JP5370393B2 - Compound semiconductor single crystal substrate - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate of a group III-V compound semiconductor single crystal having excellent quality. <P>SOLUTION: An n-type gallium arsenide substrate has an average dislocation density of less than 100 cm<SP>-2</SP>and a silicon concentration of 5&times;10<SP>16</SP>cm<SP>-3</SP>or more and less than 5&times;10<SP>17</SP>cm<SP>-3</SP>. A semi-insulating gallium arsenide substrate has an average dislocation density of less than 1,000 cm<SP>-2</SP>, a silicon concentration of less than 5&times;10<SP>15</SP>cm<SP>-3</SP>, and a specific resistance of 1&times;10<SP>3</SP>&Omega;cm or more. An n-type indium phosphide substrate has an average dislocation density of less than 100 cm<SP>-2</SP>, a sulfur concentration of 1&times;10<SP>17</SP>cm<SP>-3</SP>or more and less than 3&times;10<SP>18</SP>cm<SP>-3</SP>, or has an average dislocation density of less than 1,000 cm<SP>-2</SP>and a tin concentration of 1&times;10<SP>17</SP>cm<SP>-3</SP>or more and less than 5&times;10<SP>18</SP>cm<SP>-3</SP>. A semi-insulating indium phosphide substrate has a dislocation density of less than 1,000 cm<SP>-2</SP>and a specific resistance of 1&times;10<SP>3</SP>&Omega;cm or more, and is doped with iron. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)などの光電子分野やトランジスタなどの電子分野に利用されるGaAs、InP、GaP、InAs、GaSb、InSbなどのIII−V族化合物半導体単結晶、またはCdTeやZnSeなどのII−VI族化合物半導体単結晶の基板に関するものである。   The present invention relates to a group III-V compound semiconductor single crystal such as GaAs, InP, GaP, InAs, GaSb, and InSb used in the optoelectronic field such as a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD) and the electronic field such as a transistor. Or a substrate of a II-VI group compound semiconductor single crystal such as CdTe or ZnSe.

化合物半導体単結晶としては、たとえば、ヒ化ガリウム(GaAs)、リン化ガリウム(GaP)、ヒ化インジウム(InAs)、リン化インジウム(InP)などのIII−V族化合物半導体単結晶、さらにテルル化カドミウム(CdTe)、セレン化亜鉛(ZnSe)などのII−VI族化合物半導体単結晶があげられる。   Examples of compound semiconductor single crystals include III-V group compound semiconductor single crystals such as gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), indium arsenide (InAs), indium phosphide (InP), and tellurium II-VI group compound semiconductor single crystals such as cadmium (CdTe) and zinc selenide (ZnSe) can be given.

これらの化合物半導体単結晶は、従来、水平ブリッジマン法(HB法)、液体封止引上げ法(LEC法)、垂直ブリッジマン法(VB法)、垂直温度勾配凝固法(VGF法)、VB法とVGF法を併用する方法などのさまざまな工業的方法により製造されている。これらのうちでVB法とVGF法(それらを併用する方法を含む)は、他の製法では製造することができない低転位密度の結晶を製造できるので、近年特に注目を集めている。   These compound semiconductor single crystals have been conventionally used in the horizontal Bridgman method (HB method), the liquid sealing pulling method (LEC method), the vertical Bridgman method (VB method), the vertical temperature gradient solidification method (VGF method), and the VB method. And various industrial methods such as a method using the VGF method together. Among these, the VB method and the VGF method (including methods using them in combination) have attracted particular attention in recent years because they can produce crystals with a low dislocation density that cannot be produced by other production methods.

VB法は、たとえば非特許文献1に記載されているように、化合物半導体原料を収容した坩堝をヒータなどの加熱手段を有する炉内に設置して原料を融解したのち、加熱手段を上昇させるか坩堝を下降させることによって、坩堝の下端に設置した種結晶側から融液を固化させることによって単結晶を成長させる方法である。坩堝には、一般に熱分解窒化ホウ素(pBN)や石英などの材料が使用される。これに対して、VGF法は、たとえば特許文献1に記載されているように、加熱手段と坩堝の位置関係を固定し、加熱手段の温度プロファイルを変化させることによって、種結晶側から温度を降下させて単結晶を成長させる方法である。   In the VB method, for example, as described in Non-Patent Document 1, a crucible containing a compound semiconductor raw material is placed in a furnace having a heating means such as a heater and the raw material is melted, and then the heating means is raised. This is a method for growing a single crystal by lowering the crucible and solidifying the melt from the seed crystal side installed at the lower end of the crucible. A material such as pyrolytic boron nitride (pBN) or quartz is generally used for the crucible. On the other hand, in the VGF method, as described in Patent Document 1, for example, the positional relationship between the heating means and the crucible is fixed, and the temperature profile of the heating means is changed to lower the temperature from the seed crystal side. This is a method for growing a single crystal.

ヒ化ガリウム(GaAs)、リン化ガリウム(GaP)、リン化インジウム(InP)、ヒ化インジウム(InAs)などのIII−V族化合物半導体やテルル化カドミウム(CdTe)、セレン化亜鉛(ZnSe)などのII−VI族化合物半導体のVB法やVGF法による単結晶成長では、高蒸気圧成分の解離蒸発を防ぐ必要がある。そこで、原料の入った坩堝を石英アンプルに封入密閉してアンプル内の蒸気圧をコントロールする方法や、高耐圧のステンレス製チャンバ内で原料融液表面を酸化ホウ素(B23)などの液体封止剤で覆って、さらにアルゴンガスや窒素ガスで加圧封止することによって高蒸気圧成分が原料融液から解離蒸発するのを抑制する方法などが行われている。 III-V compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), indium phosphide (InP), indium arsenide (InAs), cadmium telluride (CdTe), zinc selenide (ZnSe), etc. In the single crystal growth of II-VI group compound semiconductors by the VB method or the VGF method, it is necessary to prevent dissociative evaporation of high vapor pressure components. Therefore, the crucible containing the raw material is sealed in a quartz ampule to control the vapor pressure in the ampule, or the surface of the raw material melt in a high pressure stainless steel chamber is made of a liquid such as boron oxide (B 2 O 3 ). A method of suppressing dissociation and evaporation of a high vapor pressure component from a raw material melt by covering with a sealing agent and further pressure-sealing with argon gas or nitrogen gas is performed.

特表2002−540051号公報Special Table 2002-540051 特開平5−124887号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-124877

干川圭吾、半導体研究35、化合物半導体の結晶育成と評価その6(工業調査会、1991年発行)Akira Hikawa, Semiconductor Research 35, Crystal Growth and Evaluation of Compound Semiconductors 6 (Industry Research Committee, published in 1991) T. Kawase, M. Tatsumi and T. Nishida, Crystal Growth Technology, Edited by H. J. Scheel and T. Fukuda, 2003 John Wiley & Sons, Ltd., p364-365.T. Kawase, M. Tatsumi and T. Nishida, Crystal Growth Technology, Edited by H. J. Scheel and T. Fukuda, 2003 John Wiley & Sons, Ltd., p364-365.

VB法やVGF法などのように、縦型の単結晶成長用容器に化合物半導体の種結晶と原料を収容し、加熱手段によって原料と種結晶の一部を融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製し、そして種結晶の未融解部分から原料融液側に向けて結晶成長させる単結晶の製造方法では、原料融液を融点より高温にして、融点温度位置に沿って形成される固液界面から種結晶側に向かって温度が低くなるように温度勾配が形成される。   As in the VB method and the VGF method, a compound semiconductor seed crystal and raw material are accommodated in a vertical single crystal growth vessel, and a part of the raw material and seed crystal are melted by heating means to substantially achieve stoichiometry. In the manufacturing method of a single crystal in which a raw material melt adjusted to the composition is prepared and crystal growth is performed from the unmelted portion of the seed crystal toward the raw material melt side, the raw material melt is set to a temperature higher than the melting point, and the melting point temperature position is set. A temperature gradient is formed such that the temperature decreases from the solid-liquid interface formed along the seed crystal toward the seed crystal.

非特許文献2では、固液界面で発生する凝固潜熱をQL、固液界面から結晶側へ流出する熱流束をQOUT、融液側から固液界面へ流入する熱流束をQIN、固液界面近傍において結晶側面から結晶に流入する熱流束をQRで表す時、固液界面の形状は下記(1)式の熱流束バランスに依存し、固液界面の形状はQR>0の時に融液側に向かって凸形状になってQR<0の時に凹形状になると記載されている。化合物半導体の結晶成長においては、固液界面の形状が凹になればリニエジ(転位列)などの結晶欠陥が発生することが知られている。非特許文献2においては、固液界面の形状はできるだけ平坦にすることが好ましいとされ、下記式(2)の関係を満足させることによって固液界面が融液側へ凸になるように(凹化しないように)、QL、QIN、およびQOUTを調整する必要があると記載されている。また、「成長速度を小さくすることによって固化潜熱QLを減少させることは、凸形状の固液界面の実現に有効であるが、結晶の生産性を低下させるという欠点がある。したがって、QINとQOUTを調整することによって、凸形状の固液界面を実現するのが好ましい。」と記載されている。具体的には、QINを小さくするかQOUTを大きくする必要がある。
R = QOUT −(QL + QIN) (1)
R = QOUT −(QL + QIN) > 0 (2)
融液の温度を融点より高温に保ったまま結晶成長を行う従来の方法では、QINを小さくすることには限界があるので、結晶側の温度勾配大きくすることによってQOUTを大きくして、(2)式の関係を満足させる必要がある。非特許文献2ではLEC法における熱流束バランスが示されているが、VB法やVGF法においては固体と液体の配置が上下反対になっているだけで、熱流束バランスに関する考え方は同じである。
In Non-Patent Document 2, the solidification latent heat generated at the solid-liquid interface is Q L , the heat flux flowing from the solid-liquid interface to the crystal side is Q OUT , and the heat flux flowing from the melt side to the solid-liquid interface is Q IN , when representing the heat flux flowing from the crystal side to the crystal in the liquid near the interface with Q R, the shape of the solid-liquid interface is dependent on the heat flux balance equation (1), the solid-liquid interface shape of Q R> 0 It is sometimes described as convex toward the melt side and concave when Q R <0. In the crystal growth of compound semiconductors, it is known that crystal defects such as lineage (dislocation arrays) occur if the shape of the solid-liquid interface becomes concave. In Non-Patent Document 2, it is preferable to make the shape of the solid-liquid interface as flat as possible. By satisfying the relationship of the following formula (2), the solid-liquid interface is convex toward the melt side (concave Q L , Q IN , and Q OUT need to be adjusted. Also, reducing the solidified latent heat Q L by reducing the "growth rate is effective to realize a solid-liquid interface of the convex, it has the disadvantage of reducing the productivity of crystals. Therefore, Q IN By adjusting QOUT and QOUT, it is preferable to realize a convex solid-liquid interface. " Specifically, it is necessary to reduce Q IN or increase Q OUT .
Q R = Q OUT − (Q L + Q IN ) (1)
Q R = Q OUT − (Q L + Q IN )> 0 (2)
In the conventional method in which crystal growth is performed while maintaining the temperature of the melt at a temperature higher than the melting point, there is a limit to reducing Q IN , so that Q OUT is increased by increasing the temperature gradient on the crystal side, It is necessary to satisfy the relationship of the formula (2). Non-Patent Document 2 shows the heat flux balance in the LEC method. However, in the VB method and the VGF method, only the arrangement of the solid and the liquid is opposite to each other, and the idea regarding the heat flux balance is the same.

化合物半導体結晶の低転位密度化は、結晶品質上の重要な課題である。また、結晶の成長速度が速いほど製造コストを低くできるので、成長速度の増加も結晶製造における重要な課題である。ところが従来の製法では、低転位密度化と成長速度の増加という2つの条件を同時に満足させることは不可能であった。その理由は、以下のように考えられる。   Lowering the dislocation density of compound semiconductor crystals is an important issue in terms of crystal quality. In addition, since the higher the growth rate of the crystal, the lower the manufacturing cost can be. Therefore, an increase in the growth rate is also an important issue in crystal production. However, in the conventional manufacturing method, it was impossible to satisfy the two conditions of lowering the dislocation density and increasing the growth rate at the same time. The reason is considered as follows.

