JPH05279195A - Production of group i-iii-vi 2 semiconductor single crystal - Google Patents

Production of group i-iii-vi 2 semiconductor single crystal

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JPH05279195A
JPH05279195A JP8102492A JP8102492A JPH05279195A JP H05279195 A JPH05279195 A JP H05279195A JP 8102492 A JP8102492 A JP 8102492A JP 8102492 A JP8102492 A JP 8102492A JP H05279195 A JPH05279195 A JP H05279195A
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group
constriction
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英二 丹羽
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直司 中村
Takeshi Masumoto
剛 増本
Katsumi Mochizuki
勝美 望月
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Abstract

PURPOSE:To obtain a group I-III-VI 2 semiconductor single crystal having high homogeneity, large size, stoichiometric composition and high luminous efficiency by forming a neck part having a specific shape in the middle of a growth tube and restricting the growing speed of the crystal. CONSTITUTION:The growth tube to be used in the subject process is composed of a gradient composition part for the control of the composition, a neck part for the selection of a single crystal nucleus and a single crystal growing part arranged in the order from under. The neck part has an inner diameter D0 of 2-10mm, a neck length L0 of 0-3cm, an opening angle to the growth-starting side thetab of 30-120 deg. and an opening angle to the growth-finishing side thetau of <=120 deg.. A polycrystalline material containing a group I element consisting of Ag, a group III element consisting of Al and/or Ga and a group VI element consisting of S and/or Se is sealed in the above growth tube in vacuum and a group I-III- VI 2 semiconductor single crystal is grown at a growing speed of 0.1-5cm/day by a temperature gradient solidification process, etc.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

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

【0002】[0002]

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

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

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

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

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

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

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上述した問題点を解決
する方法として、歪や割れがなく、しかも大型で良質な
単結晶を得ることのできるシーズ法、いわゆる種結晶を
用いる方法がある(引用文献 R.S.Feigelson and R.K.R
oute, “Recent developments in the growth ofchalco
pyrite crystala for nonlinear infrared application
s ”, OPTICALENGINEERING, 26(2)113-119(1987) )。
この方法は、単結晶の成長方向が種結晶のc軸と同じ方
向に単結晶を成長させようとするものであるが、次に述
べるような困難な問題がある。
As a method for solving the above-mentioned problems, there is a seeds method which is free from strain or cracks, and is capable of obtaining a large quality single crystal, that is, a method using a so-called seed crystal (cited. Literature RS Feigelson and RKR
oute, “Recent developments in the growth of chalco
pyrite crystala for nonlinear infrared application
s ”, OPTICALENGINEERING, 26 (2) 113-119 (1987)).
This method attempts to grow a single crystal in a direction in which the growth direction of the single crystal is the same as the c-axis of the seed crystal, but has the following difficult problems.

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

【0010】第2の問題としては、得られた単結晶の中
には成長開始側から終了側にかけて組成の変化がかなり
多く見られる場合がある。このような状態では、光学的
特性にも悪い影響を及ぼすおそれがある。この組成の変
化について、AgGaS2 化合物の場合を例にとり説明
する。AgGaS2 化合物の化学量論的組成は、Ag2
S量が50%であり、Ag2 S−Ga2 3 擬2元系状態
図(図2参照:引用文献 R.S.Feigelson and R.K.Rout
e, OPTICAL ENGINEERING, 26(2)113-119(1987))におい
てA点の組成に相当する。しかしこの組成は、AgGa
2 化合物の調和溶融液組成(B点)と一致しない。そ
のため化学量論的組成(A点)から成長させた結晶中に
は組成の僅かな変化が生じることがわかる。これとは別
に調和溶融液組成からの結晶成長を行った場合には、隣
接するGa2 3 側の相が冷却過程において析出物とし
て混入し、化学量論的組成の均質な単結晶が得られな
い。この析出物を除去する方法としては、得られた単結
晶およびAg2 Sを等温熱処理する手段により解決を図
っている。しかし、このような方法で熱処理を施しても
析出物を完全に除去することは困難である。
The second problem is that in the obtained single crystal, the composition changes considerably from the growth start side to the growth end side. In such a state, the optical characteristics may be adversely affected. This change in composition will be described by taking the case of an AgGaS 2 compound as an example. The stoichiometric composition of the AgGaS 2 compound is Ag 2
A phase diagram of Ag 2 S-Ga 2 S 3 quasi-binary system with S content of 50% (see Fig. 2: Cited reference RS Feigelson and RKRout
e, OPTICAL ENGINEERING, 26 (2) 113-119 (1987)). However, this composition is AgGa
It does not match the composition of the harmony melt of the S 2 compound (point B). Therefore, it is understood that a slight change in composition occurs in the crystal grown from the stoichiometric composition (point A). When crystal growth from a harmonic melt composition is performed separately from this, the adjacent Ga 2 S 3 -side phase mixes in as precipitates during the cooling process, and a homogeneous single crystal with a stoichiometric composition is obtained. I can't. As a method for removing this precipitate, a solution is attempted by means of isothermal heat treatment of the obtained single crystal and Ag 2 S. However, it is difficult to completely remove the precipitate even if the heat treatment is performed by such a method.

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

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

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

【0013】また、I-III-VI2 族半導体(I族はAg、
III 族はAlおよびGaの1種又は1種以上の元素、お
よびVI族はSおよびSeの1種又は1種以上の元素)に
は、結晶成長の際、成長の開始側から終了側にかけて非
化学量論的組成から化学量論的組成へと変化する組成変
化を生じるという性質があるが、組成が丁度化学量論的
組成になり始める領域に「くびれ」を設けることによ
り、析出物を含まない単結晶を得ることができるものと
考えた。
A group I-III-VI2 semiconductor (group I is Ag,
Group III is one or more elements of Al and Ga, and Group VI is one or more element of S and Se) It has the property of causing a composition change that changes from a stoichiometric composition to a stoichiometric composition, but by forming a "constriction" in the region where the composition just begins to become stoichiometric, precipitates are included. It was thought that a single crystal that does not exist could be obtained.

