を説明するための図である。図4を参照して、るつぼ51内に種結晶53と、GaAs原料54とが配置され、るつぼ51の上端はキャップ手段52により閉じられる。キャップ手段52には開口部52aが設けられており、この開口部52a上に炭素のディスク56が配置される。この状態でるつぼ51などがアンプル57内に密封される。このアンプル57が縦型炉に設置されて加熱されることでGaAs原料54と種結晶53の上半分とが溶融される。そして、単結晶GaAsを成長させるために上部が高温域となり下部が低温域となるように温度勾配を生じさせた状態で炉がアンプル57に対して上方へ移動される。これにより溶融していたGaAs原料54bが種結晶53側から凝固して固体単結晶54aが成長する。   FIG. 4 is a diagram for explaining the method for producing a carbon-added GaAs single crystal disclosed in Patent Document 1. Referring to FIG. 4, seed crystal 53 and GaAs raw material 54 are arranged in crucible 51, and the upper end of crucible 51 is closed by cap means 52. The cap means 52 is provided with an opening 52a, and a carbon disk 56 is disposed on the opening 52a. In this state, the crucible 51 and the like are sealed in the ampoule 57. The ampoule 57 is placed in a vertical furnace and heated, so that the GaAs raw material 54 and the upper half of the seed crystal 53 are melted. Then, in order to grow the single crystal GaAs, the furnace is moved upward with respect to the ampoule 57 in a state where a temperature gradient is generated so that the upper part becomes a high temperature region and the lower part becomes a low temperature region. As a result, the molten GaAs raw material 54b is solidified from the seed crystal 53 side, and a solid single crystal 54a is grown.

この方法によれば、炭素のディスク56はGaAs原料54と流体連絡しており、ガスの移動が可能である。   According to this method, the carbon disk 56 is in fluid communication with the GaAs source 54 and gas transfer is possible.

また、たとえば以下の特許文献2および非特許文献1、2の各々には、単結晶GaAsを垂直温度勾配法(VGF法)で製造する方法が開示されている。   Further, for example, each of the following Patent Document 2 and Non-Patent Documents 1 and 2 discloses a method of manufacturing single-crystal GaAs by the vertical temperature gradient method (VGF method).

図5は、特許文献2に開示されたカーボン添加GaAs単結晶の製造方法を説明するための図である。図5を参照して、るつぼ61内に種結晶63と、GaAs原料64と、酸化ホウ素(B23)65とが配置され、この状態でるつぼ61がアンプル67内に密封される。るつぼ61外であってアンプル67内の最下部には、カーボン源66が配置される。加熱によりGaAs原料64が溶融される。GaAs原料64中の固−液界面が種結晶63の上端部(シードエンド)からGaAs原料64の上端部(テールエンド)へと移行され、これによりGaAs原料64が種結晶63側から凝固して固体単結晶が成長する。 FIG. 5 is a diagram for explaining the method for producing a carbon-added GaAs single crystal disclosed in Patent Document 2. Referring to FIG. 5, seed crystal 63, GaAs raw material 64, and boron oxide (B 2 O 3 ) 65 are arranged in crucible 61, and in this state, crucible 61 is sealed in ampoule 67. A carbon source 66 is disposed outside the crucible 61 and at the bottom of the ampoule 67. The GaAs raw material 64 is melted by heating. The solid-liquid interface in the GaAs raw material 64 is shifted from the upper end portion (seed end) of the seed crystal 63 to the upper end portion (tail end) of the GaAs raw material 64, whereby the GaAs raw material 64 is solidified from the seed crystal 63 side. A solid single crystal grows.

この加熱の際にカーボン源66とアンプル67の材質であるSiO2の酸素との反応で生じた一酸化炭素が生じ、この一酸化炭素や他の酸化炭素によってGaAs融液にカーボンが添加される。 During this heating, carbon monoxide generated by the reaction between the carbon source 66 and oxygen of SiO 2 which is the material of the ampoule 67 is generated, and carbon is added to the GaAs melt by the carbon monoxide and other carbon oxides. .

図6は、非特許文献1に開示されたカーボン添加GaAs単結晶の製造方法を説明するための図である。図6を参照して、るつぼ71内に種結晶73と、GaAs原料74と、酸化ホウ素(図示せず)とが配置され、るつぼ71の上端が蓋72により覆われ、その蓋72の上方にカーボン源76が配置される。この状態でるつぼ71などがアンプル77内に密封される。これにより、カーボンが添加されたGaAs単結晶が製造される。   FIG. 6 is a diagram for explaining a method for producing a carbon-added GaAs single crystal disclosed in Non-Patent Document 1. Referring to FIG. 6, seed crystal 73, GaAs raw material 74, and boron oxide (not shown) are arranged in crucible 71, and the upper end of crucible 71 is covered by a lid 72, above lid 72. A carbon source 76 is disposed. In this state, the crucible 71 and the like are sealed in the ampoule 77. Thereby, a GaAs single crystal to which carbon is added is manufactured.

図7は、非特許文献2に開示されたカーボン添加GaAs単結晶の製造方法を説明するための図である。図7を参照して、るつぼ81内に種結晶83と、GaAs原料84と、酸化ホウ素85とが配置され、るつぼ81がヒータ89を備える炉内に配置される。この状態で、炉の外部から一酸化炭素(CO)ガスを供給しながらヒータ89により加熱が行なわれる。これにより、カーボンが添加されたGaAs単結晶が製造される。
特開平3−122097号公報 国際公開03/005417号パンフレット C. HANNIG et al., "Incorporation of Carbon by VGF-Growth of GaAs", Cryst. Res. Technol. 34 (1999) pp.189-195 T. Buenger et al., "Active Carbon Control During VGF Growth of Semiinsulating GaAs", 2003 GaAs MANTECH
FIG. 7 is a diagram for explaining the method for producing a carbon-added GaAs single crystal disclosed in Non-Patent Document 2. Referring to FIG. 7, seed crystal 83, GaAs raw material 84, and boron oxide 85 are disposed in crucible 81, and crucible 81 is disposed in a furnace provided with heater 89. In this state, heating is performed by the heater 89 while supplying carbon monoxide (CO) gas from the outside of the furnace. Thereby, a GaAs single crystal to which carbon is added is manufactured.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-122097 WO03 / 005417 pamphlet C. HANNIG et al., "Incorporation of Carbon by VGF-Growth of GaAs", Cryst. Res. Technol. 34 (1999) pp.189-195 T. Buenger et al., "Active Carbon Control During VGF Growth of Semiinsulating GaAs", 2003 GaAs MANTECH

しかしながら、特許文献1に記載された方法によれば、図4に示す炭素のディスク56からカーボン粉末がGaAs融液54bに直接落下して、GaAs融液54bを汚染する。また炭素のディスク56からのカーボンの落下量が一定でないため、GaAs単結晶54a中のカーボン濃度が一定せず、カーボン濃度の再現性が良くない。   However, according to the method described in Patent Document 1, the carbon powder directly falls from the carbon disk 56 shown in FIG. 4 onto the GaAs melt 54b and contaminates the GaAs melt 54b. Further, since the amount of carbon falling from the carbon disk 56 is not constant, the carbon concentration in the GaAs single crystal 54a is not constant, and the reproducibility of the carbon concentration is not good.

