JPH02239199A - 半絶縁性ＩｎＰ単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半絶縁性ＩｎＰ単結晶の製造方法に関する
ものである。

［従来の技術コ 従来より、ＩｎＰ単結晶は発光素子や受光素子のほか、
ＦＥＴ　（電界効果トランジスタ）などの基板として用
いられている。ＦＥＴ用などの用途におけるＩｎＰ単結
晶は高抵抗であることが必要であるが、液体封止チョク
ラルスキー法ＣＬＥＣ法）により製造されるＩｎＰ単結
晶は低抵抗であるので、通常０．４ｐｐｍ以上の鉄が高
抵抗化のために添加されている。

ところで、最近では、このような半絶縁性ＦｅドーブＩ
ｎＰ単結晶を超高速電子デバイス用基板として用いるこ
とが検討されている。このような電子デバイス用基板と
して用いるためには、基板上に作製したＦＥＴの飽和電
流が高く、かつ均一であることが要求される。

第６図は、鉄を０、４ｐｐｍドーブした従来のＩｎＰ単
結晶の比抵抗の面内分布を示した図であり、インゴット
の軸方向に垂直な面内方向の分布を示している。第６図
に示されるように、従来の半絶縁性ＦｅドーブＩｎＰ単
結晶は、比較的面内の比抵抗分布は均一である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の半絶縁性ＦｅドーブＩｎＰ単結晶
は、その基板上にＦＥＴを作製した場合に、その飽和電
流が低いという問題があった。第７図は、ＩｎＰ結晶の
鉄濃度とその上に作成したＦＥＴの飽和電流との関係を
示す図である。第７図に示されるように、ＩｎＰ結晶中
にドーブする鉄濃度が高くなるにつれて、その上に作製
したＦＥＴの飽和電流が低下する。このようなＦＥＴの
飽和電流の基板に対する依存性は、たとえば、小沢らの
応用物理学会学術講演会予稿集１９８７年秋，ｐ８４９
．１９ｐ−ＺＤ−８および１９８８年春，ｐ２４５、５
ｐ−Ｘ−５などにも示されている。

このようなＦＥＴの飽和電流の低下を防ぐため、たとえ
ば鉄濃度を０．２ｐｐｍに減少して製造すると、飽和電
流の値は増加するが、結晶基板の比抵抗分布が不均一な
る。第８図は、このような鉄濃度を０．２ｐｐｍにした
場合の結晶の比抵抗の面内分布を示す図である。第８図
を第６図と比較すれば明らかなように、鉄濃度を減少さ
せることによって、比抵抗の面内分布が不均＝になる。

ここで、鉄の添加量と結晶基板の比抵抗およびその分布
の関係について述べる。一般に、ＩｎＰ鉄ドーブ結晶の
半絶縁性化の条件は次の式（１）で示される。

ｎＦｅ　≧ΣＮｄ一ΣＮａ≧０　　　　　　−（１）こ
こでΣＮｄはドナー濃度示しており、次の式（２）で示
される。

ΣＮ（１−ｎｄ＋α　　　　　　　　　・・・（２）こ
こで、ｎｄはＮ型の残留不純物の濃度を示しており、α
はドナーとして働く内製欠陥等の電気的に活性な欠陥の
濃度を示している。

また、ΣＮａは、次の式（３）で表わされる。

ΣＮａ−ｎ（１＋β　　　　　　　　　・・・（３）こ
こで、ｎａはＰ型の残留不純物の濃度を示しており、β
はアクセブタとして働く内製欠陥等の電気的に活性な欠
陥の濃度を示している。

式（１）において、ｎＦ８が右辺より十分に大きければ
、比抵抗が高く、かつその分布は鉄の含有濃度分布のみ
で決まるため、非常に均一なものとなる。しかし、ｎＦ
ｅを低くしていくと、比抵抗が下がるとともに、その分
布はアクセブタおよびドナーの分布の影響を受け、均一
性が悪化する。

経験的に、ｎＦ　８が式（１）における右辺よりも１桁
以上高ければ、比抵抗がＩＸＩＯ’Ω・Ｃｍ以上となり
、均一性も１０％以下となる。また、それ以下の値にな
ると、比抵抗が低下するとともに、均一性が悪化する。

しかしながら、上述のようにＦＥＴの飽和電流を向上さ
せるためには、鉄の添加量を少なくする必要がある。と
ころが、単に鉄の添加量を少なくすると、比抵抗分布の
均一性が悪化する。

この発明の目的は、インゴットの軸方向に垂直な面内方
向における比抵抗分布を均一にすることのできる、半絶
縁性ＩｎＰ単結晶の製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段コ 本発明者は、かかる従来の問題を解決するため鋭意研究
を重ねた結果、所定の圧力以上の燐の蒸気圧の下で、結
晶成長後のＩｎＰ単結晶インゴットを熱処理することに
より、比抵抗分布が均一な半絶縁性１ｎＰ単結晶の得ら
れることを見い出し、この発明をなすに至った。