【0014】要する上述の手段によると、種結晶あるい
は熱処理等の方法にはみられない簡便な方法であって、
しかも大型で良質なI-III-VI2 族半導体単結晶を極めて
容易に製造することが可能となった。
According to the above-mentioned required means, it is a simple method which is not found in the method of seed crystal or heat treatment,
Moreover, it has become possible to very easily manufacture a large-sized and high-quality I-III-VI2 semiconductor single crystal.

【0015】[0015]

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

【0016】これらの単結晶を製造するための最適な条
件は、幾多の実験の結果、次の範囲に絞られることがわ
かった。「くびれ」の下から成長開始端までの長さLb
は、原料の体積に対する相対値として限定され、良質で
大きな単結晶を得るにはLb の領域の体積を原料全体の
85%以上とする必要がある。「くびれ」の内径Do につ
いては、Db 、Du の大きさにもよるが、2mm以上10mm
以下の範囲が最適である。「くびれ」の長さLoは、原
料の配合比にもよるが、3cm以下が適している。「くび
れ」から「組成傾斜部」への開き角度θb は30゜以上12
0 ゜以下、「くびれ」から「単結晶成長部」への開き角
度θu は120 ゜以下、成長速度は0.1 cm/日以上5cm/
日以下が適当であり、特にAgGaS2 では、0.4 cm/
日以上2cm/日以下が最適であった。
As a result of numerous experiments, it was found that the optimum conditions for producing these single crystals can be narrowed down to the following range. Length Lb from "constriction" to the start of growth
Is limited as a relative value with respect to the volume of the raw material, and in order to obtain a good quality large single crystal, the volume of the region of Lb is
It must be 85% or more. The inner diameter Do of the "constriction" depends on the sizes of Db and Du, but it is 2 mm or more and 10 mm.
The following range is optimal. The length “L” of the “constriction” is 3 cm or less, though it depends on the mixing ratio of the raw materials. The opening angle θb from the “constriction” to the “composition slope” is 30 ° or more 12
0 ° or less, the opening angle θu from the “constriction” to the “single crystal growth part” is 120 ° or less, and the growth rate is 0.1 cm / day or more and 5 cm /
Less than a day is appropriate, especially for AgGaS2 0.4 cm /
The optimum value is not less than 2 cm / day and not more than one day.

【0017】次に本発明の技術を確立する上で重要な基
礎的概念を図2から図6で説明する。図2から判るよう
に、AgGaS2 化合物の存在領域は、高温度(約720
℃以上)において、化学量論的組成(Ag2 S量50%、
Ga2 3 量50%)からGa2 3 側に最大2%ほど広
がっている。AgGaS2 化合物の調和溶融点はB点
(Ga2 3 量51%)に、また液相線上の化学量論的組
成の融点はA点(Ga2 3 量50%)にそれぞれ対応し
ている。すなわち、図2の一部を拡大した状態図(図4
参照)において、AgGaS2 化合物の調和溶融液組成
(B点)は化学量論的組成(A点)と異なっている。そ
のため、AgGaS2 の融体を化学量論的組成から冷却
すると、まずA点では液相(L)とAgGaS2 の二相
共存であって、液相中にAgGaS2 がわずかに晶出す
る。従ってこの温度における固相の組成は図からわかる
ように化学量論的組成にならず、B点の調和溶融液組成
となる。
Next, a basic concept important for establishing the technique of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 6. As can be seen from FIG. 2, the existence region of the AgGaS 2 compound is at a high temperature (about 720
Above 50 ° C, stoichiometric composition (Ag 2 S amount 50%,
It extends about 2% up from Ga 2 S 3 content 50%) in the Ga 2 S 3 side. The harmonic melting point of AgGaS 2 compound corresponds to point B (Ga 2 S 3 amount 51%), and the melting point of the stoichiometric composition on the liquidus line corresponds to point A (Ga 2 S 3 amount 50%). There is. That is, a state diagram in which a part of FIG. 2 is enlarged (see FIG.
Reference), the harmonized melt composition (point B) of the AgGaS 2 compound differs from the stoichiometric composition (point A). Therefore, when the melt of AgGaS 2 is cooled from the stoichiometric composition, first, at the point A, two phases of the liquid phase (L) and AgGaS 2 coexist, and AgGaS 2 slightly crystallizes in the liquid phase. Therefore, the composition of the solid phase at this temperature does not become a stoichiometric composition, as can be seen from the figure, but it becomes a harmonic melt composition at point B.