また、特許文献2に記載された方法によれば、図5に示すカーボン源66がアンプル67内の最下部に配置されるため、高濃度の酸化炭素ガスが発生せず、万が一、高濃度の酸化炭素ガスが発生してもアンプル67が膨張する。   Further, according to the method described in Patent Document 2, since the carbon source 66 shown in FIG. 5 is disposed at the lowermost part in the ampoule 67, high-concentration carbon oxide gas is not generated. Even if the carbon oxide gas is generated, the ampule 67 expands.

また、非特許文献1に記載された方法によれば、図6に示するつぼ71の上端が蓋72により覆われているため、高濃度の酸化炭素ガスが発生せず、万が一、高濃度の酸化炭素ガスが発生してもアンプル77が膨張する。   Further, according to the method described in Non-Patent Document 1, since the upper end of the crucible 71 shown in FIG. 6 is covered with the lid 72, a high concentration of carbon oxide gas is not generated. Even if carbon gas is generated, the ampoule 77 expands.

また、非特許文献2に記載された方法によれば、図7に示すように危険な一酸化炭素ガスが用いられるため、人体に害を及ぼさないようにガスコントロールが必要になる。   Further, according to the method described in Non-Patent Document 2, since dangerous carbon monoxide gas is used as shown in FIG. 7, gas control is required so as not to harm the human body.

本発明の目的は、半導体結晶中のカーボン濃度の再現性が良好で、高濃度の酸化炭素ガスを発生させることが容易で、かつ炉外部から一酸化炭素ガスを供給する必要のないIII−V族化合物半導体結晶の製造方法を提供することである。   The object of the present invention is that the reproducibility of the carbon concentration in the semiconductor crystal is good, it is easy to generate a high concentration of carbon oxide gas, and there is no need to supply carbon monoxide gas from the outside of the furnace. It is providing the manufacturing method of a group compound semiconductor crystal.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法は、カーボンが添加されたIII−V族化合物半導体結晶の製造方法であって、るつぼ内に、予備合成されたIII−V族化合物原料および水分を含有する酸化ホウ素を充填するステップと、るつぼ内で蒸発した酸化ホウ素に起因したガス状物質と反応するように固体カーボンをるつぼの上面に設けられた開口部の上方に、開口部を塞ぐことによりるつぼを半密閉空間とするように配置するステップと、固体カーボンを開口部の上方に配置した状態で、化合物原料を加熱溶融するステップと、溶融した化合物原料を固化して、カーボンが添加された化合物半導体結晶を成長するステップとを備えている。 The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to the present invention is a method for producing a group III-V compound semiconductor crystal to which carbon has been added, and the III-V group compound raw material and moisture previously synthesized in a crucible. containing the steps of filling a boron oxide, above the opening provided the solid carbon on the upper surface of the crucible so as to react with the gaseous material due to boron oxide evaporated in a crucible, that close the opening The step of arranging the crucible so as to form a semi-enclosed space, the step of heating and melting the compound raw material in a state where the solid carbon is arranged above the opening, the molten compound raw material is solidified, and the carbon is added. Growing a compound semiconductor crystal.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法によれば、固体カーボンがるつぼの上面に設けられた開口部の上方に配置されているため、るつぼ内で蒸発した酸化ホウ素に起因したガス状物質がるつぼに妨げられることなく固体カーボンに到達することができる。つまり、るつぼ内で蒸発した酸化ホウ素起因のガス状物質がるつぼの外へ出て固体カーボンに達するためには、そのガス状物質がるつぼ内を上方へ移動し続ければよく、移動の向きを変える必要がない。このため、移動の向きを変える際にるつぼの壁面にガス状物質が付着するという現象を抑制できるため、効率良くガス状物質をカーボンへ到達させることが可能となる。これにより酸化ホウ素起因のガス状物質と固体カーボンとを効率良く反応させることが可能となるため、気密性容器を用いた場合にもこの気密性容器を膨張させることなく高濃度の酸化炭素ガスを発生させることが可能となる。   According to the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention, since the solid carbon is disposed above the opening provided on the upper surface of the crucible, the gaseous state due to the boron oxide evaporated in the crucible is obtained. The substance can reach the solid carbon without being obstructed by the crucible. In other words, in order for the gaseous substance caused by boron oxide evaporated in the crucible to go out of the crucible and reach the solid carbon, it is only necessary that the gaseous substance continues to move upward in the crucible and change the direction of movement. There is no need. For this reason, since the phenomenon that the gaseous substance adheres to the wall surface of the crucible when changing the direction of movement can be suppressed, the gaseous substance can efficiently reach the carbon. This makes it possible to react the boron oxide-derived gaseous substance and solid carbon efficiently, so even when an airtight container is used, a high concentration of carbon oxide gas can be produced without expanding the airtight container. Can be generated.

また、高濃度の酸化炭素ガスを発生させることができるため、炉の外部から人体に有害な一酸化炭素を炉内へ供給する必要がなくなるため、一酸化炭素のガスコントロールが不要となる。   In addition, since carbon oxide gas with a high concentration can be generated, it is not necessary to supply carbon monoxide harmful to the human body from the outside of the furnace into the furnace, so that carbon monoxide gas control becomes unnecessary.

また、るつぼ内に酸化ホウ素が充填されているため、るつぼ内で溶融した化合物原料は酸化ホウ素に覆われることになる。このため、固体カーボンからカーボン粉末が落下しても、このカーボン粉末は酸化ホウ素上に落下して、その大部分が酸化ホウ素に浮くことになり、カーボン粉末が溶融した化合物原料に直接落下することはない。よって、化合物原料の汚染を抑制することができるとともに、半導体結晶中のカーボン濃度を一定にすることが容易となり、カーボン濃度の再現性が良好となる。   Further, since the crucible is filled with boron oxide, the compound raw material melted in the crucible is covered with boron oxide. For this reason, even if the carbon powder falls from the solid carbon, the carbon powder falls on the boron oxide, and most of the carbon powder floats on the boron oxide, and the carbon powder falls directly onto the molten compound raw material. There is no. Therefore, contamination of the compound raw material can be suppressed, the carbon concentration in the semiconductor crystal can be easily made constant, and the reproducibility of the carbon concentration is improved.

また、るつぼの開口部の開口面積を調整することによって開口部を通過する酸化ホウ素起因のガス状物質の量が変化するため、反応により生じる酸化炭素ガスの量も調整することができ、最終的に半導体結晶中のカーボン濃度を調整することができる。   Moreover, since the amount of gaseous substance due to boron oxide passing through the opening changes by adjusting the opening area of the opening of the crucible, the amount of carbon oxide gas generated by the reaction can also be adjusted. In addition, the carbon concentration in the semiconductor crystal can be adjusted.