すなわち、この発明は、結晶成長後のＩｎＰ単．結晶イ
ンゴットを０．　　５気圧以上の燐の蒸気圧下で熱処理
することを特徴とてしている。

［発明の作用効果コ ＩｎＰと同じ■一ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓに関
しては、単結晶基板の均一性の向上の目的で、従来から
熱処理を行なうことが知られている。たとえば、Ｄ．Ｒ
ｕｍｓｂｙらの’Ｉｍｐ　ｒｏｖｅｄ　　Ｕｎｉｆｏｒ
ｍｔｔｙ　　ｏｆ　　ＬＥＣＵｎｄｏｐｅｄ　　Ｇａｌ
ｌｉｕｍ　　Ａｒｓｅｎｉｄｅ　　Ｐｒｏｄｕｃｅｄ　
　ｂｙ　　Ｈｊｇｈ　　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　Ａ
ｎｎｅａｌｉｎｇＧａＡｓ　　ＩＣ　　Ｓｙｍｐｏｓｉ
ｕｍ　　（１９８３）　　　ＩＥＥＥ　　ｐ３４〜３７
に、このようなＧａＡｓのインゴットのア二一リングが
記載されている。これらのＧａＡｓの熱処理は、真空中
の雰囲気で行なうか、Ｎ２またはＡｒガスなどのような
不活性ガス中で行なうか、揮発性元素であるＡＳのわず
かな蒸気圧中で行なうか、あるいは酸化硼素の融液中で
行なわれており、一般には真空中で行なわれることが多
い。

本発明者は、このような従来のＧａＡｓに対する熱処理
と同様な熱処理を、ＩｎＰ単結晶について試み、比抵抗
の均一性については全く向上が認められず、却って著し
く悪化するという知見を得た。

Ａｓの蒸気圧中でＧａＡｓ単結晶を熱処理するという従
来の方法は、、■族元素の蒸気圧中でＩＩｒ−Ｖ族化合
物半導体単結晶を熱処理するという点において、この発
明と同様のように認められるかもしれない。しかしなが
ら、ＧａＡｓに対する従来のこのような熱処理は、揮発
性元素であるＡｓがインゴッ１・の表面から解離して抜
けるのを防止するため、Ａｓの蒸気圧中で行なっていた
ものである。したがって、Ａｓの蒸気圧は、通常Ａｓの
解離圧程度か、あるいはそれより低い圧で行なわれてい
た。また、従来より、ＧａＡｓの熱処理は、熱処理雰囲
気からの不純物混入による影響を避けるため、Ａｓの蒸
気圧中よりも、むしろ真空中で行なわれれる場合の方が
多かった。これは、インゴットの表面からＡｓが解離し
たとしても、その表面近傍の部分は使用せずに、中央の
部分のみを使用すれば事足りたからである。このように
、ＧａＡｓ単結晶については、Ａｓ蒸気圧中で熱処理を
するということは従来それほど大きな効果をもたらすも
のではなかった。

これに対し、この発明における燐の蒸気圧は、０．５気
圧以上であり、燐の解離圧が数Ｔｏｒｒであることを考
慮すれば、従来のＧａＡｓの熱処理の際のＡｓの蒸気圧
よりもはるかに高い値である。また、この発明において
燐の蒸気圧下で熱処理する目的は、単にインゴッド表面
における解離を抑制するだけでなく、インゴット内部に
与える影響までも含められている。

すなわち、この発明では、０，５気圧以上の燐の蒸気圧
下で熱処理することにより、内製欠陥等を減少させるこ
とによって、均一性を向上させている。したがって、こ
の発明によれば、鉄濃度を少なくしても、従来と同様に
均一な比抵抗分布を有した半絶縁性のＩｎＰ単結晶を得
ることができ、電子デバイス用基板としてＩｎＰ単結晶
を用いることが可能となる。

なお、これまでの説明では、半絶縁性１ｎＰ単結晶とし
て、鉄をドープ【，たＩｎＰ単結晶について説明してき
たが、この発明は、鉄をドープしたＩｎＰ単結晶のみに
限定されるものではない。すなわち、鉄をドーブしてい
ないＩｎＰ単結晶であっても、０．５気圧以上の燐の蒸
気圧下で熱処理することにより、比抵抗の面内分布を均
一にすることができる。

［実施例］ ＬＥＣ法により直径２インチで鉄濃度が０．　　１５〜
０。２０ｐｐｍのＩｎＰ単結晶を成長させた。

このＩｎＰ単結晶を用いて、以下の熱処理実験を行なっ
た。

燐の蒸気圧（以下、燐圧という）を、１０ＴＯｒｒ，０
．５気圧、１気圧、２気圧、５気圧および２０気圧と変
化させ、１ｎＰ単結晶を熱処理した。熱処理温度は、６
５０℃、７５０℃および８５０℃の３種の温度について
行なった。熱処理時間は、いずれも１０時間とした。