【0018】次に、Ga2 3 量が50%の融体から51%
の固相が晶出された場合には、当然残りの融体の組成は
A点よりもAg2 S側へわずかにシフト(A1 −B1
することになる。融体の組成がAg2 S側へシフトする
と融点がわずかに低くなる。融点が低くなると晶出する
固相の組成がB点よりもわずかにAg2 S側へシフト
(A2 −B2 )する。これを繰り返していくと融体の組
成は、A点からAg2 S側へさらにシフトしてゆきて晶
出する組成もBC間の曲線に沿ってBからB1 ,B2
3 を経てCへとシフトしてゆくものと考えた。この変
化の様子を、実際の結晶成長に対応させると、図5
(ア)に示してあるようなスケッチ図となる。得られた
単結晶は、結晶の成長開始側(B点)から終了側(C
点)へ向けてわずかな組成変化が見られる。ここで問題
となるのは、晶出したB点の組成およびB点とC点の間
の組成を持つAgGaS2 の固相は、温度の降下により
AgGaS2 とAg2 Ga2031の共存相へと相転移す
るということである。すなわちAgGaS2 母相中にA
2 Ga2031が析出物として混入することであり、こ
の析出物は光を散乱し、単結晶の透過率を著しく損なう
原因となる。それ故、得られた単結晶を観察してみる
と、成長開始側(図5(ア)のB〜B2 領域)ほどAg
2 Ga2031の析出物が多く含まれ結晶が白濁するが、
終了側に近づくほど析出物が少なくなってゆき、漸次透
明さを増す(図5(ア)のB2 〜B3領域)。さらに末
端部に近いC点に達した部分では、すなわち全融体量
(原料)に対する割合が85%となる時点において、析出
物を全く含まず、完全に透明となる。このC〜Dの領
域、すなわち、化学量論的組成をもつ透明な部分は、全
融体量に対して常に一定の割合の体積(約15%)で占め
られることが多くの実験結果によって実証できた。この
ことから判断して、成長方向の長さが長ければ長いほど
化学量論的組成の体積を大きくとることが可能となり、
任意の大きさの良質の単結晶を作製することができるで
あろうと考えた。しかし、実験の結果I-III-VI2 族半導
体結晶の場合、成長管の管径を大きくしたり、あるいは
長さを長くしただけでは単一の結晶核が大きく育たず、
また大きな単結晶を造ることができないことも判明し
た。
Next, from the melt containing 50% of Ga 2 S 3 to 51%
When the solid phase is crystallized, naturally the composition of the remaining melt slightly shifts from the point A to the Ag 2 S side (A 1 -B 1 ).
Will be done. When the composition of the melt shifts to the Ag 2 S side, the melting point becomes slightly lower. When the melting point becomes lower, the composition of the solid phase that crystallizes out shifts slightly from the point B to the Ag 2 S side (A 2 -B 2 ). When this is repeated, the composition of the melt further shifts from the point A to the Ag 2 S side, and the composition that crystallizes also follows the curve between BC from B to B 1 , B 2 ,
I thought that I would shift to C after going through B 3 . If the state of this change is made to correspond to the actual crystal growth, FIG.
The sketch is as shown in (a). The obtained single crystal is from the crystal growth start side (point B) to the end side (C
A slight compositional change is observed toward the point. The problem here is that the solid phase of AgGaS 2 having the composition of the crystallized B point and the composition between the B point and the C point is the coexisting phase of AgGaS 2 and Ag 2 Ga 20 S 31 due to the temperature drop. It means that the phase transitions to. That is, A in the GaGaS 2 matrix
This is because g 2 Ga 20 S 31 is mixed in as a precipitate, and this precipitate scatters light and causes the transmittance of the single crystal to be significantly impaired. Therefore, when observing the obtained single crystal, Ag was found to be closer to the growth start side (B to B 2 region in FIG. 5A).
A large amount of 2 Ga 20 S 31 precipitates were included and the crystals became cloudy.
The closer to the end side, the less the precipitates, and the more the transparency gradually increases (B 2 to B 3 region in FIG. 5A). Further, in the portion reaching the point C closer to the terminal portion, that is, at the time when the ratio to the total melt amount (raw material) is 85%, no precipitate is contained at all, and it becomes completely transparent. It has been proved by many experimental results that the region of C to D, that is, the transparent portion having the stoichiometric composition, is always occupied by a fixed volume (about 15%) with respect to the total amount of melt. did it. Judging from this, the longer the growth direction, the larger the volume of the stoichiometric composition,
We thought that it would be possible to produce good quality single crystals of arbitrary size. However, in the case of group I-III-VI2 semiconductor crystals, the single crystal nuclei did not grow significantly if the diameter of the growth tube was increased or the length was increased.
It was also found that a large single crystal could not be produced.

【0019】これらの欠点を克服するために本発明者ら
は幾多の実験を行った結果、単一核を優先的に大きく成
長させる方法として成長管の中間に「くびれ」を設ける
方法が極めて有望であることを見出した。しかしなが
ら、その「くびれ」を成長管のどの位置に設けるか、す
なわちLb をどのくらいにとり原料を成長管のどこまで
入れるかによって、均質で大きな単結晶の成長が左右さ
れることも明らかとなった。例えば図5(イ)に示すよ
うに成長開始端付近に「くびれ」を設ける(「組成傾斜
部」の長さLb が小さい)場合では、単結晶が大きくと
れてもその単結晶中に組成変化が生じ、析出物の混入を
招き、またクラックも入りやすくなり満足できる単結晶
すら得られなくなる。なお図5(イ)および(ウ)の斜
線部分が化学量論的組成で、その下部は組成が変化して
いる。
As a result of numerous experiments conducted by the present inventors in order to overcome these drawbacks, a method of providing a “constriction” in the middle of the growth tube is very promising as a method of preferentially growing a single nucleus to a large size. I found that. However, it has also been clarified that the growth of a homogeneous and large single crystal is influenced by the position of the "constriction" in the growth tube, that is, how much Lb is taken and how much the raw material is put in the growth tube. For example, as shown in FIG. 5 (a), when a "constriction" is provided near the growth start end (the length Lb of the "composition-graded portion" is small), even if the single crystal is large, the composition changes in the single crystal. Occurs, which leads to the inclusion of precipitates and cracks are likely to occur, so that even a satisfactory single crystal cannot be obtained. The hatched portions in FIGS. 5A and 5C indicate the stoichiometric composition, and the composition changes in the lower portion.

【0020】要するに「くびれ」だけでなくLb も重要
な要素であることを見出した。図5(ウ)は結晶成長の
途中において調和溶融液組成から化学量論的組成に移り
変わる最適な位置Lb に「くびれ」を設けることが有効
であることを示したものである。この方法により、「く
びれ」の成長終了端側(C〜D)に析出物を含まず、化
学量論的組成の均質な単結晶が得られた。
In short, it was found that not only the "constriction" but also Lb is an important factor. FIG. 5C shows that it is effective to provide a "constriction" at the optimum position Lb where the composition of the harmonious melt changes to the stoichiometric composition during crystal growth. By this method, a homogeneous single crystal having a stoichiometric composition was obtained without containing precipitates on the growth end side (CD) of the "constriction".

