JPH03279285A - 化合物半導体の結晶成長方法 - 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） 本発明は化合物半導体の結晶成長方法に関し、更に詳し
くは、シード（種結晶）を用いることなく、直接合成し
た化合物半導体の融液から縦型結晶成長法で化合物半導
体の単結晶を成長させる方法に関する。

（従来の技術） 従来から、縦型温度勾配法や縦型ブリッジマン法のよう
な縦型結晶成長法で化合物半導体の単結晶を成長せしめ
る場合には、一般に、縦型ボートの最底部にシードを設
置し、このシードの上に多結晶の原料を充填し、ついで
この多結晶原料を溶融せしめたのち、所定の温度勾配を
つけて、シードから結晶を順次成長せしめ、それを固化
するという方法が採られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記したような縦型結晶成長法を直接合
成法に適用することは困難である。

縦型で直接合成法を行なうときには、石英封管内の上部
に配設された縦型ボートに例えばＩｎを入れ、石英封管
内の下部には例えばＰを配置し、この縦型ボートの中で
例えばＩｎＰのような化合物半導体の融液を直接合成す
るのであるが、その場合、結晶成長を行なうに当たって
シードを縦型ボートの最底部に設置しておくと、融液の
直接合成時にこのシードのみを固体状態で保持すること
は極めて困難だからである。

仮に直接合成法に近似した方法で結晶成長を行なう場合
には、縦型ボートの最底部にシードを設置し、この上に
若干量の多結晶を充填してシードを溶融させないための
緩衝域を形成し、更にその上に原料であるＩｎやＰなど
を化学量論的組成となる量だけ充填するという方法が採
られている。

本発明は縦型で直接合成法による化合物半導体の結晶成
長における上記した問題を解決して、シードを用いるこ
となく化合物半導体の単結晶を製造することができる化
合物半導体の結晶成長方法の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明においては、直
接合成法で調製された化合物半導体の融液を収容する縦
型ボートが上部に内蔵されている石英封管を、分割ヒー
タから成る環状電気炉の中心部に立設し、結晶成長の開
始に当たっては、前記縦型ボートの下側先端部に周期的
に温度変化を付与して前記化合物半導体の結晶核を成長
せしめ、ついで、前記周期的な温度変化の付与を停止し
たのち、前記縦型ボートの下側先端部から上側に向かっ
て所定の温度勾配で熱管理することにより結晶成長を進
めることを特徴とする化合物半導体の結晶成長方法が提
供される。

（作用） 結晶成長の開始に当たり、縦型ボートの下側先端部に、
化合物半導体の融点より低い温度域において、周期的な
温度変化を与えると、縦型ボートの前記下側先端部の内
部に存在している化合物半導体の融液の一部からはその
単結晶が析出する。

そして、この析出単結晶がシードとなって、以後、結晶
成長が進行してい（。

（実施例） 以下に、本発明の実施例をＩｎＰ単結晶を成長させる場
合について説明する。

第１図は、本発明方法で用いる装置の一例を示す概略側
断面図である。

図において、ＡｒやＮ、ガスのような不活性ガスの導入
口１ａ、導出口１ｂを有する高圧容器の中には、分割ヒ
ータ２ａ、２ｂ、・・・２ｎから成る環状電気炉２が配
設されている。そして、高圧容器１の上部、下部および
側壁には、電気炉２の動作時における高圧容器１の過熱
を防ぐために、水冷ジャケット３が周設されている。

環状電気炉２の上・下開口部には、電気炉２内の放熱を
防ぐために上部断熱材４ａ、下部断熱材４ｂがそれぞれ
配設され、下部断熱材４ｂの上で環状電気炉２の中心部
には、石英封管５が立設されている。

石英封管５の内部の底には、純度９９．９９９９％の赤
リン６が収容され、また石英封管５の上部には、純度９
９．９９９９％のインジウムを収容する石英製の縦型ボ
ート７が、石英封管５の内壁に突出して形成した支持部
５ａによって支持されている。

ここで、縦型ボート７は、第２図で示したように、下側
先端部７ａが円錐状になっている。先端の角度αは通常
２０°〜６０°であることが好ましい。そ、して、縦型
ボート７の内面は、第３図の部分拡大図で示したように
、凹凸面になっている。

この凹凸面の凹凸状態は、例えば、粗さ表示でＲｍａｘ
が１００μｍ程度であることが好ましい。

縦型ボートの内面７ｂを上記したような凹凸面にしてお
くと、直接合成されたＩｎＰ融液と内面７ｂとの濡れ性
が低下し、その結果、後述するようにして析出したＩｎ
Ｐ単結晶がシードとなって結晶成長が進む過程で、縦型
ボートの内面に双晶や多結晶核が成長するという不都合
な問題を解消することができる。