すなわち、結晶成長速度を大きくするほど固化潜熱QLの単位時間あたりの発生量が大きくなるので、適正な固液界面形状を維持しながら結晶成長させるためにはQOUTを大きくすることが必要になる。QOUTを大きくするためには結晶の縦方向の温度勾配を大きくする必要があるが、このことは結晶内部に大きな熱応力を生じさせる。結晶内部に生じた熱応力は転位を発生または増殖させて、結晶の転位密度を増加させるので、転位密度を低減させることは不可能である。また、QOUTの増加には限界があるので、適正な固液界面形状を維持しながら結晶成長速度を大きくすることは不可能である。さらに、単位時間当たりの固化潜熱発生量が大きい大口径の結晶成長では、このような転位密度や成長速度の制約が特に顕著になると考えられる。直径100mmのGaAs結晶の成長速度と転位密度の関係では、たとえば成長速度4mm/hの場合の転位密度は2,000〜5,000cm-2であるが、成長速度8mm/hの場合の転位密度は20,000〜50,000cm-2である。また、直径150mmのGaAs結晶の成長速度と転位密度の関係では、たとえば成長速度3mm/hの場合の転位密度は3,000〜10,000cm-2であるが、成長速度6mm/hの場合の転位密度は30,000〜100,000cm-2である。 That is, as the crystal growth rate is increased, the amount of solidification latent heat Q L generated per unit time increases, so that it is necessary to increase Q OUT in order to grow crystals while maintaining an appropriate solid-liquid interface shape. Become. In order to increase Q OUT , it is necessary to increase the temperature gradient in the longitudinal direction of the crystal, which causes a large thermal stress inside the crystal. Since the thermal stress generated in the crystal generates or propagates dislocations and increases the dislocation density of the crystal, it is impossible to reduce the dislocation density. Also, since there is a limit to the increase in Q OUT , it is impossible to increase the crystal growth rate while maintaining an appropriate solid-liquid interface shape. Furthermore, it is considered that such restrictions on dislocation density and growth rate are particularly noticeable in large-diameter crystal growth with a large amount of latent heat generation per unit time. In relation to the growth rate and dislocation density of a GaAs crystal having a diameter of 100 mm, for example, the dislocation density at a growth rate of 4 mm / h is 2,000 to 5,000 cm −2 , but the dislocation density at a growth rate of 8 mm / h. Is from 20,000 to 50,000 cm −2 . Further, regarding the relationship between the growth rate and dislocation density of a GaAs crystal having a diameter of 150 mm, for example, the dislocation density is 3,000 to 10,000 cm −2 when the growth rate is 3 mm / h, but the growth rate is 6 mm / h. The dislocation density is 30,000 to 100,000 cm -2 .

本発明者は、VB法やVGF法などによって、縦型の単結晶成長用容器に化合物半導体の種結晶と原料を収容し、加熱手段によって原料と種結晶の一部を融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製し、種結晶の未融解部分から原料融液側に向かって結晶成長させる単結晶の製造方法において、原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にしてもその融液内に新たな固化相が発生しないことを見出した。さらに、原料融液の一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして種結晶の未融解部分から融液側に向かって結晶成長を進行させたところ、融液内に新たな孤立した固化相を発生させることなく種結晶から融液の最上部まで一方向に結晶成長が進行して、結晶粒界のない完全な単結晶を成長させ得ることを見出した。   The inventor stores the seed crystal and raw material of the compound semiconductor in a vertical single crystal growth vessel by the VB method or the VGF method, and substantially melts the raw material and a part of the seed crystal by heating means. In a method for producing a single crystal in which a raw material melt adjusted to a stoichiometric composition is prepared and crystal growth is performed from the unmelted portion of the seed crystal toward the raw material melt side, at least a part of the raw material melt is brought into a melt state. It was found that a new solidified phase does not occur in the melt even when the temperature is lower than the melting point while keeping it. Furthermore, when a part of the raw material melt was kept in the melt state and the temperature was lower than the melting point, and crystal growth proceeded from the unmelted portion of the seed crystal toward the melt side, new isolation was found in the melt. It has been found that crystal growth proceeds in one direction from the seed crystal to the top of the melt without generating a solidified phase, and a complete single crystal without a grain boundary can be grown.

本発明者はまた、このように原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にすることによって、結晶成長軸方向の温度勾配を従来以上に小さくして結晶成長させ得ることを見出し、さらにその結果として、従来の製法では実現不可能であった非常に転位密度の低い結晶を成長させ得ることを見出した。また、このように温度勾配を小さくした場合においても、なお従来以上に速い速度で単結晶を成長させ得ることを見出した。すなわち、結晶側の温度勾配を小さくして結晶側への放熱量を減らしても固液界面形状を適正な形状に維持することができ、リニエジなどの結晶欠陥を発生させることなく大きな成長速度で単結晶を育成し得ることを見出したのである。   The present inventor can also grow a crystal with a smaller temperature gradient in the direction of the crystal growth axis than before, by lowering the temperature from the melting point while maintaining at least a part of the raw material melt in the melt state. Further, as a result, it was found that crystals with a very low dislocation density that could not be realized by the conventional production method can be grown. Further, it has been found that even when the temperature gradient is reduced in this way, a single crystal can be grown at a faster rate than before. In other words, even if the temperature gradient on the crystal side is reduced and the heat radiation to the crystal side is reduced, the solid-liquid interface shape can be maintained in an appropriate shape, and at a high growth rate without causing crystal defects such as lineage. They found that single crystals could be grown.

実質的に化学量論組成に調整した原料融液の少なくとも一部を融点以下の温度にすれば、融点以下の温度の部分は固化すると考えるのが一般的である。融液が融点よりも低温の状態になることを“過冷却状態”という。過冷却状態にある融液の温度と融点との差を“過冷却度”と呼ぶ。通常、過冷却度はゼロに近く、固体と液体の界面はほぼ融点温度に等しいと考えてよい。しかし、本願発明者は、化合物半導体、たとえばヒ化ガリウム(GaAs)、リン化ガリウム(GaP)、ヒ化インジウム(InAs)、リン化インジウム(InP)などのIII−V族化合物半導体、さらにはテルル化カドミウム(CdTe)、セレン化亜鉛(ZnSe)などのII−VI族化合物半導体の単結晶成長においては、原料融液部分を過冷却状態にしても固化相が容易には発生しないことを見出した。このように、融液の状態を保ったままで融点より低温にしても、融液内に新たな固化相が発生しない理由は、以下のように考えられる。   Generally, it is generally considered that if at least a part of the raw material melt substantially adjusted to the stoichiometric composition is brought to a temperature below the melting point, the part below the melting point is solidified. The state where the melt becomes lower than the melting point is called “supercooled state”. The difference between the temperature and the melting point of the melt in the supercooled state is called “the degree of supercooling”. Usually, the degree of supercooling is close to zero, and the solid-liquid interface may be considered to be approximately equal to the melting point temperature. However, the present inventors have found that compound semiconductors, such as III-V group compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), indium arsenide (InAs), indium phosphide (InP), and tellurium In the single crystal growth of II-VI group compound semiconductors such as cadmium iodide (CdTe) and zinc selenide (ZnSe), it was found that a solidified phase does not easily occur even if the raw material melt portion is supercooled. . Thus, the reason why a new solidified phase does not occur in the melt even when the temperature is lower than the melting point while maintaining the state of the melt is considered as follows.

融液内に固化相を出現させるためには、融液内に結晶核を発生させるために必要な条件を満足させる必要がある。その条件の一つが融液の温度であり、融液温度が低いほど結晶核が発生し易い。しかし、偶然に結晶核の前段階であるエンブリオ(萌芽)が発生しても、その大きな表面エネルギーのために大部分は消失してしまう。原料融液を過冷却状態にしても、容易には融液内に新たな固化相が発生しないのは、このような結晶核発生のメカニズムと密接な関係があると考えられる。既に固相が存在する場合、たとえば種結晶を用いて単結晶を成長させるような場合には、新たな結晶核を発生させる必要がないので大きな過冷却状態は生じないと考えられる。   In order for the solidified phase to appear in the melt, it is necessary to satisfy the conditions necessary for generating crystal nuclei in the melt. One of the conditions is the temperature of the melt, and the lower the melt temperature, the more easily crystal nuclei are generated. However, even if the embryo, which is the previous stage of the crystal nucleus, is accidentally generated, most of it disappears due to its large surface energy. Even if the raw material melt is in a supercooled state, the fact that a new solidified phase is not easily generated in the melt is considered to be closely related to such a mechanism of crystal nucleus generation. In the case where a solid phase already exists, for example, when a single crystal is grown using a seed crystal, it is not necessary to generate a new crystal nucleus, so that it is considered that a large supercooling state does not occur.

融液中において、結晶核は、通常はその融液を収容している容器の内壁上に発生し易い。これは融液内部に結晶核が3次元的に発生する場合に比べて、容器壁に付着するように2次元的に発生する方が結晶核の表面エネルギーが小さくなり、核が安定成長し易いからである。したがって容器壁に結晶核が発生する場合の過冷却度の大きさは、容器壁の状態に大きく依存すると考えられる。本発明者は、縦型の単結晶成長用容器として熱分解窒化ホウ素(pBN)製容器を用いた場合に、容器壁に結晶核が発生しにくくて大きな過冷却度を実現し易いこと、またその容器と融液の間に酸化ホウ素の被膜が介挿されている場合に、さらに大きな過冷却度が実現できることを見出した。本発明者が行った実験では、pBN製の容器を用いた場合、融液の温度を融点よりも50℃以上低下させても融液中に新たな固化相が発生しなかった。また、pBN製容器と原料融液の間に酸化ホウ素の被膜が介挿されている場合には、融液の温度を融点よりも100℃以上低下させても融液中に新たな固化相が発生しなかった。このように、本発明者は、化合物半導体の原料融液を過冷却状態にしても固化相が発生しない条件を見出して本発明に至ったのである。   In the melt, crystal nuclei usually tend to be generated on the inner wall of the container containing the melt. Compared with the case where crystal nuclei are generated three-dimensionally in the melt, the surface energy of the crystal nuclei is smaller when generated two-dimensionally so as to adhere to the vessel wall, and the nuclei are more likely to grow stably. Because. Therefore, it is considered that the degree of supercooling when crystal nuclei are generated on the container wall largely depends on the state of the container wall. The present inventor, when using a pyrolytic boron nitride (pBN) container as a vertical single crystal growth container, it is difficult to generate crystal nuclei on the container wall, and it is easy to realize a large degree of supercooling. It has been found that a greater degree of supercooling can be achieved when a boron oxide coating is interposed between the vessel and the melt. In the experiment conducted by the present inventors, when a pBN container was used, no new solidified phase was generated in the melt even when the temperature of the melt was lowered by 50 ° C. or more from the melting point. In addition, when a boron oxide film is interposed between the pBN container and the raw material melt, a new solidified phase is formed in the melt even if the temperature of the melt is lowered by 100 ° C. or more from the melting point. Did not occur. Thus, the present inventor has found the condition that does not generate a solidified phase even when the raw material melt of the compound semiconductor is supercooled, and has reached the present invention.

非特許文献2と同様に本発明における固液界面近傍の熱流束バランスを考えれば、以下のように理解することができる。上述したように、従来の方法では固液界面の形状は(1)式の熱流束バランスに依存し、(2)式または(2)式を変形して得られる下記(2a)式の関係を満足するようにQL、QOUT、およびQINをコントロールする必要がある。
OUT > QL + QIN (2a)
ここで、従来では融液の温度が融点よりも高く、熱は融液側から固液界面に向かって流れるのでQIN>0である。結晶成長速度を大きくすれば、単位時間あたりに生じる固化潜熱QLの値が大きくなるので、QOUTの値を大きくする必要がある。QOUT値を大きくするためには結晶の縦方向の温度勾配を大きくする必要があるので、結晶内部に大きな熱応力が生じて転位密度が増大する。
Considering the heat flux balance in the vicinity of the solid-liquid interface in the present invention as in Non-Patent Document 2, it can be understood as follows. As described above, in the conventional method, the shape of the solid-liquid interface depends on the heat flux balance of the equation (1), and the relationship of the following equation (2a) obtained by modifying the equation (2) or (2): Q L , Q OUT , and Q IN need to be controlled to satisfy.
Q OUT > Q L + Q IN (2a)
Here, conventionally, the temperature of the melt is higher than the melting point, and since heat flows from the melt side toward the solid-liquid interface, Q IN > 0. If the crystal growth rate is increased, the value of the solidification latent heat Q L generated per unit time increases, so the value of Q OUT needs to be increased. In order to increase the Q OUT value, it is necessary to increase the temperature gradient in the longitudinal direction of the crystal, so that a large thermal stress is generated inside the crystal and the dislocation density increases.