【0021】本発明の第1の重要な点は、上述の「くび
れ」において単結晶が析出物を含まない良質な部分と析
出物を含む不透明な部分とを分離する役割を担うことで
あり、しかも大きな単結晶を得るためには非常に有効な
手段である。
The first important point of the present invention is that in the above-mentioned "constriction", the single crystal plays a role of separating a high-quality portion containing no precipitate and an opaque portion containing precipitate, Moreover, it is a very effective means for obtaining a large single crystal.

【0022】次に「くびれ」と化学量論的組成との関
係、ならびに「くびれ」の形状について説明する。図6
(ア)〜(エ)には、「くびれ」と化学量論的組成(斜
線部分)との関係を示してある。図において、A−Bは
化学量論的組成と組成が変化する非化学量論的組成との
境界線を示す。
Next, the relationship between the "constriction" and the stoichiometric composition and the shape of the "constriction" will be described. Figure 6
(A) to (d) show the relationship between the "constriction" and the stoichiometric composition (hatched portion). In the figure, AB indicates the boundary line between the stoichiometric composition and the non-stoichiometric composition in which the composition changes.

【0023】今「くびれ」の位置を図6(ア)のように
正確に設定することは容易でなく、原材料の量、組成お
よび成長条件等の微妙な違いにより極めて難しい。例え
ば図6(イ)のように化学量論的組成への移行位置(斜
線の下限位置A−B)が「くびれ」よりも上の位置にあ
る場合は、組成変化が起こるために単一結晶核の成長が
困難となる。この問題は図6(ウ)のように、化学量論
的組成へ移行すると予想される位置よりも十分上に「く
びれ」を設けることで解決できる。しかし、この移行位
置があまり下すぎた場合には「くびれ」より上側の必要
な部分の体積が小さくなり、単結晶の歩留まりが悪くな
るという問題が生じる。これらの説明からわかるよう
に、組成移行位置に「くびれ」の位置を一致させること
は、技術的には極めて困難である。そこで、この問題を
解決するためには、図6(エ)に示すように「くびれ」
に適度な「長さ」Lo を持たせる方法が効果的であるこ
とが判明した。この場合、非化学量論的組成から化学量
論的組成へ移行する位置の誤差は±1.5 cmであって、L
o は3cm以内であれば十分である。この範囲内では、結
晶成長を損なうことがないが、3cm以上の場合では新た
な結晶核の誘発や単結晶歩留まりを悪化させる要因とな
る。この方法を導入することにより、多少の条件の変化
があっても、非化学量論的組成から化学量論的組成へ移
行する箇所を「くびれ」の中程に確実に、しかも容易に
納められ、単一結晶核の成長が可能となることも、本発
明の大きな特徴である。
It is not easy to accurately set the position of the "neck" as shown in FIG. 6 (a), and it is extremely difficult due to subtle differences in the amount, composition and growth conditions of raw materials. For example, when the transition position to the stoichiometric composition (the lower limit position AB of the diagonal line) is above the "constriction" as shown in FIG. Nuclear growth becomes difficult. This problem can be solved by providing a “constriction” well above the position where it is expected to shift to the stoichiometric composition, as shown in FIG. However, if this transition position is too low, the volume of a necessary portion above the “constriction” becomes small, and the yield of single crystals deteriorates. As can be seen from these explanations, it is technically extremely difficult to match the position of the "neck" with the composition transition position. Therefore, in order to solve this problem, as shown in FIG.
It has been found that the method of giving a proper "length" Lo to the is effective. In this case, the error in the position of transition from the non-stoichiometric composition to the stoichiometric composition is ± 1.5 cm.
It is sufficient that o is within 3 cm. Within this range, crystal growth is not impaired, but when it is 3 cm or more, it becomes a factor of inducing new crystal nuclei and deteriorating the single crystal yield. By introducing this method, even if there are some changes in conditions, the place where the non-stoichiometric composition shifts to the stoichiometric composition can be securely and easily placed in the middle of the "constriction". The fact that single crystal nuclei can be grown is also a major feature of the present invention.

【0024】なお「組成傾斜部」から「くびれ」を利用
して、「組成傾斜部」の多結晶の内から単一の結晶核を
選択する場合には、「くびれ」から「組成傾斜部」への
開き角度θb が最適でなければならない。
When a single crystal nucleus is selected from the polycrystals of the "composition-graded portion" by utilizing the "composition-graded portion" to "constriction", the "constriction" to the "composition-graded portion" is selected. The opening angle θb should be optimal.

【0025】本発明において、各種検討した結果、θb
が30゜以上120 ゜以下の条件において効率よく単一の結
晶核を選択できることが分った。すなわちθb が30゜以
下の場合では、多結晶内から単一の結晶核を選択するこ
とは非常に困難である。またθb が120 ゜以上では「組
成傾斜部」Lb の容積が大となり、単結晶の歩留まりを
悪化する。
In the present invention, as a result of various studies, θb
It was found that a single crystal nucleus can be efficiently selected under a condition of 30 ° or more and 120 ° or less. That is, when θb is 30 ° or less, it is very difficult to select a single crystal nucleus from within the polycrystal. On the other hand, when θb is 120 ° or more, the volume of the “composition-graded portion” Lb becomes large and the yield of single crystal deteriorates.

【0026】なおまた単結晶成長の過程において、新た
な結晶核が発生することもままあるが、内壁の滑らかさ
の程度や「くびれ」から「単結晶成長部」への開き角度
θuも重要な因子である。
Although new crystal nuclei are sometimes generated in the process of single crystal growth, the degree of smoothness of the inner wall and the opening angle θu from the “constriction” to the “single crystal growth part” are also important. Is a factor.