この凹凸面は、縦型ボートの内面に、例えば３００番の
サンドを用いたサンドブラスト処理を施し、かつ酸素・
水素バーナのような熱的加工を施すことによって容易に
形成することができる。

また、縦型ボート７は、第４図で示したように、壁部を
２重構造にしたものであってもよい。このような構造に
すると、ボート壁部を通って外部へ放散するＩｎＰ融液
の熱量を極力抑制することができ、その結果、縦型ボー
ト７の内面における双晶や多結晶核の成長が防止される
。

石英封管５の内部には、支持部５ｂに支持された状態で
ヒートシンク８がその上面を縦型ボート７の下側先端部
７ａと接触するようにして配設されている。このヒート
シンク８は、縦型ボート７の下側先端部７ａからＩｎＰ
融液の熱量を効率よく放散せしめる働きをする。

このようなヒートシンク８としては、例えば熱伝導率が
大きいカーボン材を基材とし、その表面に熱分解ＢＮ　
（ＰＢＮ）のコーティングを施したものをあげることが
できる。

また、ヒートシンク８の上部には、縦型ボート７の円錐
部分の側壁を包むようにして断熱材９が配設される。

この断熱材９は、円錐部分の側壁からの放熱を極力防止
し、そのことによって、結晶成長しつつあるＩｎＰ融液
の固液界面形状が融液側に対して凹面となることに起因
すると考えられている双晶や多結晶核の成長を抑制する
働きをする。このような断熱材９としては、例えば、石
英、アルミナ等のセラミックスをあげることができる。

このようにして、石英封管５の内部は、下部にリン室５
ｃ、上部にボート室５ｄへと画分される。

この装置において、高圧容器１の中にガス導入管１ａか
らＡｒガスを２７気圧で導入し、各分割ヒータ２ａ、２
ｂ、・・・２ｎを動作せしめてリン室５ｃの温度を５４
５°Ｃ（リン圧２７気圧に相当）、ボート室５ｄの温度
を１０６２〜１０７０℃に管理する。このときの温度分
布は第５図の曲線Ａで示すプロファイルのとおりである
。

縦型ボート７の中には、ＩｎＰの融液ｌＯが直接合成さ
れる。

ついで、縦型ボートの下側先端部７ａに後述するような
周期的な温度変化を与える。

このときの温度変化としては、例えば、第６図で示した
ような温度パルスを周期的に与える場合をあげることが
できる。

すなわち、第６図において、まず、５分間で１ｎＰの融
点（ＭＰ）より１５°Ｃはど温度を下げ、その温度を１
０分間保持したのち、５分間で融点より３℃はど低い温
度にまで昇温しでその温度を７分間保持する（温度パル
スｐｏ）。ついで５分間で融点より１０℃はど温度を下
げてその温度を１０分間保持したのち、５分間で融点よ
り３℃はど低い温度にまで昇温しでその温度を７分間保
持する（温度パルスＰ＋）。再び５分間で融点より５℃
はど温度を下げてその温度を１０分間保持したのち、５
分間で融点より３℃はど低い温度にまで昇温しでその温
度を７分間保持する（温度パルスＰｚ）。そして、最後
に、上記温度パルスＰ２を５〜７回反復して付与したの
ち、融点との温度差へＴを３℃に保持する。

このような温度変化を縦型ボートの下側先端部７ａにの
み付与することにより、その部分の内部に位置するＩｎ
Ｐ融液ｌＯからはＩｎＰ単結単結晶酸長する。

上記したような周期的温度変化は、縦型ボートの下側先
端部７ａの外周に配置されている分割ヒータからの発熱
量を局部的に調節することによって実現することができ
る。この場合、下側先端部７ａ以外の個所に、この温度
変化が極力影響を及ぼさないようにする。例えば、分割
ヒータが巻線ヒータであった場合、この下側先端部７ａ
の周囲の分割ヒータにおいては、その巻線数を他の分割
ヒータの場合よりも極端に少なくすればよい。

また、第７図の部分断面図で示したように、縦型ボート
の下側先端部７ａの外側に局部ヒータ１１を別置し、こ
の局部ヒータ１１を動作することによって、前記した周
期的な温度変化を実現してもよい。

また、他の周期的な温度変化としては、例えば第８図に
示したような温度変化であって、最後に温度パルスＰ３
を５〜７回反復して、ΔＴを３°Ｃに保持するような態
様であってもよい。