本明細書において「るつぼ」とは、るつぼ本体とその蓋とを含む概念であるため、「るつぼ」に「開口部」を設けるとは、蓋がない場合にはるつぼに開口部が設けられることを意味し、蓋がるつぼの上端に配置される場合には蓋に開口部が設けられることを意味する。また、「るつぼの上面」とは、「るつぼ」内に充填された化合物原料が溶融した場合に、その融液の表面よりも上方に位置し、かつその融液の表面に対面する「るつぼ」の面を意味する。   In this specification, “crucible” is a concept that includes a crucible body and its lid. Therefore, “opening” in a “crucible” means that an opening is provided in the crucible when there is no lid. This means that when the lid is arranged at the upper end of the crucible, an opening is provided in the lid. In addition, the “upper surface of the crucible” is a “crucible” that is located above the surface of the melt and faces the surface of the melt when the compound raw material filled in the “crucible” is melted. Means the face.

るつぼ内が半密閉空間とされるので、るつぼ内の酸化ホウ素上の空間の酸化炭素ガスの濃度が局所的に高くなる。このため、気密性容器を用いた場合にもこの気密性容器を膨張させることなくさらに高濃度の酸化炭素ガスを発生させることが可能となる。
また酸化ホウ素が水分を含有することにより蒸気圧が数桁上昇するため、酸化ホウ素が酸化炭素ガス発生に効果的に寄与する。また酸化ホウ素中の水分は、化合物原料中の不純物を除去するためにも有効である。さらに、この酸化ホウ素中の水分は結晶中へのカーボンの取り込みにも影響を及ぼしていると考えられる。また、酸化ホウ素中の水分が半導体結晶の成長時の加熱により蒸発して水蒸気となり、この水蒸気や酸化ホウ素から生じた酸化物のガスなどが固体カーボンと反応して酸化炭素ガスが発生するものと考えられる。そして、この酸化炭素ガスから化合物原料の融液にカーボンが供給される。
Since the inside of the crucible is a semi-enclosed space, the concentration of carbon oxide gas in the space above the boron oxide in the crucible locally increases. For this reason, even when an airtight container is used, it is possible to generate a higher concentration of carbon oxide gas without expanding the airtight container.
Further, since the vapor pressure increases by several orders of magnitude when boron oxide contains water, boron oxide contributes effectively to the generation of carbon oxide gas. Further, the moisture in the boron oxide is also effective for removing impurities in the compound raw material. Furthermore, the water in the boron oxide is considered to have an influence on the incorporation of carbon into the crystal. In addition, the moisture in boron oxide is evaporated by heating during the growth of the semiconductor crystal to become water vapor, and the oxide gas generated from the water vapor or boron oxide reacts with solid carbon to generate carbon oxide gas. Conceivable. Carbon is supplied from this carbon oxide gas to the melt of the compound raw material.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、固体カーボンを開口部の上方に配置した状態で、化合物原料および酸化ホウ素が充填されたるつぼと固体カーボンとを、ガス不透過性材料からなる気密性容器内に密封する工程をさらに備えている。   Preferably, in the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal described above, the solid carbon is placed between the crucible filled with the compound raw material and boron oxide and the solid carbon in a state where the solid carbon is disposed above the opening. The method further includes a step of sealing in an airtight container.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、固体カーボンから落下したカーボンを受けるためのカーボン受けがるつぼ内に配置されている。   In the above method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, a carbon receiver for receiving carbon dropped from solid carbon is preferably disposed in the crucible.

これにより、固体カーボンから落下したカーボン粉末が酸化ホウ素に落下することを防止できる。よって、化合物原料の融液の汚染をさらに抑制することができるとともに、半導体結晶中のカーボン濃度を一定にすることがさらに容易となり、カーボン濃度の再現性が良好となる。   Thereby, it can prevent that the carbon powder which fell from the solid carbon falls to boron oxide. Therefore, contamination of the melt of the compound raw material can be further suppressed, and it becomes easier to make the carbon concentration in the semiconductor crystal constant, and the reproducibility of the carbon concentration is improved.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、固体カーボンを開口部の上方に配置した状態で、化合物原料および酸化ホウ素が充填されたるつぼと固体カーボンとを、他の容器内に密封せずにチャンバー内に配置する工程がさらに備えられている。   Preferably, in the above III-V compound semiconductor crystal manufacturing method, the solid carbon is placed above the opening, and the crucible filled with the compound raw material and boron oxide and the solid carbon are placed in another container. The method further includes the step of disposing in the chamber without sealing.

この酸化ホウ素は、10質量ppm以上200質量ppm未満の水分を含有していることが好ましく、30質量ppm以上145質量ppm未満の水分を含有していることがより好ましく、50質量ppm以上90質量ppm未満の水分を含有していることがさらに好ましい。   This boron oxide preferably contains 10 ppm to 200 ppm by weight, more preferably 30 ppm to less than 145 ppm, more preferably 50 ppm to 90 ppm. More preferably, it contains less than ppm water.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、化合物原料にはるつぼ内に充填される前に予めカーボンが添加されている。   In the above method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, preferably, carbon is added to the compound raw material in advance before filling the crucible.

酸化炭素の量は酸化ホウ素に起因したガス状物質と固体カーボンとの反応により次第に増加していくため、半導体結晶の成長後半で半導体結晶中のカーボン濃度が高くなる可能性がある。一方、化合物原料に予めカーボンを添加した場合には、半導体結晶内でのカーボンの濃度は半導体結晶の成長後半で低下する。このため、化合物原料に予めカーボンを添加しておくことにより、予め添加されたカーボンによる成長後半でのカーボン濃度の低下と、反応によって生じた酸化炭素による成長後半でのカーボン濃度の増加とをバランスさせることが可能となり、成長全般において均一なカーボン濃度の半導体結晶を得ることができる。   Since the amount of carbon oxide gradually increases due to the reaction between the gaseous substance caused by boron oxide and solid carbon, the carbon concentration in the semiconductor crystal may increase in the second half of the growth of the semiconductor crystal. On the other hand, when carbon is added to the compound raw material in advance, the carbon concentration in the semiconductor crystal decreases in the latter half of the growth of the semiconductor crystal. Therefore, by adding carbon to the compound raw material in advance, the balance between the decrease in carbon concentration in the latter half of the growth due to the pre-added carbon and the increase in carbon concentration in the second half of the growth due to carbon oxide generated by the reaction is balanced. Therefore, a semiconductor crystal having a uniform carbon concentration can be obtained throughout the growth.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、るつぼ内に充填される前の化合物原料の平均カーボン濃度は、0.5×1015atms・cm-3以上25×1015atms・cm-3以下である。 Preferably, in the above method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, the average carbon concentration of the compound raw material before filling in the crucible is 0.5 × 10 15 atoms · cm −3 or more and 25 × 10 15 atoms · cm −3 or less.