【0027】本発明において、各種検討した結果、θu
は120 ゜以下であることが必須条件である。ただし、θ
u が0°の場合では、当然単結晶が得られるが、反面大
きな単結晶を得ることを考慮すると効率が悪いので本発
明の目的からはずれる。またθu が120 ゜以上では、大
きな単結晶を得ることには非常に好都合であるが、内壁
から新たな結晶核が発生するので、θu が0°の場合と
同様に大きな単結晶を得ることはかなり困難である。従
って本発明によると、失敗が皆無で、再現性に優れ、か
つ高歩留まりで、しかも安価なI-III-VI2 族半導体を提
供することができるので、工業的に利するところが大で
ある。
In the present invention, as a result of various studies, θu
It is essential that the angle is 120 ° or less. However, θ
When u is 0 °, naturally a single crystal can be obtained, but on the other hand, considering the fact that a large single crystal is obtained, the efficiency is low, and this is outside the scope of the present invention. Further, if θu is 120 ° or more, it is very convenient to obtain a large single crystal, but since new crystal nuclei are generated from the inner wall, it is not possible to obtain a large single crystal as in the case where θu is 0 °. Quite difficult. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a group I-III-VI2 semiconductor which has no failures, is excellent in reproducibility, has a high yield, and is inexpensive, which is industrially advantageous.

【0028】上述において、「くびれ」の効果は、単一
結晶核の成長を促すことを説いたが、厳密にいえはば
「くびれ」の太さにも最適条件のあることを図7で説明
する。「くびれ」の内径Do が大きすぎる場合(図7
(ア))、単一結晶核生成の優先性が損なわれ、多結晶
化を促すこととなり、大きな単結晶に成長しない。ま
た、内径Do が小さすぎる場合(図7(イ))、表面張
力によって融体が上下に引っ張られ「くびれ」部分に空
間を作ってしまう。従ってDo については、単一核だけ
を成長させるための最適なDo (図7(ウ))を採用す
ることが重要である。その最適なDo は実験の結果、2
mm以上10mm以下であることがわかった。
In the above description, the effect of the "constriction" is said to promote the growth of single crystal nuclei, but strictly speaking, there is an optimum condition in the thickness of the "constriction", which is explained in FIG. To do. If the inner diameter Do of the "constriction" is too large (Fig. 7
(A)), the priority of single crystal nucleation is impaired, polycrystallization is promoted, and a large single crystal does not grow. Further, when the inner diameter Do is too small (FIG. 7 (A)), the melt is pulled up and down by the surface tension to create a space in the "constricted" portion. Therefore, regarding Do, it is important to adopt the optimum Do (FIG. 7C) for growing only a single nucleus. The optimum Do is the result of the experiment, 2
It was found to be between mm and 10 mm.

【0029】要するに、大きくて良質な単結晶を得るた
めには、次の3点が重要である。 成長終了端側で得られる化学量論的組成の領域を大
きくすること。 組成が変化して目的とする化学量論的組成へと移行
する位置に「くびれ」を設けること。 これと同時に「くびれ」の形状や寸法を的確に規定
することによって単結晶の成長を容易にすること。
In summary, the following three points are important for obtaining a large and high quality single crystal. To increase the area of stoichiometric composition obtained on the growth end side. Providing a "constriction" at the position where the composition changes to the desired stoichiometric composition. At the same time, to facilitate the growth of single crystals by precisely defining the shape and dimensions of the "constriction".

【0030】上記の観点から成長管の構成、形状および
寸法等の諸条件としては、成長管における「単結晶成長
部」の長さと太さを大きくすること、「組成傾斜部」の
長さLb が原料全体の85%以上となるようにとること、
および「くびれ」の内径Doと長さLo がそれぞれ2mm
以上10mm以下、好ましくはと3cm以下にすることであ
る。さらに「くびれ」から「組成傾斜部」への開き角度
θb が、30゜以上120 ゜以下、および「くびれ」から
「単結晶成長部」への開き角度θu が、120 ゜以下の適
正値をとることも必要である。
From the above viewpoint, various conditions such as the structure, shape and size of the growth tube are as follows: the length and thickness of the “single crystal growth portion” in the growth tube are increased, and the length Lb of the “composition-graded portion” is Lb. To be 85% or more of the total raw materials,
And the inner diameter Do and the length Lo of the "constriction" are each 2 mm.
It should be 10 mm or less, preferably 3 cm or less. Further, the opening angle θb from the “constriction” to the “composition-graded portion” should be 30 ° or more and 120 ° or less, and the opening angle θu from the “constriction” to the “single crystal growth portion” should be 120 ° or less. It is also necessary.

【0031】この結果、本発明の技術により得られた、
析出物の入らない良質なI-III-VI2族半導体単結晶は、
光学的に良好な特性を持つことが明らかになった。従っ
て、本発明に関する「くびれ」等の技術は、特にI-III-
VI2 族半導体単結晶を製造する上で従来困難であった問
題点を解決するための独創的な方法である。
As a result, obtained by the technique of the present invention,
A high quality I-III-VI2 semiconductor single crystal without deposits
It became clear that it has an optically good characteristic. Therefore, the technology such as "constriction" related to the present invention is particularly effective in I-III-
It is an original method to solve the problems that were difficult in the past when producing Group VI2 semiconductor single crystals.

【0032】次に本発明の製造法に関する数値限定の理
由を以下に述べる。「組成傾斜部」の長さLb :Lb が
十分に長いほど良質で大きな結晶核が育つため、その後
の単結晶成長が容易になる。ただしこのLb は、絶対的
な数値ではなく、原料の容積に対する相対値として限定
される。この相対値として、全融体量の容積に対するL
b の割合が85%以上の場合では単結晶中に析出物が入り
込まず、しかも良質で大きい単結晶が得られる。しかし
その割合が85%以下では、大きな単結晶ができても、析
出物が生じて不透明となるので、本発明の目的からはず
れる。
Next, the reasons for limiting the numerical values relating to the manufacturing method of the present invention will be described below. If the length Lb: Lb of the “composition-graded portion” is sufficiently long, a good quality and large crystal nuclei grow, so that subsequent single crystal growth becomes easy. However, this Lb is not an absolute value, but is limited as a relative value to the volume of the raw material. As this relative value, L for the volume of the total melt amount
When the ratio of b is 85% or more, precipitates do not enter into the single crystal, and a large single crystal with good quality can be obtained. However, if the ratio is 85% or less, even if a large single crystal is formed, a precipitate is generated and becomes opaque, which is outside the scope of the present invention.