本発明では、融液の少なくとも一部を過冷却状態にする。このような過冷却融液の温度は融点よりも低いので、固液界面近傍から熱を取り去るように作用する。すなわち、本発明の方法においては、固液界面から流出する熱流束として、結晶側へ流出する熱流束QOUT(SOLID)>0の他に、融液側へ流出する熱流束QOUT(LIQUID)>0が存在する。固液界面では固化潜熱QLが発生するから、固液界面近傍では、下記式(3)のような熱バランスが成り立つ。
R = QOUT(SOLID) + QOUT(LIQUID)− QL (3)
安定した固液界面形状を実現するための条件は、下記(4)式のようになる。
R = QOUT(SOLID) + QOUT(LIQUID)− QL > 0 (4)
式(4)を変形して得られる下記(4a)式が、適正な固液界面形状を維持するための必要条件である。
OUT(SOLID) + QOUT(LIQUID) > QL (4a)
式(2a)と式(4a)の比較から明らかなように、従来の方法では固化潜熱を結晶側へ奪うだけであったが、本発明の方法では固化潜熱を結晶側のみならず融液側にも奪うことができる。融液の熱伝導率は結晶の熱伝導率より数倍大きいうえ、自然対流や強制対流によって熱が効率良く低温部へ運ばれ得るので、結晶側よりもはるかに大きな放熱効果が得られる。本発明では、このような融液側への効果的な放熱効果を利用することによって、結晶側への熱流束QOUT(SOLID)を小さく抑えることができるので、従来の方法よりもはるかに小さな温度勾配の下で結晶成長させ得ると考えられる。実際の熱流束バランスはもっと複雑であり、式(1)、(2)、(2a)、(3)、(4)、および(4a)のような簡易な式で表現することはできなが、定性的には以上のように説明することができる。
In the present invention, at least a part of the melt is brought into a supercooled state. Since the temperature of such a supercooled melt is lower than the melting point, it acts to remove heat from the vicinity of the solid-liquid interface. That is, in the method of the present invention, as the heat flux flowing out from the solid-liquid interface, in addition to the heat flux Q OUT (SOLID) > 0 flowing out to the crystal side, the heat flux Q OUT (LIQUID) flowing out to the melt side > 0 exists. Since solidification latent heat Q L is generated at the solid-liquid interface, a thermal balance as shown in the following formula (3) is established near the solid-liquid interface.
Q R = Q OUT (SOLID) + Q OUT (LIQUID) – Q L (3)
Conditions for realizing a stable solid-liquid interface shape are as shown in the following equation (4).
Q R = Q OUT (SOLID) + Q OUT (LIQUID) -Q L > 0 (4)
The following equation (4a) obtained by transforming equation (4) is a necessary condition for maintaining an appropriate solid-liquid interface shape.
Q OUT (SOLID) + Q OUT (LIQUID) > Q L (4a)
As is clear from the comparison between the formula (2a) and the formula (4a), the conventional method only takes the latent heat of solidification to the crystal side, but the method of the present invention not only absorbs the latent heat of solidification to the crystal side. Can also take away. The thermal conductivity of the melt is several times larger than the thermal conductivity of the crystal, and heat can be efficiently transferred to the low temperature part by natural convection or forced convection, so that a much larger heat dissipation effect than that of the crystal side can be obtained. In the present invention, by utilizing such an effective heat dissipation effect on the melt side, the heat flux Q OUT (SOLID) on the crystal side can be kept small, so that it is much smaller than the conventional method. It is considered that crystals can be grown under a temperature gradient. The actual heat flux balance is more complicated and cannot be expressed by simple equations such as equations (1), (2), (2a), (3), (4), and (4a). Qualitatively, it can be explained as above.

また、このような融液側への大きな放熱効果を利用することによって、従来の常識では考えられなかった大きな結晶成長速度においても、適正な固液界面形状を維持しながら高品質の結晶を成長させることが可能になった。さらに、従来法では不可能と考えられていた直径200mmの超大型の化合物半導体結晶に関しても、低転位密度化や成長速度の高速化が可能なことが明らかになった。   Also, by utilizing such a large heat dissipation effect on the melt side, high-quality crystals can be grown while maintaining an appropriate solid-liquid interface shape even at a large crystal growth rate that could not be considered by conventional common sense. It became possible to make it. Furthermore, it has been clarified that an ultra-large compound semiconductor crystal having a diameter of 200 mm, which was considered impossible by the conventional method, can be reduced in dislocation density and increased in growth rate.

ところで、特許文献2には融液内の対流を抑制する方法が提案されており、その段落[0011]内の第13行から第17行には「固液界面位置制御用ヒータ1と融液形成用ヒータ2との間には、寸法l=約20mmの隙間14が設けてあり、温度分布の谷TL(=約1233〜1237℃)を形成している。」と記載されており、その図1にはその概念図が示されている。このように、特許文献2にはあたかもGaAs融液の温度を融点(m.p.=1238℃)以下にしているかのような記載があるが、これはそのような意味ではない。特許文献2の一部の記載を以下に引用する。 By the way, Patent Document 2 proposes a method for suppressing convection in the melt. The 13th to 17th lines in the paragraph [0011] include “the solid-liquid interface position control heater 1 and the melt. A gap 14 having a dimension l = about 20 mm is provided between the forming heater 2 and a valley T L of temperature distribution (= about 1233 to 1237 ° C.) is formed ”. The conceptual diagram is shown in FIG. As described above, Patent Document 2 has a description as if the temperature of the GaAs melt is lower than the melting point (mp = 1238 ° C.), but this does not mean that. A part of the description of Patent Document 2 is cited below.

「[0003][発明が解決しようとする課題]前述したように従来の垂直ブリッジマン法は、固液界面部10より上部の高温域21の温度分布は固液界面10より除々に温度が高くなる分布を使用しているため、融液6の対流(矢印で示す)が固液界面10位置まで影響を及ぼす。従って、図3(B)に示すように固液界面形状9は、種結晶8の反対の融液方向(矢印a)に対し凹面になりがちであった。その結果、(1)坩堝壁から欠陥を取込みやすく単結晶収率が悪い、(2)成長速度を遅くさせざるをえない(たとえば1〜3mm/h)、という欠点があった。」、「[0004]本発明の目的は、融液の対流が固液界面に影響を及ぼすのを防ぐバッファゾーンを設けることによって、前記した従来技術の欠点を解消し、・・・」、「[0009][作用]界面加熱部と高温加熱部との間を広げるなどして、これらの間に温度分布の谷を形成する隙間や冷却手段を設けると、融液内の対流が上下で遮断され、しかも温度勾配が0℃/cmとなることにより、固液界面形状が融液方向に凸になり、単結晶収率が向上する。これは、従来は凸にするために成長速度を抑えていたことから、実質的には成長速度が速くなることを意味する。[0010]温度分布の谷部と固液界面との距離LをL≧0.5dとしたのは、L<0.5dの場合は温度分布の谷部を設けても、融液の対流が固液界面まで達してしまうため、有効ではないからである。また、L≦2dとしたのは、L>2dの場合は、融液の高さが高すぎるため、その間の融液の軸方向の温度匂配を0℃/cmに保つのは難しくなり、温度の谷部と固液界面の中間部で新たな対流を形成したり、温度の谷部の温度を下げすぎて、その部分で融液が固化してしまうという様な不具合の発生する確率が高くなるからである。好ましくは、実用的に安定しているL=約dとするのがよい。・・・」
以上の記載から明らかなように、特許文献2では、融液を過冷却にすることが提案されているわけではない。特許文献2、段落[0010]、第8行から第10行の「・・・温度の谷部の温度を下げすぎて、その部分で融液が固化してしまうという様な不具合の発生する確率が高くなるからである。・・・」という記載は明らかに、「融液の温度を下げすぎると、融液の温度が融点よりも低くなって、その部分で融液が固化してしまうという様な不具合の発生する確率が高くなる。」と述べているのである。
“[0003] [Problems to be Solved by the Invention] As described above, in the conventional vertical Bridgman method, the temperature distribution in the high-temperature region 21 above the solid-liquid interface 10 is gradually higher than that in the solid-liquid interface 10. 3 is used, the convection of the melt 6 (indicated by an arrow) affects the position of the solid-liquid interface 10. Accordingly, as shown in FIG. It tends to be concave with respect to the melt direction (arrow a) opposite to 8. As a result, (1) defects are easily taken from the crucible wall and the single crystal yield is poor, and (2) the growth rate must be slowed down. "[0004] The object of the present invention is to provide a buffer zone that prevents the convection of the melt from affecting the solid-liquid interface." By eliminating the disadvantages of the prior art described above, ... ", [0009] [Action] If the gap between the interface heating part and the high-temperature heating part is widened to provide a gap or a cooling means for forming a temperature distribution valley between them, the convection in the melt is blocked vertically. In addition, since the temperature gradient becomes 0 ° C./cm, the solid-liquid interface shape becomes convex in the melt direction, and the single crystal yield is improved. [0010] The distance L between the valley of the temperature distribution and the solid-liquid interface is L ≧ 0.5d because L <0. In the case of 5d, it is not effective because the convection of the melt reaches the solid-liquid interface even if the valley of the temperature distribution is provided, and L ≦ 2d is set when L> 2d. Because the melt height is too high, the temperature scent of the melt in the meantime is kept at 0 ° C / cm. Occurrence of problems such as the formation of new convection in the middle of the temperature valley and the solid-liquid interface, or too low temperature in the temperature valley, causing the melt to solidify in that area. It is preferable that L = about d, which is practically stable .... "
As is clear from the above description, Patent Document 2 does not suggest that the melt is supercooled. Patent Document 2, Paragraph [0010], Lines 8 to 10: "... Probability of occurrence of such a problem that the temperature of the valley of the temperature is lowered too much and the melt is solidified at that part. It is clear that the description of “...” clearly indicates that if the temperature of the melt is lowered too much, the temperature of the melt becomes lower than the melting point, and the melt is solidified at that portion. The probability that such troubles will occur is high. "

さらに、特許文献2におけるTLがヒータの温度であることは、その図1において炉内温度分布18(図1(B))がヒータの長さ分だけ示されていること、すなわち種結晶8よりも下側の空間部分にも温度分布が示されていることからも明らかである。このように、ヒータの温度を部分的に融点以下にしても、融液の温度は融点以下になるわけではない。坩堝4の設置された部分の温度は、温度の高い部分からの強い輻射熱を受けるので、融点よりも高い温度になるのが一般的である。 Further, TL in Patent Document 2 is the heater temperature. In FIG. 1, the furnace temperature distribution 18 (FIG. 1B) is shown by the length of the heater, that is, the seed crystal 8. It is clear from the fact that the temperature distribution is also shown in the lower space portion. Thus, even if the temperature of the heater is partly below the melting point, the temperature of the melt does not become below the melting point. Since the temperature of the part where the crucible 4 is installed receives strong radiant heat from the part where the temperature is high, the temperature is generally higher than the melting point.

特許文献2のTLの温度ついて、その段落[0011]の実施例1において「L=約d」(段落[0011]中の最終行)の場合に、段落[0011]中の第16行に「谷TL(=約1233〜1237℃)」と記載されているものの、段落[0014]の実施例3では「L=約2dにした以外は、実施例1と同一条件で成長を行った。その結果、TLの温度を1237℃近辺にしないと、その付近の融液が固化しやすく、成長の継続が困難になることが多かった。そのため、TLを1238〜1239℃に上げて成長を行ったところ、今度は融液の対流が大きくなり、成長条件が不安定になることがわかった。但し、TL=約1237℃で融液が固化しなかった場合は単結晶が得られた。・・・」と記載され、TL=約1237℃でも融液の固化が起こることが述べられている。特許文献2、段落[0011]、第11行に「融点(m.p.=1238℃)」と記載されているので、「TL=約1237℃」は融点よりも1℃低いだけである。図1(B)のヒータの温度分布の谷部を1237℃近辺に設定した場合、融液の温度が1238℃以上になるというのは、当業者の常識である。このような事実と、特許文献2、段落[0014]、第2行から第3行における「その結果、TLの温度を1237℃近辺にしないと、その付近の融液が固化しやすく、成長の継続が困難になることが多かった。」という記載を考慮すれば、特許文献2は、融液を融点以下の温度にすれば融液が固化して単結晶が得られなくなるので「融液を融点以下の温度にしてはならない。」と考えていることが明白である。 Regarding the temperature of T L in Patent Document 2, in the case of “L = about d” (the last line in the paragraph [0011]) in Example 1 of the paragraph [0011], the temperature is changed to the 16th line in the paragraph [0011]. Although described as “valley T L (= about 1233 to 1237 ° C.)”, Example 3 in paragraph [0014] was grown under the same conditions as Example 1 except that “L = about 2d”. As a result, if the temperature of T L is not set to around 1237 ° C., the melt in the vicinity tends to solidify and it is often difficult to continue the growth, so that T L is raised to 1238 to 1239 ° C. As a result of the growth, it was found that the convection of the melt became large and the growth conditions became unstable, but a single crystal was obtained when the melt did not solidify at T L = about 1237 ° C. obtained. is described as ... ", the T L = about 1237 ℃ even melt Of it it is stated that occurs. Since Patent Document 2, paragraph [0011], line 11 describes “melting point (mp = 1238 ° C.)”, “ TL = about 1237 ° C.” is only 1 ° C. lower than the melting point. . It is common knowledge of those skilled in the art that when the valley of the temperature distribution of the heater in FIG. 1B is set around 1237 ° C., the temperature of the melt is 1238 ° C. or higher. Such a fact and Patent Document 2, paragraph [0014], lines 2 to 3, “As a result, if the temperature of T L is not set to around 1237 ° C., the melt in the vicinity tends to solidify and grow. In view of the description that “it was often difficult to continue”, Patent Document 2 describes that if the melt is brought to a temperature below the melting point, the melt is solidified and a single crystal cannot be obtained. Should not be below the melting point. "

他方、本発明では、縦型の単結晶成長用容器に種結晶と原料を収容し、加熱手段によって原料と種結晶の一部を融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製し、種結晶の未融解部分から原料融液側に向けて結晶成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって結晶成長を進行させる。また本発明では、原料融液の最上部を融点より低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって結晶成長を進行させることができる。このように融液の最上部で冷却された温度の低い融液は対流によって運ばれて融液側へ流出する熱流束QOUT(LIQUID)を増加させ、固化潜熱QLを効果的に奪う。ただし、融液の深さが非常に大きい場合には、融液対流が乱れて結晶成長が不安定になる場合が考えられる。そこで、本発明では、原料融液の温度がほぼ均一になるような温度分布を形成して、種結晶の未融解部分から融液側に向かって固化を進行させる。このように、融液の温度をほぼ均一にすることによって、深い融液においても、安定した結晶成長を実現することができる。 On the other hand, in the present invention, a raw material melt in which a seed crystal and a raw material are housed in a vertical single crystal growth vessel and a part of the raw material and the seed crystal are melted by a heating means to be substantially adjusted to a stoichiometric composition. In the method for producing a compound semiconductor single crystal in which crystal growth is performed from the unmelted portion of the seed crystal toward the raw material melt side, at least a part of the raw material melt is kept at a temperature lower than the melting point while keeping the molten state. The crystal growth proceeds from the unmelted portion of the seed crystal toward the melt side. In the present invention, the uppermost part of the raw material melt can be made lower than the melting point, and crystal growth can proceed from the unmelted portion of the seed crystal toward the melt side. In this way, the low-temperature melt cooled at the top of the melt is carried by convection to increase the heat flux Q OUT (LIQUID) flowing out to the melt side, effectively depriving the solidification latent heat Q L. However, when the melt depth is very large, the melt convection may be disturbed and the crystal growth may become unstable. Therefore, in the present invention, a temperature distribution is formed so that the temperature of the raw material melt is substantially uniform, and solidification proceeds from the unmelted portion of the seed crystal toward the melt side. Thus, by making the temperature of the melt substantially uniform, stable crystal growth can be realized even in a deep melt.