このようにして、縦型ボートの下側先端部７ａでＩｎＰ
の単結晶核を成長せしめたのち、分割ヒータの動作を変
えて、例えば第９図で示したような、温度分布を縦型ボ
ート７の下部から上部へと矢印のように移動させるよう
な熱管理を行なうことにより、ＩｎＰ融液ｌＯからの結
晶成長を進める。このときの温度勾配（ΔＴ／ΔＸ）Ｂ
は１５℃／ｃｍとした。

なおこのときに、縦型ボート７の融液中心部ａとボート
の外部すにおける温度分布を第１Ｏ図で示したＴａ、Ｔ
ｂのようにして上下方向に移動させることが好ましい。

このような温度分布の熱管理を行なうと、熱流は縦型ボ
ート７の周囲から内部へと向かい、更には、縦型ボート
７の下側先端部７ａからヒートシンクへと向かい、その
結果、縦型ボート７の下側先端部７ａ内において単結晶
核が成長しやすくなり、しかも、結晶成長しつつあるＩ
ｎＰ融液１０の固液界面形状が融液側に対してフラット
面または凸面となり、双晶や多結晶核の成長を抑制する
ことができて有効である。

このようにして、シードを設置することなく、４゜ ＩｎＰ単結晶を成長させることかできる。

なお、上記実施例ではｌｎＰ単結晶の成長に関して説明
したが、本発明方法はこれに限定されることなく、更に
はＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂのような他
の化合物半導体の単結晶を縦型ボートで成長させる場合
にも適用することができる。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明方法によれば、シ
ードを設置することなく、直接合成された化合物半導体
の融液から化合物半導体の単結晶を成長させることがで
きる。

そのとき、用いる縦型ボートの内面を凹凸面にしたり、
もしくは２重構造にしたり、また温度分布の熱管理を適
正に調節することにより、双晶や多結晶核の成長を抑制
することができ、安定した高品質の単結晶成長を進める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法で用いる装置例の側断面図、第２図
は縦型ボートの側断面図、第３図は縦型ボートの内面を
示す部分拡大図、第４図は縦型ボートの他の例を示す側
断面図、第５図はＩｎＰ融液を直接合成するときの温度
プロファイル、第６図は縦型ボートの下側先端部に付与
する温度変化の１例を示すプロファイル、第７図は縦型
ボートの下側先端部における局部ヒータの配置例を示す
部分断面図、第８図は縦型ボートの下側先端部に付与す
る温度変化の他の例を示すプロファイル、第９図は結晶
成長過程における温度分布の移動を示すプロファイル、
第１Ｏ図は他の温度分布の移動を示すプロファイルであ
る。 １・・・高圧容器、１ａ・・・ガス導入口、１ｂ・・・
ガス導出口、２・・・環状電気炉、２ａ、２ｂ、・・・
２ｎ・・・分割ヒータ、３・・・水冷ジャケット、４ａ
・・・上部断熱材、４ｂ・・・下部断熱材、５・・・石
英封管、５ａ・・・縦型ボートの支持部、５ｂ・・・ヒ
ートシンクの支持部、５Ｃ・・・リン室、５ｄ・・・ボ
ート室、６・・・赤リン、７・・・縦型ボート、７ａ・
・・縦型ボートの下側先端部、７ｂ・・・縦型ボートの
内面（凹凸面）、８・・・ヒートシンク、９・・・断熱
材、１０・・・ＩｎＰ融液（直接合成された化合物半導
体の融液）、１１・・・局部ヒータ。 第 図 第２図 第３図 第４図 第５図 温浸　じＣ）　− 第６図 吟閏　（τ＋１ｎ）− 第７図 第８図 時間 （ｍｉｎ） ＝ｗ片款ＩＱ卒も鰹越

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）直接合成法で調製された化合物半導体の融液を収
   容する縦型ボートが上部に内蔵されている石英封管を、
   分割ヒータから成る環状電気炉の中心部に立設し、結晶
   成長の開始に当たっては、前記縦型ボートの下側先端部
   に周期的に温度変化を付与して前記化合物半導体の結晶
   核を成長せしめ、ついで、前記周期的な温度変化の付与
   を停止したのち、前記縦型ボートの下側先端部から上側
   に向かって所定の温度勾配で熱管理することにより結晶
   成長を進めることを特徴とする化合物半導体の結晶成長
   方法。
2. （２）前記縦型ボートの内面が凹凸面になっている請求
   項１に記載の化合物半導体の結晶成長方法。
3. （３）前記縦型ボートの壁面が２重構造になっている請
   求項１または２に記載の化合物半導体の結晶成長方法。