【0033】「くびれ」の内径Do :Do が2mm以上10
mm以下の範囲において結晶成長を行うと、「組成傾斜
部」の多結晶の内から単一の結晶核を選択することが容
易となる。しかしDo が2mm以下の場合では、「くび
れ」の中程に空洞ができるために「組成傾斜部」の結晶
方位を「単結晶成長部」に導くことが不可能となる。ま
たDo が10mm以上では、「組成傾斜部」の多結晶の内か
ら複数個の結晶核が「単結晶成長部」に入り込み、単一
結晶核生成の優先性が損なわれ、大きな単結晶を得るた
めには不適当であるからである。
Inner diameter Do of constriction Do: Do is 2 mm or more 10
When crystal growth is performed in the range of mm or less, it becomes easy to select a single crystal nucleus from the polycrystals of the “composition-graded portion”. However, when Do is 2 mm or less, it becomes impossible to guide the crystal orientation of the “composition-graded portion” to the “single crystal growth portion” because a cavity is formed in the middle of the “constriction”. When Do is 10 mm or more, a plurality of crystal nuclei enter into the “single crystal growth part” from the polycrystal of the “composition-graded part”, impairing the priority of single crystal nucleation and obtaining a large single crystal. It is not suitable for

【0034】「くびれ」の長さLo :Lo が3cm以内の
場合では、非化学量論的組成から化学量論的組成への移
行が確実で、しかも容易になり、単一結晶核の成長が可
能となる。しかしLo が3cm以上では、新たな結晶核の
誘発が危惧されるだけでなく、単結晶の歩留まりの悪化
を招くので、本発明の目的からはずれるからである。従
ってLo は3cm以下に限定される。
When the length "Loss" L0: L0 is within 3 cm, the transition from the non-stoichiometric composition to the stoichiometric composition is sure and easy, and the growth of single crystal nuclei is facilitated. It will be possible. However, when Lo is 3 cm or more, not only the induction of new crystal nuclei is feared but also the yield of the single crystal is deteriorated, which is out of the object of the present invention. Therefore, Lo is limited to 3 cm or less.

【0035】「くびれ」から「組成傾斜部」への開き角
度θb :θb が30゜以上120 ゜以下では、単一の結晶核
を形成するのに適している。しかしθb が30゜よりも小
さい場合では多くの結晶核が生じ、また120 ゜よりも大
きい場合では単一の結晶核が得られない。従ってθb は
30゜以上120 ゜以下に限定される。
When the opening angle θb from the “constriction” to the “composition-graded portion”: θb is 30 ° or more and 120 ° or less, it is suitable for forming a single crystal nucleus. However, when θb is smaller than 30 °, many crystal nuclei are generated, and when it is larger than 120 °, a single crystal nucleus cannot be obtained. Therefore θb is
Limited to 30 ° or more and 120 ° or less.

【0036】「くびれ」から「単結晶成長部」への開き
角度θu :θu が120 ゜以下では単一の結晶核から単結
晶成長を促進するので好ましい。しかしθu が負の場合
では単結晶成長が妨げられ、また、θu が120 ゜より大
きい場合では、結晶成長途中において新たな結晶核が生
じてしまうので好ましくない。従ってθu は120 ゜以下
に限定される。
It is preferable that the opening angle θu: θu from the “constriction” to the “single crystal growth portion” is 120 ° or less because the single crystal growth is promoted from a single crystal nucleus. However, when θu is negative, single crystal growth is hindered, and when θu is larger than 120 °, new crystal nuclei are generated during crystal growth, which is not preferable. Therefore, θu is limited to 120 ° or less.

【0037】成長速度V:Vを0.1 cm/日から5cm/日
の範囲では、結晶成長が良好となる。しかしVが5cm/
日以上では単結晶が成長せず、また0.1 cm/日以下では
単一の結晶核が形成されず「単結晶成長部」における結
晶成長にも支障をきたすおそれがあるからである。従っ
て成長速度は、0.1 cm/日以上5cm/日以下に限定され
る。
Growth rate V: When V is in the range of 0.1 cm / day to 5 cm / day, crystal growth becomes good. However, V is 5 cm /
This is because a single crystal does not grow when the time is longer than a day, and a single crystal nucleus is not formed when it is 0.1 cm / day or less, which may hinder the crystal growth in the “single crystal growth portion”. Therefore, the growth rate is limited to 0.1 cm / day or more and 5 cm / day or less.

【0038】[0038]