熱処理後の結晶から、ミラーウエハを切り出し、このウ
エハについて比抵抗を測定した。比抵抗は、第４図に示
すように、基板１の一方面に電極２を設け、他方面に電
極３を設けて、電極２を、第４図に示すような大きさお
よび形状にし、円形形状の電極２ａの面積Ｓ、基板１の
厚み１Ｓ電流値工および電圧値Ｖから、次式により比抵
抗ρを測定した。

Ｉｔ ウエハ上の４００点についてそれぞれ比抵抗を測定し、
比抵抗の平均値、および比抵抗の均一性（４００点の標
準偏差／４００点の平均値）を算出して、第１図に示し
た。

なお、燐圧０気圧のところに示されている値は、インゴ
ットを熱処理する前の比抵抗の測定値を示している。

第１図から明らかなように、いずれの熱処理温度におい
ても、０．５気圧以上の燐圧の下で熱処理したものはい
ずれも、処理を行なっていないものに比べ優れた均一性
を示した。また、燐圧が１０Ｔｏｒｒで熱処理したたち
のは、むしろ処理しないものよりも均一性が劣っていた
。

また、ＩｎＰ融液の飽和蒸気圧である２８気圧まで燐圧
を高めて熱処理を行なったところ、ほぼ同様に均一性の
向上が認められた。

次に、熱処理温度を５００℃、５５０℃、６００℃、６
５０℃、７５０℃、８５０℃、９５０℃に代えて、上記
と同じ結晶成長後のＩｎＰ単結晶を用いて、熱処理を行
なった。燐圧は、１０Ｔｏ『ｒ１２気圧および５気圧の
３種の条件で行なった。また熱処理時間は１０時間とし
た。

上記と同様に得られた結晶からミラーウエハを切り出し
、比抵抗を計１定し、比抵抗の平均値および均一性を第
２図に示した。第２図に示されるように、燐圧が１０Ｔ
ｏｒｒのものは、熱処理温度が高くなればなるほど均一
性が劣化した。これに対し、燐圧が２気圧および５気圧
のものは、いずれの温度でも均一性の向上が認められた
。特に、６５０℃以上の温度で著しく均一性が改善され
た。

次に、熱処理時間を２時間、１０時問および４０時間に
変化させて、上記と同じＩｎＰ単結晶を熱処理した。燐
圧は２気圧とし、熱処理温度は８５０℃とした。熱処理
後のインゴッドから、上記と同様にミラーウエハを切り
出し、比抵抗を測定して、比抵抗の平均値および均一性
を算出した。

結果を第３図に示す。第３図から明らかなように、或る
一定時間までは熱処理時間とともに均一性が改善され、
その後はほぼ同じ均一性となった。この実験における条
件では、１０時間まで均一性が徐々に改善され、熱処理
時間が１０時間以上になると、ほぼ同じ均一性を示した
。第５図は、この発明の一実施例で得られた結晶の比抵
抗の面内分布を示す図であり、燐圧２気圧、熱処理温度
８５０℃、熱処理時間１０時間の条件で熱処理した結晶
について示す図である。第８図との比較から明らかなよ
うに、この発明に従う熱処理により比抵抗分布が均一と
なっている。

以上の実験結果から明らかなように、燐圧、すなわち燐
の蒸気圧を０．５気圧以上にして熱処理することにより
、半絶縁性ＩｎＰ単結晶における面内の比抵抗分布の均
一性を改善できることがわかった。なお、燐の蒸気圧下
での熱処理が、どのようなメカニズムによって比抵抗の
均一性の向上をもたらすかについてはその詳細が明らか
ではないが、■族およびＶ族元索の格子間原子おび空孔
が、熱処理によって何らかの挙動を示し、比抵抗の均一
性が改善されるものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱処理の際の燐圧と、熱処理後の結晶の比抵
抗およびその均一性の関係を示す図である。第２図は、
熱処理温度と熱処理後の結晶の比抵抗およびその均一性
の関係を示す図である。第３図は、熱処理時間と熱処理
後の結晶の比抵抗およびその均一性の関係を示す図であ
る。第４図は、結晶の比抵抗の測定方法を示す図である
。第５図は、この発明に従う実施例で得られた結晶の比
抵抗の面内分布を示す図である。第６図は、従来の方法
に従い鉄を高濃度に添加して製造した結晶の比抵抗の面
内分布を示す図である。第７図は、基板結晶の鉄濃度と
その上に作製したＦＥＴの飽和電流との関係を示す図で
ある。第８図は、鉄濃度を０．２ｐｐｒｎにした場合の
結晶の比抵抗の面内分布を示す図である。 口 萬３図 宋→↓工￥時間（ｅｒ間） 第２口 萬４図 第ｒ５図 フエハイｒＬ見　（／帽り 第７口 紫、濃度（／直ｐＰり 第６図 ウニハ植−，Ｌ（／７ｒｌリ 第８口 ウＬ八メ在１（／７ｒｌり

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）結晶成長後のＩｎＰ単結晶インゴットを０．５気
   圧以上の燐の蒸気圧下で熱処理することを特徴とする、
   半絶縁性ＩｎＰ単結晶の製造方法。