本発明の方法では、融液の温度の融点からの降下量が大きいほど、すなわち過冷却度が大きいほど、融液側へ流出する熱流束QOUT(LIQUID)を大きくすることができるので、より大きな効果が得られる。好ましくは原料融液の少なくとも一部を融点より10℃以上、より好ましくは30℃以上、さらに好ましくは50℃以上低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって固化を進行させる。 In the method of the present invention, the greater the amount of decrease in the melt temperature from the melting point, that is, the greater the degree of supercooling, the greater the heat flux Q OUT (LIQUID) flowing out to the melt side. A big effect is acquired. Preferably, at least a part of the raw material melt is made 10 ° C. or more, more preferably 30 ° C. or more, more preferably 50 ° C. or more lower than the melting point, and solidification proceeds from the unmelted portion of the seed crystal toward the melt side. .

このように、原料融液を過冷却状態にする一方で、固体と液体の界面近傍をヒータなどで加熱することによって、固体に接触する融液の温度を融点よりも高温に保持し、それよりも上部に位置する融液の温度を融点よりも低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって固化を進行させるのが好ましい。融液が固化する際に潜熱が発生するが、結晶側へ流出する熱流束QOUT(SOLID)と融液側へ流出する熱流束QOUT(LIQUID)との和QOUT(SOLID)+QOUT(LIQUID)があまりにも大きければ、固化速度が大きくなり過ぎて短時間に過剰に大きな固化潜熱が発生し、融液内の温度分布が不均一になって結晶成長を不安定にすることが考えられる。そこで、固体と液体の界面近傍をヒータで加熱して固体に接触する融液の温度を融点よりも高温に保持することによって、固液界面近傍の温度分布を適正に保って安定した固液界面形状と成長速度を維持しながら結晶成長させることが可能になる。 In this way, while the raw material melt is brought into a supercooled state, the temperature of the melt in contact with the solid is maintained at a temperature higher than the melting point by heating the vicinity of the interface between the solid and the liquid with a heater or the like. It is preferable that the temperature of the melt positioned at the upper part is lower than the melting point, and solidification proceeds from the unmelted portion of the seed crystal toward the melt side. Although latent heat is generated when the melt solidifies, the sum of the heat flux Q OUT (SOLID) flowing out to the crystal side and the heat flux Q OUT (LIQUID) flowing out to the melt side Q OUT (SOLID) + Q OUT ( If LIQUID) is too large, the solidification rate will be too high, and excessive solidification latent heat will be generated in a short time, making the temperature distribution in the melt non-uniform and making the crystal growth unstable. . Therefore, by maintaining the temperature of the melt in contact with the solid at a temperature higher than the melting point by heating the vicinity of the interface between the solid and the liquid with a heater, the temperature distribution in the vicinity of the solid-liquid interface is properly maintained and the solid-liquid interface is stable. Crystals can be grown while maintaining the shape and growth rate.

ヒータによって加熱される坩堝外壁面の温度が融点温度以下であっても、固化潜熱が発生するので、固体に接触する融液の温度を融点よりも高温に保持しすることが可能である。しかし、このような温度分布を安定して実現するためには、坩堝外壁面を融点以上の温度に加熱するのが好ましい。一方、融点よりも温度の低い融液の体積が大きいほど大きな過冷却効果が得られるので、坩堝外壁面を融点以上の温度に加熱する領域は必要最小限にすることが好ましい。その領域は、具体的には縦型結晶成長用容器の上下方向に120mm以下にすることが好ましく、60mm以下にすることがより好ましい。   Even when the temperature of the outer wall surface of the crucible heated by the heater is equal to or lower than the melting point temperature, latent heat of solidification is generated, so that the temperature of the melt contacting the solid can be kept higher than the melting point. However, in order to stably realize such a temperature distribution, it is preferable to heat the outer wall surface of the crucible to a temperature higher than the melting point. On the other hand, as the volume of the melt having a temperature lower than the melting point is increased, a larger supercooling effect is obtained. Therefore, it is preferable to minimize the region where the crucible outer wall surface is heated to a temperature higher than the melting point. Specifically, the region is preferably 120 mm or less in the vertical direction of the vertical crystal growth vessel, and more preferably 60 mm or less.

また、種結晶と原料を収容した縦型の単結晶成長用容器を加熱手段に対して相対的に下方に移動させることによって、下方から上方に向かって固化を進行させることが好ましい。このようにすれば、固液界面近傍の温度分布を安定に維持することができるので、安定した固液界面形状と成長速度を維持しながら結晶を育成することができる。   Further, it is preferable that the vertical single crystal growth vessel containing the seed crystal and the raw material is moved downward relative to the heating means to advance the solidification from below to above. In this way, the temperature distribution in the vicinity of the solid-liquid interface can be stably maintained, so that crystals can be grown while maintaining a stable solid-liquid interface shape and growth rate.

本発明の方法は、直径50mmよりも大きな胴部を有する単結晶の成長において特に有効である。すなわち、単結晶の胴部の直径が大きいほど成長中の単位時間当たりに発生する固化潜熱量が大きくなるので、融液側にも放熱させることによって全体として大きな放熱量が得られる本発明の方法が従来法に比べて特に効果的となる。また、本発明を適用することにより、従来法では不可能と考えられていた5mm/hよりも大きな結晶成長速度(すなわち、固液界面の移動速度)で結晶胴部の成長を行わせることができる。さらに、本発明では、10mm/hよりも大きな速度で結晶胴部を成長させる場合にも、良好な特性を有する単結晶が得られる。   The method of the present invention is particularly effective in the growth of single crystals having a body having a diameter larger than 50 mm. That is, the larger the diameter of the body portion of the single crystal, the larger the amount of latent heat of solidification generated per unit time during growth. Therefore, the method according to the present invention can obtain a large amount of heat dissipation as a whole by dissipating heat to the melt side. Is particularly effective compared to the conventional method. Further, by applying the present invention, the crystal body can be grown at a crystal growth rate (that is, a moving speed of the solid-liquid interface) larger than 5 mm / h, which was considered impossible by the conventional method. it can. Furthermore, in the present invention, a single crystal having good characteristics can be obtained even when the crystal body is grown at a speed higher than 10 mm / h.

通常では、種結晶の断面積は、育成予定の単結晶の胴部断面積の0.5〜5%程度である。このように断面積の小さな種結晶を用いる理由は、種結晶にかかるコストをできるだけ少なくするためである。種結晶は、通常では単結晶の胴部から切断して採取される。直径の小さい種結晶の方が直径の大きな種結晶よりも多数本採取できるので、種結晶1本当たりのコストが少なくて済む。しかし、このように小さな種結晶から増径させて太い胴部を有する結晶を育成する場合、増径部では結晶成長が進むにしたがって単位時間当たりに発生する固化潜熱の量が増加していく。このとき、安定した固液界面形状や成長速度を維持しながら結晶を育成するためには、固化潜熱発生量の増加に合わせて放熱量を増加させる必要がある。このような複雑な放熱量の制御は再現性に乏しいので、結晶を製造する際に大きな問題となる。5mm/hよりも大きな速度、特に10mm/hよりも大きな速度で結晶成長させようとすれば、固化潜熱の時間変化量は非常に大きなものになる。したがって、本発明の方法では、種結晶が育成単結晶胴部の25%以上の断面積を有することが好ましく、50%以上の断面積を有することがより好ましく、75%以上の断面積を有することがさらに好ましい。   Usually, the cross-sectional area of the seed crystal is about 0.5 to 5% of the body cross-sectional area of the single crystal to be grown. The reason for using a seed crystal having such a small cross-sectional area is to reduce the cost of the seed crystal as much as possible. The seed crystal is usually collected by cutting from a single crystal body. Since a larger number of seed crystals having a smaller diameter can be collected than a seed crystal having a larger diameter, the cost per seed crystal can be reduced. However, when growing a crystal having a thick body by increasing the diameter from such a small seed crystal, the amount of latent heat of solidification generated per unit time increases as the crystal growth proceeds in the increased diameter portion. At this time, in order to grow crystals while maintaining a stable solid-liquid interface shape and growth rate, it is necessary to increase the amount of heat released in accordance with the increase in the amount of latent heat of solidification. Such complicated control of the heat radiation amount is poor in reproducibility, and thus becomes a big problem when producing crystals. If crystal growth is attempted at a speed greater than 5 mm / h, particularly greater than 10 mm / h, the amount of change in time of solidification latent heat becomes very large. Therefore, in the method of the present invention, the seed crystal preferably has a cross-sectional area of 25% or more of the grown single crystal body, more preferably has a cross-sectional area of 50% or more, and has a cross-sectional area of 75% or more. More preferably.

また、種結晶から育成単結晶胴部に至る増径部の結晶中心軸に対する傾斜角は30°以下が好ましく、22.5°以下がより好ましく、15°以下がさらに好ましい。このように増径部の傾斜角を小さくすれば、ウエハ製品を採取できる単結晶胴部に至るまでの成長時間が長くなるうえに、ウエハ製品径に満たない部分の割合が大きくなり、ウエハ製品の収率が低下する。そこで、断面積の大きな種結晶を用いれば、増径部の傾斜角を小さくした場合でも単結晶胴部に至るまでの成長時間を短くでき、ウエハ製品径に満たない部分の割合も小さくできる。このように、種結晶から育成結晶胴部にかけての直径変化を緩やかにすることによって、固化潜熱の変化量を小さく抑えることが可能になり、5mm/hまたは10mm/hよりも大きな成長速度においても、安定した固液界面形状や成長速度を維持しながら結晶を育成することが可能になる。   Further, the inclination angle of the increased diameter portion from the seed crystal to the grown single crystal body portion with respect to the crystal central axis is preferably 30 ° or less, more preferably 22.5 ° or less, and further preferably 15 ° or less. If the inclination angle of the increased diameter portion is reduced in this way, the growth time until reaching the single crystal body where the wafer product can be collected becomes longer, and the proportion of the portion that is less than the wafer product diameter increases. The yield of is reduced. Therefore, if a seed crystal having a large cross-sectional area is used, even when the inclination angle of the increased diameter portion is reduced, the growth time until reaching the single crystal body portion can be shortened, and the proportion of the portion that does not satisfy the wafer product diameter can also be reduced. As described above, by gradually changing the diameter from the seed crystal to the grown crystal body, it is possible to reduce the amount of change in latent heat of solidification, even at a growth rate higher than 5 mm / h or 10 mm / h. It is possible to grow crystals while maintaining a stable solid-liquid interface shape and growth rate.

また本発明の方法では、結晶側への熱流束QOUT(SOLID)を小さく抑えることができるので、従来法よりもはるかに小さな温度勾配下で結晶を成長させることができる。より具体的には、坩堝外壁面における結晶成長軸方向、すなわち縦方向の温度勾配を、好ましくは5℃/cm未満、より好ましくは3.5℃/cm未満、さらに好ましくは2℃/cm未満にして育成単結晶胴部の固化を進行させる。また、結晶成長の開始から終了まで、育成した単結晶の温度を絶対温度における融点温度の0.84倍、より好ましくは0.89倍、さらに好ましくは0.94倍よりも高温に維持することが好ましい。このように、単結晶胴部成長時の坩堝外壁面における成長軸方向の温度勾配を小さくすることによって、また、結晶成長の開始から終了まで、育成した単結晶の温度を所定の温度以上に保持することによって、結晶成長中の熱応力の発生を抑制することができ、特にウエハ製品採取部分に相当する単結晶胴部の転位密度を低減させることが可能になる。 In the method of the present invention, since the heat flux Q OUT (SOLID) to the crystal side can be kept small, the crystal can be grown under a temperature gradient much smaller than that of the conventional method. More specifically, the temperature gradient in the crystal growth axis direction on the outer wall surface of the crucible, that is, the longitudinal direction is preferably less than 5 ° C./cm, more preferably less than 3.5 ° C./cm, and still more preferably less than 2 ° C./cm. Then, solidification of the grown single crystal body is advanced. In addition, from the start to the end of crystal growth, the temperature of the grown single crystal should be maintained at a temperature higher than 0.84 times, more preferably 0.89 times, more preferably 0.94 times the melting point temperature in absolute temperature. Is preferred. Thus, by reducing the temperature gradient in the growth axis direction on the outer wall surface of the crucible during single crystal body growth, the temperature of the grown single crystal is maintained at a predetermined temperature or higher from the start to the end of crystal growth. By doing so, it is possible to suppress the generation of thermal stress during crystal growth, and in particular, it is possible to reduce the dislocation density of the single crystal body corresponding to the wafer product sampling portion.