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

【0039】実施例1:AgGaS2 半導体単結晶の製
造−1 実験に使用した原料は、純度99.9999 %以上のAg,G
aおよびSであった。AgGaS2 単結晶を造るために
は、まず原料を所定の配合比(Ag=25原子%、Ga=
25原子%およびS=50原子%)になるように精確に秤量
する。その後、原料を透明石英管に真空封入して、1000
℃以上の高温で長時間加熱して合成する。合成された黄
色固形物質は、X線回折で分析した結果、正方晶カルコ
パイライト型の結晶構造であった。次にこの物質を粉体
となし、全量の内から25.1gを採取し、炭素被膜を内壁
に施した透明石英管に入れて真空封入した。ここで、透
明石英管は「くびれ」を有するものと、そうでないもの
(比較例)との2種類を作製し、十分に清浄にした後、
乾燥して使用した。最後に上記の方法で作製した石英管
アンプルを電気炉に入れ、図8に示す温度傾斜凝固法
(参考文献:例えば河東田隆「半導体結晶」p.29−30
(1987))により結晶成長を行った。この方法は、ブリ
ッジマン法の一種であって、成長管と温度勾配を固定し
て、炉内温度だけを変化させる特徴があり、またアンプ
ルの回転や振動がないので、良質な結晶が得られる。
Example 1 Production of AgGaS 2 Semiconductor Single Crystal-1 The raw material used in the experiment was Ag, G having a purity of 99.9999% or more.
a and S. In order to produce an AgGaS 2 single crystal, first, the raw materials are mixed in a predetermined mixing ratio (Ag = 25 atomic%, Ga =
Accurately weigh 25 atomic% and S = 50 atomic%). Then, vacuum seal the raw material in a transparent quartz tube, and
It is synthesized by heating at a high temperature of ℃ or more for a long time. As a result of X-ray diffraction analysis, the synthesized yellow solid substance had a tetragonal chalcopyrite type crystal structure. Next, this substance was made into powder, 25.1 g of which was taken out of the total amount, placed in a transparent quartz tube having a carbon coating on its inner wall, and vacuum-sealed. Here, two types of transparent quartz tube were prepared, one having a "constriction" and the other not (comparative example), and after being sufficiently cleaned,
It was dried and used. Finally, the quartz tube ampoule produced by the above method was placed in an electric furnace, and the temperature gradient solidification method shown in FIG. 8 (reference: for example, Takashi Kawatoda “Semiconductor Crystal” p.29-30
(1987)). This method is a kind of Bridgman method, and has the characteristic that the temperature inside the furnace is changed by fixing the temperature gradient in the growth tube, and there is no rotation or vibration of the ampoule, so good quality crystals can be obtained. ..

【0040】この方式は成長管の位置をa,b間に固定
し、その間の温度勾配を時刻t1 からt2 までの時間中
一定に保ったまま炉内温度を降下させて結晶を成長でき
るので、成長管のゆれに伴う多結晶化を防止できる特徴
がある。なお、1cm当り7.7℃の温度勾配ならびに1日
当り11.5℃の冷却速度の条件で単結晶成長を行った結
果、黄色で、透明な大型の単結晶(全長23mm、直胴部の
長さ13mm、直径12mmの鉛筆形:図9)が得られた。ま
た、表1には比較例として「くびれ」のない成長管を用
いた場合の結果を示した。比較例では、小さな単結晶粒
しか得られないのと比べて、この実施例で得られた結晶
はその大きさも格段に大きく、また結晶の完全性および
透明さの度合に関しても数段良い結果が得られた。
In this system, the position of the growth tube is fixed between a and b, and the temperature in the furnace is lowered while keeping the temperature gradient between them constant during the period from time t 1 to t 2, so that crystals can be grown. Therefore, there is a feature that polycrystallization due to shaking of the growth tube can be prevented. As a result of single crystal growth under the conditions of a temperature gradient of 7.7 ° C per cm and a cooling rate of 11.5 ° C per day, a large yellow transparent single crystal (total length 23 mm, straight body length 13 mm, diameter A 12 mm pencil shape: Figure 9) was obtained. In addition, Table 1 shows the results when a growth tube having no "constriction" was used as a comparative example. In the comparative example, the size of the crystal obtained in this example is remarkably large as compared with the case where only a small single crystal grain is obtained, and the result of the crystal perfection and the degree of transparency is much better. Was obtained.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】実施例2:AgGaS2 半導体単結晶の製
造−2 使用した原料および成長管は、実施例1と同様であっ
た。また単結晶の成長は、実施例1と同様の方法で実施
した。まず炭素被膜を施した成長管にAgGaS2 多結
晶粉末21.21 gを入れて真空封入した。成長方法として
は、1cm当り11.6℃の温度勾配ならびに1日当り16.08
℃の冷却速度の条件であった。なお成長管の大きさ等は
表2に示す通りである。その結果、実施例1と同様に黄
色透明な大型単結晶(全長30mm、直胴部の長さ20mm、直
径12mmの鉛筆形)が得られた。比較例との違いは、実施
例1と同様であった。
Example 2 : Production of AgGaS 2 semiconductor single crystal-2 The raw materials and growth tubes used were the same as in Example 1. The single crystal was grown in the same manner as in Example 1. First, 21.21 g of AgGaS 2 polycrystalline powder was placed in a growth tube coated with a carbon film and vacuum-sealed. As a growth method, a temperature gradient of 11.6 ° C. per cm and 16.08 per day
The condition was a cooling rate of ° C. The size of the growth tube is as shown in Table 2. As a result, a large yellow transparent single crystal (length: 30 mm, straight body length: 20 mm, diameter: 12 mm, pencil-shaped) was obtained as in Example 1. The difference from the comparative example was the same as in Example 1.

【0043】[0043]

【表2】 [Table 2]