化合物原料に予め添加されたカーボンは酸化ホウ素と反応するため、成長する半導体結晶に取り込まれるカーボンの量は添加量の2分の1〜10分の1程度である。このため比較的カーボン濃度の高い化合物原料を使用する必要がある。カーボン濃度が0.5×1015atms・cm-3未満では上記の効果が十分に得られず、25×1015atms・cm-3を超えると反応によって生じた酸化炭素による成長後半でのカーボン濃度の増加とのバランスをとることが難しくなる。上記のカーボン濃度は、より好ましくは1×1015atms・cm-3以上20×1015atms・cm-3以下であり、さらに好ましくは1.5×1015atms・cm-3以上15×1015atms・cm-3以下である。 Since carbon added in advance to the compound raw material reacts with boron oxide, the amount of carbon taken into the growing semiconductor crystal is about one-half to one-tenth of the added amount. For this reason, it is necessary to use a compound raw material having a relatively high carbon concentration. If the carbon concentration is less than 0.5 × 10 15 atms · cm −3 , the above effect cannot be obtained sufficiently, and if it exceeds 25 × 10 15 atms · cm −3 , carbon in the latter half of the growth due to carbon oxide generated by the reaction. It becomes difficult to balance the increase in concentration. The carbon concentration is more preferably 1 × 10 15 atms · cm −3 to 20 × 10 15 atms · cm −3 , and even more preferably 1.5 × 10 15 atms · cm −3 to 15 × 10. 15 atms · cm −3 or less.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、溶融した化合物原料を固化させて結晶成長する前に、その化合物原料が溶融した状態で一定時間保持される。   In the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, preferably, the compound raw material is held in a molten state for a certain period of time before the molten compound raw material is solidified and crystal is grown.

これにより、溶融した化合物原料中に固体カーボンから充分なカーボンを添加することができ、半導体結晶の成長初期に充分なカーボン濃度を得ることができる。また、この処理によって、化合物原料の融液の温度を安定化させ、融液中のカーボン濃度および不純物濃度を均一にすることが可能となる。また、この処理によって、化合物原料に含まれているSi(シリコン)などの不純物を、酸化ホウ素によりゲッタリングして除去することができる。なお、一般に、HB(水平ブリッジマン)法で合成した原料には、1×1016cm-3程度のSiが不純物として含まれているが、この処理を施した半導体結晶中のSiは1×1015cm-3未満で、分析装置の検出限界以下であった。一方、この処理を施さなかったものでは、1×1015cm-3を超えるSiが検出された。 Thereby, sufficient carbon can be added from the solid carbon to the molten compound raw material, and a sufficient carbon concentration can be obtained at the initial growth stage of the semiconductor crystal. In addition, this treatment can stabilize the temperature of the melt of the compound raw material and make the carbon concentration and the impurity concentration in the melt uniform. Further, by this treatment, impurities such as Si (silicon) contained in the compound raw material can be removed by gettering with boron oxide. In general, the raw material synthesized by the HB (horizontal Bridgman) method contains Si of about 1 × 10 16 cm −3 as an impurity, but Si in the semiconductor crystal subjected to this treatment contains 1 × It was less than 10 15 cm −3 and below the detection limit of the analyzer. On the other hand, Si exceeding 1 × 10 15 cm −3 was detected without this treatment.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、溶融した化合物原料を溶融した状態で保持する時間は、1時間以上20時間以下である。   In the above method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, the molten compound raw material is preferably held in a molten state for 1 hour or more and 20 hours or less.

保持時間が1時間未満では上記の効果が十分に得られず、20時間を超えると生産性が低下する可能性がある。上記の保持時間は、より好ましくは2時間以上15時間以下であり、さらに好ましくは3時間以上10時間以下である。   If the holding time is less than 1 hour, the above effect cannot be obtained sufficiently, and if it exceeds 20 hours, the productivity may decrease. The holding time is more preferably 2 hours to 15 hours, and further preferably 3 hours to 10 hours.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、化合物原料を加熱溶融する前に気密性容器内に酸化炭素ガスが予め封入されている。   In the above method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, preferably, a carbon oxide gas is sealed in advance in an airtight container before the compound raw material is heated and melted.

これにより、成長初期の半導体結晶中のカーボン濃度の低下を防止することができる。   Thereby, it is possible to prevent a decrease in the carbon concentration in the semiconductor crystal at the initial growth stage.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、化合物原料を加熱溶融する前に気密性容器内に予め封入されている酸化炭素ガスの圧力は、室温25℃において13.3Pa(0.1Torr)以上6666Pa(50Torr)以下である。   In the above method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, preferably, the pressure of the carbon oxide gas preliminarily sealed in the hermetic container before heating and melting the compound raw material is 13.3 Pa (0 .1 Torr) to 6666 Pa (50 Torr).

室温25℃における酸化炭素ガスの圧力が13.3Pa(0.1Torr)未満では上記の効果が十分に得られず、6666Pa(50Torr)を超えると半導体結晶の成長後半において気密性容器が異常膨張する可能性がある。上記の室温25℃における酸化炭素ガスの圧力は、より好ましくは66.7Pa(0.5Torr)以上5332Pa(40Torr)以下であり、さらに好ましくは133.3Pa(1Torr)以上4000Pa(30Torr)以下である。   When the pressure of the carbon oxide gas at room temperature 25 ° C. is less than 13.3 Pa (0.1 Torr), the above effect cannot be obtained sufficiently, and when it exceeds 6666 Pa (50 Torr), the hermetic container abnormally expands in the latter half of the semiconductor crystal growth there is a possibility. The pressure of the carbon oxide gas at the room temperature of 25 ° C. is more preferably 66.7 Pa (0.5 Torr) or more and 5332 Pa (40 Torr) or less, and further preferably 133.3 Pa (1 Torr) or more and 4000 Pa (30 Torr) or less. .

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、るつぼはpBN(熱分解窒化ホウ素)からなる。   In the above method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, the crucible is preferably made of pBN (pyrolytic boron nitride).

るつぼの構成元素によっては、酸化ホウ素やカーボンとるつぼが反応し、原料融液が汚染される恐れがある。したがって、酸化ホウ素やカーボンと反応しないるつぼの材料としてpBNが最適である。   Depending on the constituent elements of the crucible, boron oxide and carbon crucible may react to contaminate the raw material melt. Therefore, pBN is optimal as a crucible material that does not react with boron oxide or carbon.

上記のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法において好ましくは、III−V族化合物半導体結晶はGaAs結晶である。つまり、本発明は、特にGaAs結晶へのカーボン添加方法として有効である。   In the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal, preferably, the group III-V compound semiconductor crystal is a GaAs crystal. That is, the present invention is particularly effective as a method for adding carbon to a GaAs crystal.

なお、半導体結晶中のカーボン濃度は蓋の開口部の開口面積のほか、酸化ホウ素の水分濃度や、カーボンの材質(グラファイトの焼結体、パイロリティックグラファイト、グラッシーカーボンまたはアモルファスカーボン、ダイヤモンドなど)にも依存する。   The carbon concentration in the semiconductor crystal depends on the moisture concentration of boron oxide and the carbon material (sintered graphite, pyrolytic graphite, glassy carbon or amorphous carbon, diamond, etc.) in addition to the opening area of the lid opening. Also depends.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法によれば、半導体結晶中のカーボン濃度の再現性が良好となり、高濃度の酸化炭素ガスを発生させることが容易となり、かつ炉外部から一酸化炭素ガスを供給する必要がなくなる。   According to the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention, the reproducibility of the carbon concentration in the semiconductor crystal is improved, it is easy to generate a high concentration carbon oxide gas, and monoxide is oxidized from the outside of the furnace. There is no need to supply carbon gas.