また、縦型の単結晶成長用容器は熱分解窒化ホウ素(pBN)製であることが好ましく、その容器と融液との間に酸化ホウ素の被膜が介挿されていることが好ましい。前述のように、熱分解窒化ホウ素(pBN)製容器の壁面には結晶核が発生し難く、またその容器と融液の間に酸化ホウ素の被膜が介挿されていればその容器壁面にさらに結晶核が発生しにくくなる。そして、融液を過冷却にした際に新たな結晶核が発生することを確実に防ぐことができるので、本発明の方法を確実に行うことができるようになる。単結晶成長用容器と融液との間に酸化ホウ素の被膜を介挿させるためには、その容器に種結晶と原料と共に固形の酸化ホウ素を収容してもよいが、種結晶と原料を収容するに先だって、容器内壁のうちで少なくとも融液と接触すると予定される部分に酸化ホウ素の被膜を形成しておけばより効果的である。   The vertical single crystal growth vessel is preferably made of pyrolytic boron nitride (pBN), and a boron oxide film is preferably interposed between the vessel and the melt. As described above, crystal nuclei are unlikely to form on the wall surface of the pyrolytic boron nitride (pBN) container, and if a boron oxide film is interposed between the container and the melt, Crystal nuclei are less likely to occur. And since it can prevent reliably that a new crystal nucleus is generated when a melt is supercooled, the method of this invention can be performed reliably. In order to insert a boron oxide film between the single crystal growth vessel and the melt, the vessel may contain solid boron oxide together with the seed crystal and the raw material, but it contains the seed crystal and the raw material. Prior to this, it is more effective to form a boron oxide film on at least a portion of the inner wall of the container that is supposed to come into contact with the melt.

本発明の方法は、ヒ化ガリウム(GaAs)やリン化インジウム(InP)、リン化ガリウム(GaP)などの化合物半導体単結晶の育成に適用する場合に特に効果的である。一般に、これらの化合物半導体の結晶は熱伝導率が小さいので、結晶側への放熱量を大きくすることができない。また、比較的容易に無転位結晶が得られるシリコン(Si)に比べて、化合物半導体結晶は塑性変形し易い。したがって、従来の方法では化合物半導体単結晶の成長速度の増加や低転位密度化を実現することが著しく困難であり、本発明の方法が有効となる。また、これらの化合物半導体の融液は過冷却度を大きくしても固化相が生じにくいので、本発明の方法を実施する対象として適している。   The method of the present invention is particularly effective when applied to the growth of compound semiconductor single crystals such as gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), and gallium phosphide (GaP). Generally, since the crystal of these compound semiconductors has a low thermal conductivity, the amount of heat released to the crystal side cannot be increased. In addition, compound semiconductor crystals are more easily plastically deformed than silicon (Si) from which dislocation-free crystals can be obtained relatively easily. Therefore, it is extremely difficult to achieve an increase in the growth rate of the compound semiconductor single crystal and a reduction in dislocation density with the conventional method, and the method of the present invention is effective. In addition, these compound semiconductor melts are suitable as targets for carrying out the method of the present invention because a solidified phase hardly occurs even when the degree of supercooling is increased.

また本発明では、化合物半導体の種結晶と原料を収容するための縦型の単結晶成長用容器と、原料と種結晶の一部を融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製するための加熱手段とを備えていて、種結晶の未融解部分から原料融液側に向けて結晶成長させる化合物半導体単結晶の製造装置において、相対的に上方に配置された第一のヒータと相対的に下方に配置された第二のヒータを少なくとも含み、第一のヒータの温度を第二のヒータの温度よりも低くすることによって、原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして、下方から上方に向かって結晶成長を進行させ得る化合物半導体単結晶の製造装置を提案する。このような装置によって、原料融液を過冷却状態にすることが容易になる。   Further, according to the present invention, a vertical single crystal growth container for containing a compound semiconductor seed crystal and a raw material, and a raw material fusion in which a part of the raw material and the seed crystal are melted and adjusted to a substantially stoichiometric composition. In a compound semiconductor single crystal manufacturing apparatus for growing a crystal from an unmelted portion of a seed crystal toward a raw material melt side. Including at least a second heater disposed below and relatively lower the temperature of the first heater, and lowering the temperature of the first heater to be lower than the temperature of the second heater, so that at least a part of the raw material melt is in a molten state An apparatus for manufacturing a compound semiconductor single crystal is proposed in which the crystal growth is allowed to proceed from the lower side to the upper side while maintaining the temperature at a temperature lower than the melting point. Such an apparatus makes it easy to bring the raw material melt into a supercooled state.

このような装置においては、下方に配置された温度の高いヒータによって加熱された炉内の高温ガスが上昇気流となって、上方に配置された温度の低いヒータ近傍の温度を上昇させたり、温度の揺らぎを生じさせる場合がある。反対に、上方に配置されたヒータ近傍の温度の低いガスが下降気流となって、温度の高いヒータ近傍の温度を低下させて、大きな温度の揺らぎを生じさせる場合がある。このように、下方に温度の高いヒータを配置して上方に温度の低いヒータを配置する場合、所望の温度分布を実現することがむずかしい場合がある。また、強いガス対流によって大きな温度揺らぎが生じるので、結晶や融液の温度を安定させることがむずかしい場合がある。さらに、上方の過冷却領域が下方の高温領域からの輻射によって加熱されるので、過冷却を実現することがむずかしい場合がある。   In such an apparatus, the high-temperature gas in the furnace heated by the high-temperature heater disposed below becomes a rising air flow to increase the temperature in the vicinity of the low-temperature heater disposed above, May cause fluctuations. On the other hand, a low temperature gas in the vicinity of the heater disposed above becomes a descending airflow, which may lower the temperature in the vicinity of the high temperature heater and cause a large temperature fluctuation. As described above, when a heater having a high temperature is arranged below and a heater having a low temperature is arranged above, it may be difficult to realize a desired temperature distribution. In addition, since a large temperature fluctuation occurs due to strong gas convection, it may be difficult to stabilize the temperature of the crystal or the melt. Furthermore, since the upper supercooling region is heated by radiation from the lower high temperature region, it may be difficult to realize supercooling.

そこで、下方に配置されて温度を高く設定された第二のヒータと、上方に配置されていてその第二のヒータよりも温度を低くされた第一のヒータとの間に、少なくとも1つの熱遮蔽板または断熱板を配置することが好ましい。このように、第一のヒータと第二のヒータとの間に熱遮蔽板または断熱板を設けることによって、輻射による高温部と低温部の熱的な干渉を抑制することができる。また、ガス対流も抑制されるので温度揺らぎが小さくなり、過冷却状態を再現性よく実現できるようになる。第一のヒータのさらに上方に、少なくとも1つのヒータを配置することにより、融液温度をさらに精密に制御することが可能になる。その結果、過冷却状態をさらに再現性良く実現することができるだけでなく、その温度分布を制御することによって、過冷却融液の対流を抑制することができる。   Therefore, at least one heat is provided between the second heater disposed below and set to a high temperature and the first heater disposed above and set to a temperature lower than that of the second heater. It is preferable to arrange a shielding plate or a heat insulating plate. Thus, by providing a heat shielding plate or a heat insulating plate between the first heater and the second heater, thermal interference between the high temperature portion and the low temperature portion due to radiation can be suppressed. Further, since gas convection is also suppressed, temperature fluctuation is reduced, and a supercooled state can be realized with good reproducibility. By disposing at least one heater further above the first heater, the melt temperature can be controlled more precisely. As a result, not only can the supercooled state be realized with high reproducibility, but also the convection of the supercooled melt can be suppressed by controlling the temperature distribution.

また、第二のヒータの下方にその第二のヒータよりも温度を低く設定した第三のヒータを配置することが好ましく、第二のヒータと第三のヒータとの間に少なくとも1つの熱遮蔽板または断熱板を配置することがより好ましい。さらに、第三のヒータのさらに下方に、少なくとも1つのヒータを配置することがさらに好ましい。このように、結晶側に第二のヒータよりも温度を低く設定した第三のヒータとさらにその下方に少なくとも1つのヒータを配置し、第二のヒータと第三のヒータとの間に少なくとも1つの熱遮蔽板または断熱板を配置することによって、結晶側の温度分布を精密に制御することができる。その結果、結晶に発生する熱応力を低減して、低転位密度の結晶を育成することが容易になる。   Further, it is preferable to dispose a third heater having a temperature lower than that of the second heater below the second heater, and at least one heat shield is provided between the second heater and the third heater. It is more preferable to arrange a plate or a heat insulating plate. Furthermore, it is more preferable to dispose at least one heater further below the third heater. As described above, the third heater whose temperature is set lower than that of the second heater on the crystal side and at least one heater below the third heater are arranged, and at least 1 is provided between the second heater and the third heater. By arranging two heat shielding plates or heat insulating plates, the temperature distribution on the crystal side can be precisely controlled. As a result, it becomes easy to grow a crystal having a low dislocation density by reducing the thermal stress generated in the crystal.

高温部を形成する第二のヒータは複数のサブヒータによって構成されるのが好ましく、各サブヒータ間に少なくとも1つの熱遮蔽板または断熱板を配置することがより好ましい。第二のヒータによって形成される高温部の温度分布は、結晶の品質を左右する固液界面形状に大きく影響する。このように、高温部を形成する第二のヒータを複数のサブヒータによって構成し、さらに各サブヒータ間に少なくとも1つの熱遮蔽板または断熱板を配置することによって、高温部の温度分布を精密に制御することが容易になる。その結果、固液界面の形状を精密に制御することが可能になり、成長速度の増加や低転位密度化に対してより大きな効果が得られる。   The second heater forming the high temperature part is preferably composed of a plurality of sub heaters, and more preferably at least one heat shielding plate or heat insulating plate is arranged between the sub heaters. The temperature distribution of the high temperature portion formed by the second heater greatly affects the solid-liquid interface shape that affects the quality of the crystal. In this way, the second heater that forms the high-temperature part is configured by a plurality of sub-heaters, and the temperature distribution in the high-temperature part is precisely controlled by arranging at least one heat shielding plate or heat insulating plate between the sub-heaters. Easy to do. As a result, the shape of the solid-liquid interface can be precisely controlled, and a greater effect can be obtained with respect to an increase in growth rate and a reduction in dislocation density.

本発明では、100cm-2未満の平均転位密度と、5×1016cm-3以上で5×1017cm-3未満のシリコン濃度とを有するn型ヒ化ガリウム基板を提供する。n型の電気伝導性を有するヒ化ガリウム基板には、所望の電気特性に制御するためのドーパントとしてシリコンが添加される。n型ヒ化ガリウム基板は、主にLEDやLDなどの光デバイスに用いられる。光デバイスでは転位がデバイスの特性に悪影響を及ぼすので、低転位密度であることが必要とされている。ヒ化ガリウム結晶にシリコンを添加すれば、その固溶強化作用によってヒ化ガリウム結晶の転位密度が減少する。しかし、5×1017cm-3未満の低いシリコン濃度の場合には固溶強化の効果が充分に得られず、従来では平均転位密度が100cm-2未満の低転位密度のヒ化ガリウム結晶を育成することは困難であった。 The present invention provides an n-type gallium arsenide substrate having an average dislocation density of less than 100 cm −2 and a silicon concentration of 5 × 10 16 cm −3 or more and less than 5 × 10 17 cm −3 . Silicon is added to the n-type gallium arsenide substrate having electrical conductivity as a dopant for controlling desired electrical characteristics. The n-type gallium arsenide substrate is mainly used for optical devices such as LEDs and LDs. In an optical device, since dislocations adversely affect device characteristics, a low dislocation density is required. If silicon is added to the gallium arsenide crystal, the dislocation density of the gallium arsenide crystal is reduced by the solid solution strengthening action. However, in the case of a low silicon concentration of less than 5 × 10 17 cm −3, the effect of solid solution strengthening cannot be sufficiently obtained. Conventionally, a low dislocation density gallium arsenide crystal having an average dislocation density of less than 100 cm −2 is used. It was difficult to train.

本発明では、融液を過冷却状態にしてヒ化ガリウム結晶を育成することにより、5×1017cm-3未満の低シリコン濃度においても、平均転位密度が100cm-2未満、より精密に制御された条件では50cm-2未満の低転位密度のn型ヒ化ガリウム基板が得られる。低転位密度化がより困難な直径100mm以上さらには直径125mm以上の大口径基板においても、5×1017cm-3未満の低シリコン濃度で、平均転位密度が100cm-2未満、さらに良好なものでは50cm-2未満、最も良好なものでは10cm-2未満の非常に転位密度の低いn型ヒ化ガリウム基板が得られる。 In the present invention, by growing the gallium arsenide crystal in a supercooled state, the average dislocation density is less than 100 cm −2 even at a low silicon concentration of less than 5 × 10 17 cm −3. Under these conditions, an n-type gallium arsenide substrate having a low dislocation density of less than 50 cm −2 is obtained. Even for large-diameter substrates having a diameter of 100 mm or more, more than 125 mm or more, which are more difficult to achieve a low dislocation density, with a low silicon concentration of less than 5 × 10 17 cm −3 and an average dislocation density of less than 100 cm −2 , even better In this case, an n-type gallium arsenide substrate having a very low dislocation density of less than 50 cm −2 and most preferably less than 10 cm −2 can be obtained.

融液を過冷却状態にしてリン化インジウム結晶を育成する場合、3×1018cm-3未満の低硫黄濃度においても、平均転位密度が100cm-2未満、より精密に制御された条件では50cm-2未満の低転位密度のn型リン化インジウム基板が得られる。低転位密度化がより困難な直径100mm以上さらには直径125mm以上の大口径基板においても、3×1018cm-3未満の低硫黄濃度で、平均転位密度が100cm-2未満、さらに良好なものでは50cm-2未満、最も良好なものでは10cm-2未満の非常に転位密度の低いn型リン化インジウム基板が得られる。 When growing an indium phosphide crystal under supercooled condition, the average dislocation density is less than 100 cm −2 even under a low sulfur concentration of less than 3 × 10 18 cm −3 , and 50 cm under more precisely controlled conditions. An n-type indium phosphide substrate having a low dislocation density of less than −2 is obtained. Even for large-diameter substrates having a diameter of 100 mm or more, more than 125 mm or more, which are more difficult to achieve a low dislocation density, a low sulfur concentration of less than 3 × 10 18 cm −3 and an average dislocation density of less than 100 cm −2 are even better. In this case, an n-type indium phosphide substrate having a very low dislocation density of less than 50 cm −2 and most preferably less than 10 cm −2 is obtained.

本発明者は、このようにして得られる低転位密度のn型ヒ化ガリウム基板やn型リン化インジウム基板を光デバイス用基板として用いることにより、従来法で得られた結晶では予想し得なかった良好なデバイス特性が得られるだけでなく、高い歩留りが安定して得られることを見出した。これは、低転位密度化によるデバイス特性への直接的な影響だけでなく、融液を過冷却状態にして育成した結晶固有の特性、特にミクロな特性の変化が寄与するためと考えられる。   The present inventor cannot expect the crystal obtained by the conventional method by using the low dislocation density n-type gallium arsenide substrate or n-type indium phosphide substrate thus obtained as a substrate for optical devices. It has been found that not only good device characteristics can be obtained, but also high yields can be obtained stably. This is considered to be due not only to the direct influence on the device characteristics due to the low dislocation density, but also to the characteristics inherent to the crystal grown in a supercooled state, particularly microscopic changes.

本発明はさらに、1000cm-2未満の平均転位密度と、5×1016cm-3未満のシリコン濃度と、1×103Ωcm以上の比抵抗とを有する半絶縁性ヒ化ガリウム基板を提供する。比抵抗が1×103Ωcm以上の半絶縁性ヒ化ガリウム基板には、電気特性を制御するためのドーパントとして一般にクロムまたはカーボンが極微量添加される。これらのドーパントをヒ化ガリウム結晶に添加しても、シリコン添加の場合のように固溶強化作用によってヒ化ガリウム結晶の転位密度が顕著に減少することはない。したがって、従来では、基板面内での平均転位密度が1000cm-2未満の低転位密度結晶を育成することは困難であった。 The present invention further provides a semi-insulating gallium arsenide substrate having an average dislocation density of less than 1000 cm −2 , a silicon concentration of less than 5 × 10 16 cm −3, and a specific resistance of 1 × 10 3 Ωcm or more. . A semi-insulating gallium arsenide substrate having a specific resistance of 1 × 10 3 Ωcm or more is generally added with a very small amount of chromium or carbon as a dopant for controlling electrical characteristics. Even when these dopants are added to the gallium arsenide crystal, the dislocation density of the gallium arsenide crystal is not significantly reduced by the solid solution strengthening action as in the case of silicon addition. Therefore, conventionally, it has been difficult to grow a low dislocation density crystal having an average dislocation density in the substrate plane of less than 1000 cm −2 .

本発明では、融液を過冷却状態にしてヒ化ガリウム結晶を育成することにより、平均転位密度が1000cm-2未満、さらに良好なものでは500cm-2未満、最も良好なものでは300cm-2未満の低転位密度の半絶縁性ヒ化ガリウム基板を得ることができる。さらに、低転位密度化が困難な直径150mm以上さらには直径200mm以上の大口径基板においても、平均転位密度が1000cm-2未満、さらに良好なものでは500cm-2未満、最も良好なものでは300cm-2未満の低転位密度の半絶縁性ヒ化ガリウム基板を得ることができる。 In the present invention, by growing the gallium arsenide crystal in a supercooled state in the melt, the average dislocation density is less than 1000 cm −2 , better is less than 500 cm −2 , and the best is less than 300 cm −2. Thus, a semi-insulating gallium arsenide substrate having a low dislocation density can be obtained. Further, even in a large-diameter substrate having a diameter of 150 mm or more, further having a diameter of 200 mm or more, for which it is difficult to reduce the dislocation density, the average dislocation density is less than 1000 cm −2 , more preferable is less than 500 cm −2 , and most preferable is 300 cm −. A semi-insulating gallium arsenide substrate having a low dislocation density of less than 2 can be obtained.

本発明はさらに、1000cm-2未満の平均転位密度と、1×103Ωcm以上の比抵抗を有する半絶縁性リン化インジウム基板を提供する。比抵抗が1×103Ωcm以上の半絶縁性リン化インジウム基板には、電気特性を制御するためのドーパントとして鉄が極微量添加される。しかし、リン化インジウム結晶に鉄を添加しても、硫黄添加の場合のように固溶強化作用によってリン化インジウム結晶の転位密度を顕著に減少させることはない。したがって、従来では平均転位密度が1000cm-2未満の低転位密度結晶を育成することは困難であった。 The present invention further provides a semi-insulating indium phosphide substrate having an average dislocation density of less than 1000 cm −2 and a specific resistance of 1 × 10 3 Ωcm or more. A semi-insulating indium phosphide substrate having a specific resistance of 1 × 10 3 Ωcm or more is added with a very small amount of iron as a dopant for controlling electrical characteristics. However, even if iron is added to the indium phosphide crystal, the dislocation density of the indium phosphide crystal is not significantly reduced by the solid solution strengthening action as in the case of sulfur addition. Therefore, conventionally, it has been difficult to grow a low dislocation density crystal having an average dislocation density of less than 1000 cm −2 .

本発明では、融液を過冷却状態にしてリン化インジウム結晶を育成することにより、平均転位密度が1000cm-2未満、さらに良好なものでは500cm-2未満、最も良好なものでは300cm-2未満の低転位密度で比抵抗が1×103Ωcm以上の鉄ドープ半絶縁性リン化インジウム基板を得ることができる。さらに、低転位密度化が困難な直径150mm以上さらには直径200mm以上の大口径基板においても、平均転位密度が1000cm-2未満、さらに良好なものでは500cm-2未満、最も良好なものでは300cm-2未満の低転位密度で比抵抗が1×103Ωcm以上の鉄ドープ半絶縁性リン化インジウム基板を得ることができる。 In the present invention, by growing the indium phosphide crystal under supercooled condition, the average dislocation density is less than 1000 cm −2 , even better, less than 500 cm −2 , and the best is less than 300 cm −2. Thus, an iron-doped semi-insulating indium phosphide substrate having a low dislocation density and a specific resistance of 1 × 10 3 Ωcm or more can be obtained. Further, even in a large-diameter substrate having a diameter of 150 mm or more, further having a diameter of 200 mm or more, for which it is difficult to reduce the dislocation density, the average dislocation density is less than 1000 cm −2 , more preferable is less than 500 cm −2 , and the best is 300 cm An iron-doped semi-insulating indium phosphide substrate having a low dislocation density of less than 2 and a specific resistance of 1 × 10 3 Ωcm or more can be obtained.

本発明者は、このようにして得られた低転位密度の半絶縁性ヒ化ガリウム基板や半絶縁性リン化インジウム基板を、特にOEIC(光電子集積回路)などの光電子デバイス用基板用として用いることにより、従来法で得られた結晶からは予想し得なかった良好なデバイス特性が得られるだけでなく、高い歩留りが安定して得られることを見出した。OEICは、光デバイスと電子デバイスを一つのチップ上に作製したデバイスである。前述したように、転位は光デバイスの特性に悪影響を及ぼす。本発明の基板によって良好なデバイス特性と高い歩留りが得られる理由は、低転位密度化によるデバイス特性への直接的な影響だけでなく、融液を過冷却状態にして育成した結晶固有の特性、特にミクロな特性の変化が寄与するためと考えられる。このように良好なデバイス特性と高い歩留りは、カーボンを1×1014cm-3以上添加した基板で顕著に見られた。融液を過冷却状態にして結晶を育成した結果、あるいは低転位密度化した結果、あるいはその複合的効果によって発現した結晶の特性の変化が、このように良好なデバイス特性と高い歩留りに寄与すると考えられる。 The present inventor uses the low-dislocation-density semi-insulating gallium arsenide substrate and semi-insulating indium phosphide substrate thus obtained, particularly for substrates for optoelectronic devices such as OEICs (optoelectronic integrated circuits). Thus, it has been found that not only good device characteristics that could not be expected from crystals obtained by the conventional method can be obtained, but also high yields can be stably obtained. The OEIC is a device in which an optical device and an electronic device are manufactured on one chip. As described above, dislocations adversely affect the characteristics of optical devices. The reason why good substrate characteristics and high yield can be obtained by the substrate of the present invention is not only the direct influence on the device characteristics due to the low dislocation density, but also the inherent characteristics of crystals grown in a supercooled state of the melt, This is thought to be because, in particular, changes in micro characteristics contribute. Such good device characteristics and high yield were remarkably observed in the substrate to which carbon was added at 1 × 10 14 cm −3 or more. As a result of growing the crystal in the supercooled state, the result of lowering the dislocation density, or the change in crystal characteristics due to its combined effect, this contributes to good device characteristics and high yield. Conceivable.

(A)は本発明におけるn型ヒ化ガリウム単結晶を製造する装置一例の模式的な断面図であり、(B)はその装置の坩堝外壁における温度分布の一例を示すグラフである。(A) is typical sectional drawing of an example of the apparatus which manufactures the n-type gallium arsenide single crystal in this invention, (B) is a graph which shows an example of the temperature distribution in the crucible outer wall of the apparatus. 実施例1の方法において、ヒ化ガリウム多結晶原料、酸化ホウ素、及びドーパント(固体シリコン)をpBN製坩堝に収容する方法の一例を示す模式的な断面図である。In the method of Example 1, it is typical sectional drawing which shows an example of the method of accommodating a gallium arsenide polycrystalline raw material, boron oxide, and a dopant (solid silicon) in a pBN crucible. 実施例1の方法で育成した単結晶の外観と各部の名称を示す模式的な正面図である。2 is a schematic front view showing an appearance of a single crystal grown by the method of Example 1 and names of respective parts. FIG. 実施例2において、半絶縁性ヒ化ガリウム単結晶を製造する装置の一例を示す模式的断面図である。In Example 2, it is typical sectional drawing which shows an example of the apparatus which manufactures a semi-insulating gallium arsenide single crystal. 実施例3において、n型リン化インジウム単結晶を製造する装置の一例を示す模式的断面図である。In Example 3, it is typical sectional drawing which shows an example of the apparatus which manufactures an n-type indium phosphide single crystal. 実施例4において、半絶縁性リン化インジウム単結晶を製造する装置の一例を示す模式的断面図である。In Example 4, it is typical sectional drawing which shows an example of the apparatus which manufactures a semi-insulating indium phosphide single crystal.