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるカーボン添加GaAs単結晶の製造方法の一例を説明するための図である。図1を参照して、まず、るつぼ1内に種結晶3と、GaAs原料4と、酸化ホウ素(B23)5とが収容される。種結晶3はるつぼ1の最下端部に収容され、GaAs原料4はGa(ガリウム)とAs(ヒ素)とが予備合成された多結晶体として準備される。このるつぼ1の上端に蓋2が載置される。この蓋2の上面には開口部2aが設けられており、この開口部2aの上方に固体カーボン6が配置される。本実施の形態では、固体カーボン6は開口部2aを塞ぐことによりるつぼ1内を半密閉空間とするように配置される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a method for producing a carbon-added GaAs single crystal according to Embodiment 1 of the present invention. Referring to FIG. 1, first, seed crystal 3, GaAs raw material 4, and boron oxide (B 2 O 3 ) 5 are accommodated in crucible 1. The seed crystal 3 is accommodated in the lowermost end portion of the crucible 1, and the GaAs raw material 4 is prepared as a polycrystalline body in which Ga (gallium) and As (arsenic) are pre-synthesized. A lid 2 is placed on the upper end of the crucible 1. An opening 2a is provided on the upper surface of the lid 2, and the solid carbon 6 is disposed above the opening 2a. In the present embodiment, the solid carbon 6 is arranged so as to make the inside of the crucible 1 a semi-sealed space by closing the opening 2a.

この状態でるつぼ1、固体カーボン6などがアンプル(気密性容器)7内に密封される。このアンプル7が縦型炉の支持台8に設置されて、ヒータ9により加熱される。この加熱により、酸化ホウ素5とGaAs原料4と種結晶3の上半分とが溶融される。単結晶GaAsを成長させるために上部が高温域となり下部が低温域となるように温度勾配をヒータ9が生じさせる。この状態で、GaAs原料4中の固−液界面が種結晶3の上端部(シードエンド)からGaAs原料4の上端部(テールエンド)へと移行することにより、GaAs原料4が種結晶3側から凝固して固体単結晶が成長する。   In this state, the crucible 1 and the solid carbon 6 are sealed in an ampoule (airtight container) 7. The ampoule 7 is installed on a vertical furnace support 8 and heated by a heater 9. By this heating, the boron oxide 5, the GaAs raw material 4, and the upper half of the seed crystal 3 are melted. In order to grow single crystal GaAs, the heater 9 generates a temperature gradient so that the upper part is a high temperature region and the lower part is a low temperature region. In this state, the solid-liquid interface in the GaAs raw material 4 moves from the upper end portion (seed end) of the seed crystal 3 to the upper end portion (tail end) of the GaAs raw material 4, so that the GaAs raw material 4 is on the seed crystal 3 side. Solidified from this, solid single crystals grow.

上記の加熱時には、るつぼ1内で酸化ホウ素5が蒸発することにより酸化ホウ素5に起因したガス状物質(水蒸気、酸化物のガス)が生じる。このガス状物質が固体カーボン6と反応して酸化炭素ガス(主に一酸化炭素ガス)が発生する。一酸化炭素ガスが生じる化学反応は、以下のようになっているものと思われる。   At the time of the above heating, the boron oxide 5 evaporates in the crucible 1 to generate a gaseous substance (water vapor, oxide gas) resulting from the boron oxide 5. This gaseous substance reacts with the solid carbon 6 to generate carbon oxide gas (mainly carbon monoxide gas). The chemical reaction that produces carbon monoxide gas is thought to be as follows.

C+H2O→CO+H2
3C+B23→3CO+2B
これにより生じた酸化炭素ガスからGaAs原料4の融液にカーボンが供給されて、カーボンが添加されたGaAs単結晶が得られる。
C + H 2 O → CO + H 2
3C + B 2 O 3 → 3CO + 2B
Carbon is supplied from the generated carbon oxide gas to the melt of the GaAs raw material 4 to obtain a GaAs single crystal to which carbon is added.

上記において酸化ホウ素5は水分を含有していることが好ましい。また、酸化ホウ素5が含有する水分量は10質量ppm以上200質量ppm未満であることが好ましい。   In the above, the boron oxide 5 preferably contains moisture. Moreover, it is preferable that the moisture content which the boron oxide 5 contains is 10 mass ppm or more and less than 200 mass ppm.

また、GaAs原料4にはるつぼ1内に充填される前に予めカーボンが添加されていることが好ましい。るつぼ1内に充填される前のGaAs原料4に添加される平均カーボン濃度は0.5×1015atms・cm-3以上25×1015atms・cm-3以下であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that carbon is added to the GaAs raw material 4 before filling the crucible 1. The average carbon concentration added to the GaAs raw material 4 before filling the crucible 1 is preferably 0.5 × 10 15 atms · cm −3 or more and 25 × 10 15 atms · cm −3 or less.

また、溶融したGaAs原料4を固化させて結晶成長する前に、溶融した状態で一定時間保持することが好ましい。また、溶融したGaAs原料4を溶融した状態で保持する時間は1時間以上20時間以下であることが好ましい。   Further, it is preferable to hold the molten GaAs raw material 4 in a molten state for a certain period of time before solidifying and crystal growth. Moreover, it is preferable that the time which hold | maintains the molten GaAs raw material 4 in the molten state is 1 hour or more and 20 hours or less.

また、GaAs原料4を加熱溶融する前にアンプル7内に酸化炭素ガスが予め封入されていることが好ましい。また、GaAs原料4を加熱溶融する前にアンプル7内に予め封入されている酸化炭素ガスの圧力は、室温25℃において13.3Pa以上6666Pa以下であることが好ましい。   Further, it is preferable that a carbon oxide gas is sealed in the ampoule 7 before the GaAs raw material 4 is heated and melted. Moreover, it is preferable that the pressure of the carbon oxide gas previously enclosed in the ampoule 7 before heating and melting the GaAs raw material 4 is 13.3 Pa or more and 6666 Pa or less at a room temperature of 25 ° C.

また、るつぼ1はpBNからなることが好ましい。   The crucible 1 is preferably made of pBN.

以下、本実施の形態の作用効果について説明する。   Hereinafter, the function and effect of the present embodiment will be described.

上記の特許文献2では図5に示すようにカーボン源66はアンプル67内の最下部に配置されるため、酸化ホウ素65に起因したガス状物質は上方へ移動してるつぼ61の外へ出た後に下方へ方向を変えなければカーボン源65に達することはできない。   In the above Patent Document 2, as shown in FIG. 5, the carbon source 66 is disposed at the lowermost part in the ampoule 67, so that the gaseous substance due to the boron oxide 65 moves upward and goes out of the crucible 61. The carbon source 65 cannot be reached unless the direction is changed downward.

また、上記の非特許文献1では図6に示すようにるつぼ71の上端が蓋72により覆われているが、開口部に関する記載はない。もし、蓋72とるつぼ71との間に開口部が生じていたとしても、この場合の開口部はるつぼ71の側面に存在することになり、蓋72の上面には存在していない。このため、るつぼ71内で蒸発した酸化ホウ素起因のガス状物質がるつぼ71の外へ出るためには、そのガス状物質がるつぼ71内を上方へ移動した後、開口部へ向けて側面側へ移動の向きを変える必要がある。   Moreover, in said nonpatent literature 1, as shown in FIG. 6, although the upper end of the crucible 71 is covered with the lid | cover 72, there is no description regarding an opening part. Even if an opening is formed between the lid 72 and the crucible 71, the opening in this case exists on the side surface of the crucible 71 and does not exist on the upper surface of the lid 72. For this reason, in order for the gaseous substance resulting from boron oxide evaporated in the crucible 71 to go out of the crucible 71, the gaseous substance moves upward in the crucible 71 and then toward the side toward the opening. It is necessary to change the direction of movement.

このように特許文献2および非特許文献1のいずれにおいても、酸化ホウ素起因のガス状物質がカーボン源に達するためにはその進行方向を変えなければならず、その進行方向を変える際に、ガス状物質の大部分がアンプル、るつぼ、蓋などの壁面に最初に接触して、そこへ集中的に付着することとなり、るつぼ外部のカーボン源にはごくわずかしか到達しなくなる。   As described above, in both Patent Document 2 and Non-Patent Document 1, in order for the gaseous substance derived from boron oxide to reach the carbon source, the traveling direction must be changed. Most of the particulate matter will first contact the wall of the ampoule, crucible, lid, etc., and will be concentrated on it, reaching very little the carbon source outside the crucible.

これに対して本実施の形態によれば、固体カーボン6が蓋2の上面に設けられた開口部2aの上方に配置されているため、るつぼ1内で蒸発した酸化ホウ素5に起因したガス状物質(水蒸気、酸化物のガス)がるつぼ1などに妨げられることなく固体カーボン6に到達することができる。つまり、るつぼ1内で蒸発した酸化ホウ素5起因のガス状物質がるつぼ1の外へ出て固体カーボン6に達するためには、そのガス状物質がるつぼ1内を上方へ移動し続ければよく、移動の向きを変える必要がない。   On the other hand, according to the present embodiment, since the solid carbon 6 is disposed above the opening 2a provided on the upper surface of the lid 2, the gaseous state caused by the boron oxide 5 evaporated in the crucible 1 is obtained. The substance (water vapor, oxide gas) can reach the solid carbon 6 without being obstructed by the crucible 1 or the like. That is, in order for the gaseous substance resulting from the boron oxide 5 evaporated in the crucible 1 to go out of the crucible 1 and reach the solid carbon 6, the gaseous substance only needs to continue to move upward in the crucible 1, There is no need to change the direction of movement.

このため、移動の向きを変える際にるつぼ1の壁面にガス状物質が付着するという現象を抑制できるため、効率良くガス状物質を固体カーボン6へ到達させることが可能となる。これにより酸化ホウ素起因のガス状物質と固体カーボン6とを効率良く反応させることが可能となるため、アンプル7を膨張させることなく高濃度の酸化炭素ガスを発生させることが可能となる。   For this reason, since the phenomenon that the gaseous substance adheres to the wall surface of the crucible 1 when changing the direction of movement can be suppressed, the gaseous substance can efficiently reach the solid carbon 6. As a result, the gaseous substance derived from boron oxide and the solid carbon 6 can be reacted efficiently, so that a high-concentration carbon oxide gas can be generated without expanding the ampoule 7.

また、高濃度の酸化炭素ガスを発生させることができるため、炉の外部から人体に有害な一酸化炭素を炉内へ供給する必要がなくなるため、一酸化炭素のガスコントロールが不要となる。   In addition, since carbon oxide gas with a high concentration can be generated, it is not necessary to supply carbon monoxide harmful to the human body from the outside of the furnace into the furnace, so that carbon monoxide gas control becomes unnecessary.

また、るつぼ1内に酸化ホウ素5が充填されているため、るつぼ1内で溶融したGaAs原料4は酸化ホウ素5に覆われることになる。このため、固体カーボン6からカーボン粉末が落下しても、このカーボン粉末は酸化ホウ素5上に落下して、その大部分が酸化ホウ素5に浮くことになり、カーボン粉末が溶融したGaAs原料4に直接落下することはない。よって、GaAs原料4の汚染を抑制することができるとともに、GaAs単結晶中のカーボン濃度を一定にすることが容易となり、カーボン濃度の再現性が良好となる。   Since the crucible 1 is filled with the boron oxide 5, the GaAs raw material 4 melted in the crucible 1 is covered with the boron oxide 5. For this reason, even if the carbon powder falls from the solid carbon 6, this carbon powder falls on the boron oxide 5 and most of the carbon powder floats on the boron oxide 5, so that the carbon powder is melted into the GaAs raw material 4. There is no direct fall. Therefore, contamination of the GaAs raw material 4 can be suppressed, the carbon concentration in the GaAs single crystal can be easily made constant, and the reproducibility of the carbon concentration is improved.

また、蓋2の開口部2aの開口面積を調整することによって開口部2aを通過する酸化ホウ素5起因のガス状物質の量が変化するため、反応により生じる酸化炭素ガスの量も調整することができ、最終的にGaAs単結晶中のカーボン濃度を調整することができる。   Moreover, since the amount of the gaseous substance resulting from the boron oxide 5 passing through the opening 2a changes by adjusting the opening area of the opening 2a of the lid 2, the amount of carbon oxide gas generated by the reaction can also be adjusted. Finally, the carbon concentration in the GaAs single crystal can be adjusted.

また、固体カーボン6が開口部2aを塞ぐことによりるつぼ1内を半密閉空間とすることができるため、るつぼ1内の酸化ホウ素5上の空間の酸化炭素ガスの濃度を局所的に高くすることができる。このため、アンプル7を用いた場合にもこのアンプル7を膨張させることなく、さらに高濃度の酸化炭素ガスをるつぼ1内に発生させることが可能となる。   Moreover, since the inside of the crucible 1 can be made into a semi-sealed space by the solid carbon 6 closing the opening 2a, the concentration of carbon oxide gas in the space above the boron oxide 5 in the crucible 1 is locally increased. Can do. For this reason, even when the ampule 7 is used, it is possible to generate a higher concentration of carbon oxide gas in the crucible 1 without expanding the ampule 7.

なお、酸化ホウ素5はGaAs原料4中の不純物をゲッタリング除去する効果を有する。特許文献1の酸化ガリウム(9頁左下欄8〜10行目)も同様の目的で用いられている。しかし、酸化ガリウムを用いた場合にはGaAs結晶中の酸素濃度が高くなる可能性がある。一方、酸化ホウ素5を用いた場合には、GaAs単結晶中の酸素濃度を充分に低く抑えることができ、不純物の除去に対しても充分な効果が得られることがわかった。さらに、SiOガスなどの外部から侵入する不純物ガスに対して、融液上面の酸化ホウ素5が特に有効であることがわかった。   Boron oxide 5 has an effect of gettering and removing impurities in the GaAs raw material 4. The gallium oxide of Patent Document 1 (page 9, lower left column, 8th to 10th lines) is also used for the same purpose. However, when gallium oxide is used, the oxygen concentration in the GaAs crystal may increase. On the other hand, when boron oxide 5 is used, it has been found that the oxygen concentration in the GaAs single crystal can be kept sufficiently low, and a sufficient effect can be obtained for removing impurities. Furthermore, it has been found that boron oxide 5 on the upper surface of the melt is particularly effective against impurity gas entering from outside such as SiO gas.