(実施例1)
本発明の方法を、n型ヒ化ガリウム(GaAs)の単結晶育成に適用する。図1(A)と(B)において、本発明に用いる単結晶製造装置の模式的断面図とその装置の温度分布のグラフの一例がそれぞれ示されている。結晶育成のために、上部過冷却領域を形成するためのヒータ3,4、固液界面近傍を加熱するためのヒータ5,6、および成長した結晶の温度分布をコントロールするためのヒータ7,8が設けられている。また、ヒータ4,5の間に設けられた断熱板9と、ヒータ6,7の間に設けられた断熱板10とによって、それぞれの領域間が熱的に遮断されるよう配慮されている。さらに、固液界面近傍の温度分布を精密にコントロールするために、ヒータ5,6間に熱遮蔽板11が設けられている。なお、ヒータ3〜8とステンレス製チャンバ1との間は断熱材2によって断熱されている。
Example 1
The method of the present invention is applied to single crystal growth of n-type gallium arsenide (GaAs). 1A and 1B respectively show a schematic cross-sectional view of a single crystal manufacturing apparatus used in the present invention and an example of a temperature distribution graph of the apparatus. For crystal growth, heaters 3 and 4 for forming the upper supercooling region, heaters 5 and 6 for heating the vicinity of the solid-liquid interface, and heaters 7 and 8 for controlling the temperature distribution of the grown crystal Is provided. Further, consideration is given to the thermal insulation between the respective regions by the heat insulating plate 9 provided between the heaters 4 and 5 and the heat insulating plate 10 provided between the heaters 6 and 7. Further, a heat shield plate 11 is provided between the heaters 5 and 6 in order to precisely control the temperature distribution near the solid-liquid interface. The heaters 3 to 8 and the stainless steel chamber 1 are insulated by the heat insulating material 2.

図2の模式的な断面図に示すように、予め酸化処理によって内表面が酸化ホウ素膜17aで被覆された内径約105mmのpBN製坩堝14が、ステンレス製チャンバ1内で下軸12の上部に設けた坩堝台13上に設置される。坩堝14の下端の種結晶収容部に直径95mmの種結晶15を収容し、さらにその上に予備合成したヒ化ガリウム多結晶原料16の約15kgと、酸化ホウ素(B23)17の約700gと、さらにドーパントとしての固体シリコン20を収容する。この固体シリコンは高純度シリコンウエハを破砕したもので、育成されたヒ化ガリウム結晶の肩部(増径部と胴部の境界)におけるシリコンの濃度が5×1016cm-3となるように分量を秤量して用いられる。 As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2, a pBN crucible 14 having an inner diameter of about 105 mm, the inner surface of which has been previously coated with a boron oxide film 17 a by oxidation treatment, is placed on the lower shaft 12 in the stainless steel chamber 1. It is installed on the provided crucible base 13. A seed crystal 15 having a diameter of 95 mm is accommodated in the seed crystal accommodating portion at the lower end of the crucible 14, and further about 15 kg of the pre-synthesized gallium arsenide polycrystal raw material 16 and about boron oxide (B 2 O 3 ) 17 700 g and further contains solid silicon 20 as a dopant. This solid silicon is obtained by crushing a high-purity silicon wafer so that the silicon concentration at the shoulder portion (boundary between the increased diameter portion and the body portion) of the grown gallium arsenide crystal is 5 × 10 16 cm −3. The amount is weighed and used.

その後、速やかにステンレス製チャンバ1を密閉し、チャンバ内部を真空ポンプで排気する。その後、結晶育成時の圧力がゲージ圧で0.5MPaになるようにチャンバ内に窒素ガスを導入し、ヒータの温度を上昇させて加熱を行う。加熱昇温の過程で、まず酸化ホウ素17が軟化融解し、ヒ化ガリウム多結晶原料16と種結晶15を完全に封止する。その後さらに昇温を続け、ヒータ3〜8の温度を調整しながら、種結晶15の下部をその融点以下の温度に保持する一方で、多結晶原料16と種結晶15の上部を融点よりも高温に加熱して、原料融液18を形成させる(図1(A)参照)。この状態に一定時間保持することによって、原料融液の組成と温度を安定化させ、その後にヒータ3と4の温度をゆっくり降下させて、坩堝14の外壁面を融点以上の温度に加熱した領域が上下方向に約60mmの領域となるように(図1(B)参照)、また、融液の温度が約30℃だけ融点よりも低温になるように温度分布を調整して過冷却融液を形成させる。その後、下軸12を3rpmで回転させながら5.5mm/hの速度で下降させることによって、直径約105mmのシリコンドープヒ化ガリウム単結晶19を成長させる(図1(A)参照)。この時の坩堝14の外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配は1.5℃/cmである。   Thereafter, the stainless steel chamber 1 is quickly sealed, and the inside of the chamber is evacuated by a vacuum pump. Thereafter, nitrogen gas is introduced into the chamber so that the pressure during crystal growth is 0.5 MPa as a gauge pressure, and heating is performed by increasing the temperature of the heater. In the process of heating and heating, the boron oxide 17 is first softened and melted to completely seal the gallium arsenide polycrystal raw material 16 and the seed crystal 15. Thereafter, the temperature is further raised and the temperature of the heaters 3 to 8 is adjusted, while the lower part of the seed crystal 15 is maintained at a temperature below its melting point, while the polycrystalline raw material 16 and the upper part of the seed crystal 15 are higher than the melting point. To form a raw material melt 18 (see FIG. 1A). By maintaining in this state for a certain period of time, the composition and temperature of the raw material melt are stabilized, and then the temperature of the heaters 3 and 4 is slowly lowered to heat the outer wall surface of the crucible 14 to a temperature equal to or higher than the melting point. Is adjusted to a temperature distribution so that the temperature of the melt is about 30 ° C. lower than the melting point so that the temperature is about 60 mm in the vertical direction (see FIG. 1B). To form. Then, the silicon-doped gallium arsenide single crystal 19 having a diameter of about 105 mm is grown by lowering the lower shaft 12 at a speed of 5.5 mm / h while rotating at 3 rpm (see FIG. 1A). At this time, the temperature gradient in the crystal growth axis direction on the outer wall surface of the crucible 14 is 1.5 ° C./cm.

図3において、このようにして育成された単結晶の外観と、各部の名称が示されている。単結晶の肩部から、シリコン濃度が5×1016cm-3で平均転位密度が約90cm-2のn型ヒ化ガリウム基板が得られる。また、同じ結晶の尾部から、シリコン濃度が1×1017cm-3で平均転位密度が約40cm-2のn型ヒ化ガリウム基板が得られる。 In FIG. 3, the appearance of the single crystal thus grown and the names of the respective parts are shown. From the shoulder portion of the single crystal, an n-type gallium arsenide substrate having a silicon concentration of 5 × 10 16 cm −3 and an average dislocation density of about 90 cm −2 can be obtained. Also, an n-type gallium arsenide substrate having a silicon concentration of 1 × 10 17 cm −3 and an average dislocation density of about 40 cm −2 can be obtained from the tail of the same crystal.

(実施例2)
実施例2においては、図4に示すように実施例1と同様の装置を用いて、半絶縁性ヒ化ガリウム(GaAs)の単結晶を育成する。予め酸化処理によって内表面が酸化ホウ素膜17aで被覆された内径約155mmのpBN製坩堝34をステンレス製チャンバ21内で下軸32の上部に設けられた坩堝台33上に設置する。坩堝34の下端の種結晶収容部に直径145mmの種結晶35を収容し、さらにその上に予備合成したヒ化ガリウム多結晶原料の約30kgと、酸化ホウ素(B23)37の約1500gと、ドーパントとしての固体カーボン(図示せず)とを収容する。この固体カーボンは、育成されたヒ化ガリウム結晶の肩部におけるカーボンの濃度が5×1015cm-3となるように分量を秤量して用いられる。
(Example 2)
In Example 2, a single crystal of semi-insulating gallium arsenide (GaAs) is grown using the same apparatus as in Example 1 as shown in FIG. A pBN crucible 34 having an inner diameter of about 155 mm whose inner surface is previously coated with a boron oxide film 17a by oxidation treatment is placed on a crucible base 33 provided on the upper portion of the lower shaft 32 in the stainless steel chamber 21. A seed crystal 35 having a diameter of 145 mm is accommodated in the seed crystal accommodating portion at the lower end of the crucible 34, and further about 30 kg of a pre-synthesized gallium arsenide polycrystal raw material and boron oxide (B 2 O 3 ) 37 about 1500 g. And solid carbon (not shown) as a dopant. This solid carbon is used by weighing the amount so that the concentration of carbon in the shoulder portion of the grown gallium arsenide crystal is 5 × 10 15 cm −3 .

その後、速やかにステンレス製チャンバ21を密閉し、チャンバ内部を真空ポンプで排気する。その後、結晶育成時の圧力がゲージ圧で0.5MPaになるようにチャンバ内に窒素ガスを導入し、ヒータの温度を上昇させて加熱を行う。加熱昇温の過程で、まず酸化ホウ素37が軟化融解し、ヒ化ガリウム多結晶原料と種結晶35を完全に封止する。その後さらに昇温を続け、ヒータ23〜28の温度を調整しながら、種結晶35の下部を融点以下の温度に保持する一方で、多結晶原料と種結晶35の上部を融点よりも高温に加熱して、原料融液38を形成させる。さらにこの状態に一定時間保持することによって、原料融液38の組成と温度を安定化させ、その後ヒータ23と24の温度をゆっくり降下させて、坩堝34の外壁面を融点以上の温度に加熱した領域が上下方向に約60mmの領域となるように、また融液の温度が約10℃だけ融点よりも低温になるように温度分布を調整して、過冷却融液を形成させる。その後、下軸32を3rpmで回転しながら8mm/hの速度で下降させることによって、直径約155mmの半絶縁性ヒ化ガリウム単結晶39を成長させる。この場合の坩堝外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配は、4.5℃/cmである。   Thereafter, the stainless steel chamber 21 is quickly sealed, and the inside of the chamber is evacuated by a vacuum pump. Thereafter, nitrogen gas is introduced into the chamber so that the pressure during crystal growth is 0.5 MPa as a gauge pressure, and heating is performed by increasing the temperature of the heater. In the process of heating and heating, the boron oxide 37 is first softened and melted to completely seal the gallium arsenide polycrystal raw material and the seed crystal 35. Thereafter, the temperature is further increased and the temperature of the heaters 23 to 28 is adjusted, while the lower part of the seed crystal 35 is maintained at a temperature below the melting point, while the polycrystalline raw material and the upper part of the seed crystal 35 are heated to a temperature higher than the melting point. Thus, the raw material melt 38 is formed. Further, by maintaining this state for a certain period of time, the composition and temperature of the raw material melt 38 are stabilized, and then the temperatures of the heaters 23 and 24 are slowly lowered to heat the outer wall surface of the crucible 34 to a temperature equal to or higher than the melting point. The supercooled melt is formed by adjusting the temperature distribution so that the region becomes a region of about 60 mm in the vertical direction and the temperature of the melt is lower than the melting point by about 10 ° C. Thereafter, the semi-insulating gallium arsenide single crystal 39 having a diameter of about 155 mm is grown by lowering the lower shaft 32 at a speed of 8 mm / h while rotating at 3 rpm. In this case, the temperature gradient in the crystal growth axis direction on the outer wall surface of the crucible is 4.5 ° C./cm.

このようにして得られるヒ化ガリウム単結晶から、カーボン濃度が5×1015cm-3で、平均転位密度が約900cm-2の低転位密度基板が得られる。なお、この結晶の不純物シリコンの濃度は5×1015cm-3未満であり、低転位密度化には寄与していない。 From the gallium arsenide single crystal thus obtained, a low dislocation density substrate having a carbon concentration of 5 × 10 15 cm −3 and an average dislocation density of about 900 cm −2 can be obtained. Note that the concentration of impurity silicon in this crystal is less than 5 × 10 15 cm −3 , and does not contribute to the reduction of dislocation density.

(実施例3)
実施例3においては、図5に示すように実施例1と同様の装置を用いて、n型リン化インジウム(InP)の単結晶を成長させる。予め酸化処理によって内表面が酸化ホウ素膜17aで被覆された内径約105mmのpBN製坩堝54をステンレス製のチャンバ41内で下軸52の上部に設けられた坩堝台53上に設置する。坩堝54の下端の種結晶収容部に直径70mmの種結晶55を収容し、さらにその上に予備合成したリン化インジウム多結晶原料の約10kgと、酸化ホウ素(B23)57の約700gと、ドーパントとしての硫化インジウム(図示せず)とを収容する。この硫化インジウムは、育成されたリン化インジウム結晶の肩部における硫黄の濃度が1×1018cm-3となるように分量を秤量して用いられる。
(Example 3)
In Example 3, a single crystal of n-type indium phosphide (InP) is grown using the same apparatus as in Example 1 as shown in FIG. A pBN crucible 54 having an inner diameter of about 105 mm, the inner surface of which has been previously coated with a boron oxide film 17a by oxidation treatment, is placed on a crucible base 53 provided on the upper portion of the lower shaft 52 in a stainless steel chamber 41. A seed crystal 55 having a diameter of 70 mm is accommodated in a seed crystal accommodating portion at the lower end of the crucible 54, and about 10 kg of a pre-synthesized indium phosphide polycrystal raw material and boron oxide (B 2 O 3 ) 57 about 700 g. And indium sulfide (not shown) as a dopant. This indium sulfide is used by weighing the amount so that the concentration of sulfur in the shoulder of the grown indium phosphide crystal is 1 × 10 18 cm −3 .