(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2におけるカーボン添加GaAs単結晶の製造方法の一例を説明するための図である。図2を参照して、本実施の形態の製造方法は、上述した実施の形態1の製造方法と比較して、るつぼ1内にカーボン受け11を配置している点において異なる。このカーボン受け11は、酸化ホウ素5上に配置されている。このカーボン受け11は、蓋2やるつぼ1に吊り下げられるよう支持されていてもよく、また酸化ホウ素5の融液に浮かぶように構成されていてもよい。またカーボン受け11は、カーボン粉末は通さないが、酸化ホウ素5に起因したガス状物質を通すように構成されていることが好ましい。これにより、固体カーボン1から落下したカーボン粉末をしっかりと受けることができるとともに、ガス状物質が固体カーボン6に向けて移動する際にカーボン受け11が障害となることを防止できる。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a method for producing a carbon-added GaAs single crystal according to Embodiment 2 of the present invention. Referring to FIG. 2, the manufacturing method according to the present embodiment is different from the manufacturing method according to the first embodiment described above in that carbon receiver 11 is disposed in crucible 1. The carbon receiver 11 is disposed on the boron oxide 5. The carbon receiver 11 may be supported so as to be suspended from the lid 2 or the crucible 1, or may be configured to float in the melt of boron oxide 5. In addition, the carbon receiver 11 is preferably configured to pass a gaseous substance derived from the boron oxide 5 though no carbon powder is passed therethrough. Thereby, the carbon powder dropped from the solid carbon 1 can be received firmly, and the carbon receiver 11 can be prevented from becoming an obstacle when the gaseous substance moves toward the solid carbon 6.

なお、本実施の形態の上記以外の構成および方法については上述した実施の形態1の構成および方法とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since the configuration and method of the present embodiment other than those described above are substantially the same as the configuration and method of the first embodiment described above, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. .

本実施の形態によれば、実施の形態1と同様の作用効果が得られるとともに、カーボン受け11がるつぼ1内に設けられているため、固体カーボン6から落下したカーボン粉末が酸化ホウ素5に落下することを防止できる。よって、GaAs原料4の汚染をさらに抑制することができるとともに、GaAs単結晶中のカーボン濃度を一定にすることがさらに容易となり、カーボン濃度の再現性が良好となる。   According to the present embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and the carbon receiver 11 is provided in the crucible 1, so that the carbon powder dropped from the solid carbon 6 falls on the boron oxide 5. Can be prevented. Therefore, contamination of the GaAs raw material 4 can be further suppressed, and it becomes easier to make the carbon concentration in the GaAs single crystal constant, and the reproducibility of the carbon concentration is improved.

(実施の形態3)
図3は、本発明の実施の形態3におけるカーボン添加GaAs単結晶の製造方法の一例を説明するための図である。図3を参照して、本実施の形態の製造方法は、上述した実施の形態1の製造方法と比較して、るつぼ1、固体カーボン6などをアンプル7内に密封せずに、そのまま圧力チャンバー12内に配置している点において異なる。このため、るつぼ1、固体カーボン6などが圧力チャンバー12内の雰囲気に晒されることになる。この圧力チャンバー12内には、たとえばAr(アルゴン)やN2(窒素)などのガスが導入される。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a method for producing a carbon-added GaAs single crystal according to Embodiment 3 of the present invention. Referring to FIG. 3, the manufacturing method of the present embodiment does not seal crucible 1, solid carbon 6, etc. in ampoule 7 as it is in the pressure chamber as compared with the manufacturing method of the first embodiment described above. 12 is different in that it is disposed within the area 12. For this reason, the crucible 1 and the solid carbon 6 are exposed to the atmosphere in the pressure chamber 12. A gas such as Ar (argon) or N 2 (nitrogen) is introduced into the pressure chamber 12.

なお、本実施の形態の上記以外の構成および方法については上述した実施の形態1の構成および方法とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since the configuration and method of the present embodiment other than those described above are substantially the same as the configuration and method of the first embodiment described above, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. .

本実施の形態の製造方法は、圧力チャンバー12内にArやN2などのガスを導入し、酸化ホウ素5で封止してGaAs単結晶を成長させる方式に有効であり、実施の形態1とほぼ同じ作用効果を得られる。 The manufacturing method of the present embodiment is effective for a system in which a gas such as Ar or N 2 is introduced into the pressure chamber 12 and sealed with boron oxide 5 to grow a GaAs single crystal. Almost the same effect can be obtained.

なお、上記の実施の形態1〜3においては、III−V族化合物半導体結晶としてGaAs結晶について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他のIII−V族化合物半導体結晶の製造にも適用することができる。   In the first to third embodiments, the GaAs crystal has been described as the III-V group compound semiconductor crystal. However, the present invention is not limited to this, and other III-V group compound semiconductor crystals can be used. It can also be applied to manufacturing.

以下、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

まず、図1に示すpBN製のるつぼ1内に、方位<100>のGaAs種結晶3と、10kgの無添加のGaAs原料4と、水分含有量85質量ppmの100gの酸化ホウ素5とを入れる。このるつぼ1の上端にpBN製の蓋2を取り付け、開口径φ20mm(室温冷却後の測定値)の開口部2aの上に固体カーボン6として、グラファイト製円板を配置し、るつぼ1内を半密閉状態とする。この状態で、るつぼ1、固体カーボン6などを、内径12cmの石英製アンプル7内に気密封止する。このアンプル7を支持台8上に載せ、チャンバー内に設けられたヒータ9内に設置し、種結晶3側の温度が低くなるように温度プロファイルを調整しながら、ヒータ9の温度を上昇させ、GaAs原料4と種結晶3上部とを融解する。   First, a GaAs seed crystal 3 having an orientation <100>, 10 kg of an additive-free GaAs raw material 4, and 100 g of boron oxide 5 having a water content of 85 mass ppm are placed in a pBN crucible 1 shown in FIG. . A lid 2 made of pBN is attached to the upper end of the crucible 1, a graphite disk is placed as solid carbon 6 on the opening 2 a having an opening diameter of φ20 mm (measured value after cooling at room temperature), and the inside of the crucible 1 is half-finished. Keep sealed. In this state, the crucible 1, the solid carbon 6 and the like are hermetically sealed in a quartz ampoule 7 having an inner diameter of 12 cm. This ampoule 7 is placed on a support 8 and installed in a heater 9 provided in the chamber. While adjusting the temperature profile so that the temperature on the seed crystal 3 side is lowered, the temperature of the heater 9 is increased, The GaAs raw material 4 and the upper part of the seed crystal 3 are melted.