その後、速やかにステンレス製チャンバ41を密閉し、チャンバ内部を真空ポンプで排気する。その後、結晶育成時の圧力がゲージ圧で5MPaになるようにチャンバ内に窒素ガスを導入し、ヒータの温度を上昇させて加熱を行う。加熱昇温の過程で、まず酸化ホウ素57が軟化融解し、リン化インジウム多結晶原料と種結晶55を完全に封止する。その後さらに昇温を続け、ヒータ43〜48の温度を調整しながら、種結晶の下部を融点以下の温度に保持する一方で、多結晶原料と種結晶55の上部を融点よりも高温に加熱し、原料融液58を形成させる。さらに、この状態に一定時間保持することによって原料融液58の組成と温度を安定化させ、その後にヒータ43と44の温度をゆっくり降下させて、坩堝外壁面を融点以上の温度に加熱した領域が上下方向に約120mmの領域となるように、また融液の温度が約40℃だけ融点よりも低温になるように温度分布を調整して、過冷却融液を形成させる。その後、下軸52を10.5mm/hの速度で下降させることによって、直径約105mmのn型リン化インジウム単結晶59を成長させる。この場合に、坩堝54の外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配は、2.0℃/cmである。   Thereafter, the stainless steel chamber 41 is quickly sealed, and the inside of the chamber is evacuated by a vacuum pump. Thereafter, nitrogen gas is introduced into the chamber so that the pressure during crystal growth is 5 MPa as a gauge pressure, and heating is performed by raising the temperature of the heater. In the process of heating and heating, the boron oxide 57 is first softened and melted to completely seal the indium phosphide polycrystal raw material and the seed crystal 55. Thereafter, the temperature is further raised and the temperature of the heaters 43 to 48 is adjusted, while the lower part of the seed crystal is maintained at a temperature below the melting point, while the polycrystalline raw material and the upper part of the seed crystal 55 are heated to a temperature higher than the melting point. Then, the raw material melt 58 is formed. Further, the composition and temperature of the raw material melt 58 are stabilized by maintaining in this state for a certain period of time, and then the temperature of the heaters 43 and 44 is slowly lowered to heat the crucible outer wall surface to a temperature higher than the melting point. The temperature distribution is adjusted so that the temperature of the melt is about 120 mm in the vertical direction and the temperature of the melt is lower than the melting point by about 40 ° C. to form a supercooled melt. Thereafter, the lower shaft 52 is lowered at a speed of 10.5 mm / h to grow an n-type indium phosphide single crystal 59 having a diameter of about 105 mm. In this case, the temperature gradient in the crystal growth axis direction on the outer wall surface of the crucible 54 is 2.0 ° C./cm.

このようにして得られるリン化インジウム単結晶の肩部から、硫黄濃度が1×1018cm-3で平均転位密度が約80cm-2の低転位密度基板が得られる。 From the shoulder portion of the indium phosphide single crystal thus obtained, a low dislocation density substrate having a sulfur concentration of 1 × 10 18 cm −3 and an average dislocation density of about 80 cm −2 can be obtained.

(実施例4)
実施例4では、図6に示すように実施例1と同様の装置を用いて、半絶縁性リン化インジウム(InP)の単結晶を育成する。予め酸化処理によって内表面が酸化ホウ素膜17aで被覆された内径約155mmのpBN製坩堝74をステンレス製のチャンバ61内で下軸72の上部に設けられた坩堝台73上に設置する。坩堝74の下端の種結晶収容部に直径110mmの種結晶75を収容し、さらにその上に予備合成したリン化インジウム多結晶原料の約20kgと、酸化ホウ素(B23)77の約1500gと、ドーパントとしての高純度鉄(図示せず)とを収容する。この高純度鉄は、育成されたリン化インジウム結晶の肩部における鉄の濃度が1×1016cm-3となるように分量を秤量して用いられる。
Example 4
In Example 4, a single crystal of semi-insulating indium phosphide (InP) is grown using the same apparatus as in Example 1 as shown in FIG. A pBN crucible 74 having an inner diameter of about 155 mm whose inner surface is previously coated with a boron oxide film 17a by an oxidation treatment is placed on a crucible base 73 provided on the upper portion of the lower shaft 72 in a stainless steel chamber 61. A seed crystal 75 having a diameter of 110 mm is accommodated in the seed crystal accommodating portion at the lower end of the crucible 74, and further about 20 kg of a pre-synthesized indium phosphide polycrystal raw material and about 1500 g of boron oxide (B 2 O 3 ) 77. And high-purity iron (not shown) as a dopant. This high-purity iron is used by weighing the amount so that the concentration of iron in the shoulder portion of the grown indium phosphide crystal is 1 × 10 16 cm −3 .

その後、速やかにステンレス製チャンバ61を密閉し、チャンバ内部を真空ポンプで排気する。その後、結晶成長時の圧力がゲージ圧で5MPaになるようにチャンバ内に窒素ガスを導入し、ヒータの温度を上昇させて加熱を行う。加熱昇温の過程で、まず酸化ホウ素77が軟化融解し、リン化インジウム多結晶原料と種結晶75を完全に封止する。その後さらに昇温を続け、ヒータ63〜68の温度を調整しながら、種結晶の下部を融点以下の温度に保持する一方で、多結晶原料と種結晶77の上部を融点よりも高温に加熱して原料融液78を形成させる。さらに、この状態に一定時間保持することによって原料融液78の組成と温度を安定化させ、その後にヒータ63と64の温度をゆっくり降下させて、坩堝外壁面を融点以上の温度に加熱した領域が、上下方向に約120mmの領域となるように、また融液の温度が約50℃だけ融点よりも低温になるように温度分布を調整して過冷却融液を形成させる。その後、下軸72を10.5mm/hの速度で下降させることによって、直径約155mmの半絶縁性リン化インジウム単結晶79を成長させる。この場合に、坩堝74の外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配は、3.0℃/cmである。   Thereafter, the stainless steel chamber 61 is quickly sealed, and the inside of the chamber is evacuated by a vacuum pump. Thereafter, nitrogen gas is introduced into the chamber so that the pressure during crystal growth is 5 MPa in gauge pressure, and heating is performed by raising the temperature of the heater. In the process of heating and heating, the boron oxide 77 is first softened and melted to completely seal the indium phosphide polycrystal raw material and the seed crystal 75. Thereafter, the temperature is further raised and the temperature of the heaters 63 to 68 is adjusted to keep the lower part of the seed crystal at a temperature below the melting point, while heating the polycrystalline raw material and the upper part of the seed crystal 77 to a temperature higher than the melting point. A raw material melt 78 is formed. Further, the composition and temperature of the raw material melt 78 are stabilized by maintaining this state for a certain period of time, and then the temperature of the heaters 63 and 64 is slowly lowered to heat the crucible outer wall surface to a temperature equal to or higher than the melting point. However, the supercooled melt is formed by adjusting the temperature distribution so that the melt is in a region of about 120 mm in the vertical direction and the temperature of the melt is lower than the melting point by about 50 ° C. Thereafter, the lower shaft 72 is lowered at a speed of 10.5 mm / h to grow a semi-insulating indium phosphide single crystal 79 having a diameter of about 155 mm. In this case, the temperature gradient in the crystal growth axis direction on the outer wall surface of the crucible 74 is 3.0 ° C./cm.

このようにして得られるリン化インジウム単結晶の肩部から、鉄濃度が1×1016cm-3で、平均転位密度が約600cm-2の低転位密度基板が得られる。 From the shoulder portion of the indium phosphide single crystal thus obtained, a low dislocation density substrate with an iron concentration of 1 × 10 16 cm −3 and an average dislocation density of about 600 cm −2 is obtained.

1 ステンレス製チャンバ、2 断熱材、3、4、5、6、7、8 ヒータ、9、10 断熱板、11 熱遮蔽板、12 下軸、13 坩堝台、14 pBN製坩堝、15 種結晶、16 ヒ化ガリウム多結晶原料、17 酸化ホウ素(B23)、17a 酸化ホウ素膜、18 原料融液、19 ヒ化ガリウム単結晶、20 固体シリコン、21 ステンレス製チャンバ、22 断熱材、23、24、25、26、27、28 ヒータ、29、30 断熱板、31 熱遮蔽板、32 下軸、33 坩堝台、34 pBN製坩堝、35 種結晶、37 酸化ホウ素(B23)、38 原料融液、39 ヒ化ガリウム単結晶、41 ステンレス製チャンバ、42 断熱材、43、44、45、46、47、48 ヒータ、49、50 断熱板、51 熱遮蔽板、52 下軸、53 坩堝台、54 pBN製坩堝、55 種結晶、57 酸化ホウ素(B23)、58 原料融液、59 リン化インジウム単結晶、61 ステンレス製チャンバ、62 断熱材、63、64、65、66、67、68 ヒータ、69、70 断熱板、71 熱遮蔽板、72 下軸、73 坩堝台、74 pBN製坩堝、75 種結晶、77 酸化ホウ素(B23)、78 原料融液、79 リン化インジウム単結晶。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stainless steel chamber, 2 Thermal insulation material, 3, 4, 5, 6, 7, 8 Heater, 9, 10 Thermal insulation board, 11 Thermal shielding board, 12 Lower shaft, 13 Crucible stand, 14 pBN crucible, 15 Seed crystal, 16 Gallium arsenide polycrystal raw material, 17 Boron oxide (B 2 O 3 ), 17a Boron oxide film, 18 Raw material melt, 19 Gallium arsenide single crystal, 20 Solid silicon, 21 Stainless steel chamber, 22 Thermal insulation, 23, 24, 25, 26, 27, 28 Heater, 29, 30 Heat insulation plate, 31 Heat shield plate, 32 Lower shaft, 33 Crucible base, 34 pBN crucible, 35 Seed crystal, 37 Boron oxide (B 2 O 3 ), 38 Raw material melt, 39 Gallium arsenide single crystal, 41 Stainless steel chamber, 42 Heat insulation material, 43, 44, 45, 46, 47, 48 Heater, 49, 50 Heat insulation plate, 51 Heat shield plate, 52 Lower shaft, 53 Crucible Stand, 5 4 pBN crucible, 55 seed crystal, 57 boron oxide (B 2 O 3 ), 58 raw material melt, 59 indium phosphide single crystal, 61 stainless steel chamber, 62 heat insulating material, 63, 64, 65, 66, 67, 68 heater, 69, 70 heat insulating plate, 71 heat shielding plate, 72 lower shaft, 73 crucible base, 74 pBN crucible, 75 seed crystal, 77 boron oxide (B 2 O 3 ), 78 raw material melt, 79 indium phosphide Single crystal.

Claims (9)

40cm -2 以上100cm-2未満の平均転位密度と、5×1016cm-3以上で5×1017cm-3未満のシリコン濃度と、125mm以下の直径とを有することを特徴とするn型ヒ化ガリウム基板。 An n-type having an average dislocation density of 40 cm −2 or more and less than 100 cm −2 , a silicon concentration of 5 × 10 16 cm −3 or more and less than 5 × 10 17 cm −3 , and a diameter of 125 mm or less. Gallium arsenide substrate. 100mm以上の直径を有することを特徴とする請求項1に記載のn型ヒ化ガリウム基板。 The n-type gallium arsenide substrate according to claim 1, having a diameter of 100 mm or more. 300cm -2 以上1000cm-2未満の平均転位密度と、5×1015cm-3未満のシリコン濃度と、1×103Ωcm以上の比抵抗と、200mm以下の直径とを有することを特徴とする半絶縁性ヒ化ガリウム基板。 It has an average dislocation density of 300 cm −2 or more and less than 1000 cm −2, a silicon concentration of less than 5 × 10 15 cm −3 , a specific resistance of 1 × 10 3 Ωcm or more, and a diameter of 200 mm or less. Semi-insulating gallium arsenide substrate. 1×1014cm-3以上のカーボンが添加されていることを特徴とする請求項に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム基板。 The semi-insulating gallium arsenide substrate according to claim 3 , wherein carbon of 1 × 10 14 cm −3 or more is added. 150mm以上の直径を有することを特徴とする請求項3または4に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム基板。 The semi-insulating gallium arsenide substrate according to claim 3 or 4 , having a diameter of 150 mm or more. 10cm -2 以上100cm-2未満の平均転位密度と、1×1017cm-3以上で3×1018cm-3未満の硫黄濃度と、125mm以下の直径とを有することを特徴とするn型リン化インジウム基板。 An n-type having an average dislocation density of 10 cm −2 or more and less than 100 cm −2 , a sulfur concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and less than 3 × 10 18 cm −3 , and a diameter of 125 mm or less. Indium phosphide substrate. 300cm -2 以上1000cm-2未満の転位密度と1×103Ωcm以上の比抵抗と100mm以上で200mm以下の直径を有し、鉄がドープされていることを特徴とする半絶縁性リン化インジウム基板。 Semi-insulating indium phosphide having a dislocation density of 300 cm −2 or more and less than 1000 cm −2, a specific resistance of 1 × 10 3 Ωcm or more, a diameter of 100 mm or more and 200 mm or less, and doped with iron substrate. 鉄が1×1015cm-3以上添加されていることを特徴とする請求項に記載の半絶縁性リン化インジウム基板。 The semi-insulating indium phosphide substrate according to claim 7 , wherein iron is added in an amount of 1 × 10 15 cm −3 or more. 150mm以上の直径を有することを特徴とする請求項7または8に記載の半絶縁性リン化インジウム基板。 The semi-insulating indium phosphide substrate according to claim 7 or 8 , which has a diameter of 150 mm or more.
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