その後、ヒータ9の温度プロファイルを調整して種結晶3側から温度を降下させていき、GaAs原料4全体を固化させて単結晶を成長させる。そして室温まで温度を降下させた後、石英製アンプル7を切断開放して、るつぼ1からGaAs単結晶を分離する。   Thereafter, the temperature profile of the heater 9 is adjusted to lower the temperature from the seed crystal 3 side, and the entire GaAs raw material 4 is solidified to grow a single crystal. Then, after the temperature is lowered to room temperature, the quartz ampule 7 is cut open and the GaAs single crystal is separated from the crucible 1.

このようにして得られるGaAs単結晶中のカーボン濃度は4.5×1015〜5.5×1015cm-3である。 The carbon concentration in the GaAs single crystal thus obtained is 4.5 × 10 15 to 5.5 × 10 15 cm −3 .

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、カーボンが添加されたIII−V族化合物半導体結晶の製造方法に特に有利に適用され得る。   The present invention can be applied particularly advantageously to a method for producing a group III-V compound semiconductor crystal to which carbon has been added.

本発明の実施の形態1におけるカーボン添加GaAs単結晶の製造方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing method of the carbon addition GaAs single crystal in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるカーボン添加GaAs単結晶の製造方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing method of the carbon addition GaAs single crystal in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3におけるカーボン添加GaAs単結晶の製造方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing method of the carbon addition GaAs single crystal in Embodiment 3 of this invention. 特許文献1に開示されたカーボン添加GaAs単結晶の製造方法を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a method for producing a carbon-added GaAs single crystal disclosed in Patent Document 1. FIG. 特許文献2に開示されたカーボン添加GaAs単結晶の製造方法を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a method for producing a carbon-added GaAs single crystal disclosed in Patent Document 2. FIG. 非特許文献1に開示されたカーボン添加GaAs単結晶の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the carbon addition GaAs single crystal disclosed by the nonpatent literature 1. FIG. 非特許文献2に開示されたカーボン添加GaAs単結晶の製造方法を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a method for producing a carbon-added GaAs single crystal disclosed in Non-Patent Document 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 るつぼ、2 蓋、2a 開口部、3 種結晶、4 GaAs原料、5 酸化ホウ素、6 固体カーボン、7 アンプル、8 支持台、9 ヒータ、12 圧力チャンバー。   1 crucible, 2 lid, 2a opening, 3 seed crystal, 4 GaAs raw material, 5 boron oxide, 6 solid carbon, 7 ampoule, 8 support base, 9 heater, 12 pressure chamber.

Claims (13)

カーボンが添加されたIII−V族化合物半導体結晶の製造方法であって、
るつぼ内に、予備合成されたIII−V族化合物原料および水分を含有する酸化ホウ素を充填するステップと、
前記るつぼ内で蒸発した前記酸化ホウ素に起因したガス状物質と反応するように固体カーボンを前記るつぼの上面に設けられた開口部の上方に、開口部を塞ぐことにより前記るつぼを半密閉空間とするように配置するステップと、
前記固体カーボンを前記開口部の上方に配置した状態で、前記化合物原料を加熱溶融するステップと、
溶融した前記化合物原料を固化して、カーボンが添加された化合物半導体結晶を成長するステップとを備える、III−V族化合物半導体結晶の製造方法。
A method for producing a group III-V compound semiconductor crystal to which carbon has been added,
Filling a crucible with boron oxide containing a pre-synthesized III-V compound raw material and moisture ;
The crucible is formed into a semi-enclosed space by closing the opening above the opening provided on the upper surface of the crucible so that the carbon reacts with the gaseous substance caused by the boron oxide evaporated in the crucible. A step of arranging to
Heating and melting the compound raw material with the solid carbon disposed above the opening; and
And solidifying the molten compound raw material to grow a compound semiconductor crystal to which carbon is added. A method for producing a group III-V compound semiconductor crystal.
前記酸化ホウ素は10質量ppm以上200質量ppm未満の水分を含有していることを特徴とする、請求項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The boron oxide is characterized by containing a 200 ppm by weight less water than 10 mass ppm, method of producing a group III-V compound semiconductor crystal according to claim 1. 前記溶融した化合物原料を固化させて結晶成長する前に、溶融した状態で一定時間保持することを特徴とする、請求項1または2に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to claim 1 or 2 , wherein the molten compound raw material is held in a molten state for a certain period of time before solidifying and crystal growth. 前記溶融した化合物原料を溶融した状態で保持する時間は、1時間以上20時間以下であることを特徴とする、請求項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a III-V group compound semiconductor crystal according to claim 3 , wherein the time for holding the molten compound raw material in a molten state is 1 hour or more and 20 hours or less. 前記化合物原料には前記るつぼ内に充填される前に予めカーボンが添加されていることを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 4 , wherein carbon is added to the compound raw material in advance before filling the crucible into the crucible. 前記るつぼ内に充填される前の前記化合物原料の平均カーボン濃度は、0.5×1015atms・cm-3以上25×1015atms・cm-3以下であることを特徴とする、請求項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The average carbon concentration of the compound raw material before filling the crucible is 0.5 × 10 15 atms · cm −3 to 25 × 10 15 atms · cm −3. 6. A method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to 5 . 前記固体カーボンを前記開口部の上方に配置した状態で、前記化合物原料および前記酸化ホウ素が充填された前記るつぼと前記固体カーボンとを、ガス不透過性材料からなる気密性容器内に密封する工程をさらに備えたことを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 Sealing the crucible filled with the compound raw material and the boron oxide and the solid carbon in an airtight container made of a gas-impermeable material in a state where the solid carbon is disposed above the opening. The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 6 , further comprising: 前記化合物原料を加熱溶融する前に前記気密性容器内に酸化炭素ガスが予め封入されていることを特徴とする、請求項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to claim 7 , wherein carbon oxide gas is sealed in the hermetic container before the compound raw material is heated and melted. 前記化合物原料を加熱溶融する前に前記気密性容器内に予め封入されている酸化炭素ガスの圧力は、室温25℃において13.3Pa以上6666Pa以下であることを特徴とする、請求項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The pressure pre-encapsulated by which carbon dioxide gas into the airtight container before heating and melting said compound material is characterized in that at 13.3Pa than 6666Pa less at room temperature 25 ° C., according to claim 8 A method for producing a group III-V compound semiconductor crystal. 前記固体カーボンを前記開口部の上方に配置した状態で、前記化合物原料および前記酸化ホウ素が充填された前記るつぼと前記固体カーボンとを、他の容器内に密封せずにチャンバー内に配置する工程をさらに備えたことを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The step of disposing the solid carbon in the chamber without sealing the crucible filled with the compound raw material and the boron oxide and the solid carbon in a state where the solid carbon is disposed above the opening. The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 6 , further comprising: 前記固体カーボンから落下したカーボンを受けるためのカーボン受けを前記るつぼ内に配置することを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 10 , wherein a carbon receiver for receiving carbon dropped from the solid carbon is disposed in the crucible. 前記るつぼはpBNからなることを特徴とする、請求項1〜11のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The crucible is characterized in that it consists of pBN, method of producing a group III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 11. 前記III−V族化合物半導体結晶はGaAs結晶であることを特徴とする、請求項1〜12のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 Characterized in that said group III-V compound semiconductor crystal is GaAs crystal, method of producing a group III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 12.
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