【0044】次に実施例1および2で得られた結晶の光
学的評価を以下に述べる。本発明の製造方法によれば顕
微鏡観察の結果、析出物の混入が認められないので、透
明性の良好な結晶が得られることが判明した。図10はA
gGaS2 単結晶を約0.75mmの厚さに切り出した後表面
研磨して得られた試料の室温における透過スぺクトルを
示す。また500 から1000nmまでの波長領域にわたって
およそ60から70%の満足できる透過率が得られた。禁制
帯幅近傍まで高い透過率を示すことから、本材料の光学
的特性が優れていることを示す。次に図11は、AgGa
2単結晶の4.2 Kにおけるフォトルミネッセンススぺ
クトルを示す。従来の製造方法で得られた単結晶(比較
例)が、低エネルギー側において幅広な発光が顕著であ
ったのに対し、本発明の製造方法による単結晶の発光
は、禁制帯幅に極めて近い2.687 eVにおいて強く、し
かも鋭いスぺクトルを示し、青色発光ダイオードとして
極めて有望であることが明らかとなった。また、上述の
光学顕微鏡の結果や透過スぺクトルおよびフォトルミネ
ッセンススぺクトルの特性から判断して、本発明は大型
で良質な単結晶を得るための極めて優れた製造方法であ
るといえる。
Next, the optical evaluation of the crystals obtained in Examples 1 and 2 will be described below. According to the production method of the present invention, as a result of microscopic observation, inclusion of precipitates was not observed, and it was found that crystals with good transparency can be obtained. Figure 10 shows A
The transmission spectrum at room temperature of a sample obtained by cutting a gGaS 2 single crystal to a thickness of about 0.75 mm and then polishing the surface is shown. Satisfactory transmission of about 60 to 70% was obtained over the wavelength range of 500 to 1000 nm. The high transmittance up to the vicinity of the forbidden band indicates that this material has excellent optical characteristics. Next, FIG. 11 shows AgGa.
The photoluminescence spectrum at 4.2 K of an S 2 single crystal is shown. The single crystal obtained by the conventional manufacturing method (Comparative Example) showed remarkable broad emission on the low energy side, whereas the emission of the single crystal obtained by the manufacturing method of the present invention was very close to the band gap. It showed a strong and sharp spectrum at 2.687 eV, which proved to be extremely promising as a blue light emitting diode. Judging from the results of the above-mentioned optical microscope and the characteristics of the transmission spectrum and the photoluminescence spectrum, the present invention can be said to be an extremely excellent manufacturing method for obtaining a large-sized and high-quality single crystal.

【0045】実施例3:AgAlSe2 半導体単結晶の
製造 原料としては、純度99.9999 %以上のAg,Alおよび
Seを用いた。単結晶の製造方法は、実施例1とほぼ同
様であった。まず炭素被膜を施した成長管にAgAlS
2 多結晶粉末16.0gを入れて真空封入し、実施例2と
同様の温度傾斜凝固法および条件で成長を行った。成長
管の大きさ等は表3に示す通りである。その結果、得ら
れた結晶は黄色で、透明な単結晶(長さ10mm、直径12mm
の円錐形)であった。単結晶の大きさや完全性は、比較
例の「くびれ」がない場合に比べて良いことがわかっ
た。
Example 3 : Production of AgAlSe 2 semiconductor single crystal Ag, Al and Se having a purity of 99.9999% or more were used as raw materials. The method for producing the single crystal was almost the same as in Example 1. First, AgAlS was added to the growth tube coated with carbon film.
16.0 g of e 2 polycrystal powder was charged and vacuum-sealed, and growth was performed under the same temperature gradient solidification method and conditions as in Example 2. The size of the growth tube is as shown in Table 3. As a result, the obtained crystal was yellow and was a transparent single crystal (length 10 mm, diameter 12 mm.
It was a cone). It was found that the size and completeness of the single crystal were better than those of the comparative example having no "constriction".

【0046】[0046]

【表3】 [Table 3]

【0047】以上、実施例1,2,3についてまとめる
と、成長後「組成傾斜部」内では小さい粒からなる多結
晶が観察されたが、「単結晶成長部」内では一つの単結
晶が形成されていた(図9参照)。実施例1では全長23
mm、直胴部の長さ13mm、直径12mmの鉛筆形の単結晶が得
られた。実施例2では全長30mm、直胴部の長さ20mm、直
径12mmの鉛筆形の単結晶が得られた。また実施例3では
長さ10mm、直径12mmの円錐形の単結晶が得られた。なお
表1,表2および表3には、各実施例における成長条件
と得られた単結晶の寸法ならびに結晶の評価についてそ
れぞれまとめてある。
As described above, Examples 1, 2, and 3 were summarized. After the growth, a polycrystal composed of small grains was observed in the "composition-graded portion", but one single crystal was observed in the "single crystal growth portion". Had been formed (see FIG. 9). In Example 1, the total length is 23
A pencil-shaped single crystal having a diameter of 12 mm, a body length of 13 mm, and a diameter of 12 mm was obtained. In Example 2, a pencil-shaped single crystal having a total length of 30 mm, a straight body length of 20 mm and a diameter of 12 mm was obtained. Further, in Example 3, a conical single crystal having a length of 10 mm and a diameter of 12 mm was obtained. In addition, Table 1, Table 2 and Table 3 summarize the growth conditions in each example, the dimensions of the obtained single crystal and the evaluation of the crystal.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明のI-III-VI2 族半導体の融体から
の単結晶製造法において、成長管に「単結晶成長部」、
「くびれ」および「組成傾斜部」を設けることによっ
て、均質で大型で、発光効率の高い化学量論的組成から
なる単結晶が得られた。さらに、本発明は次世代光機能
素子用ならびに発光素子用I-III-VI2 族半導体材料の低
コスト化、高品質化に極めて大きな寄与をもたらすもの
である。また複雑な組成からなる材料の単結晶化を図る
上で、波及効果は非常に多大である。
In the method for producing a single crystal from the melt of the I-III-VI2 group semiconductor of the present invention, the "single crystal growth portion" is provided in the growth tube,
By providing the “constriction” and the “composition-graded portion”, a homogeneous, large-sized single crystal having a stoichiometric composition with high emission efficiency was obtained. Furthermore, the present invention contributes significantly to cost reduction and quality improvement of the I-III-VI2 group semiconductor material for next-generation optical functional devices and light emitting devices. Further, the ripple effect is extremely large in achieving single crystallization of a material having a complicated composition.

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

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

【図2】Ag2 S−Ga2 3 擬2元系状態図を示す。FIG. 2 shows a phase diagram of Ag 2 S—Ga 2 S 3 pseudo binary system.

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

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

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

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

【図7】本発明の方法において、「くびれ」の太さDo
を限定する必要があることを説明するための説明図であ
る。
FIG. 7 shows the thickness Do of the “constriction” in the method of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining that it is necessary to limit

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

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

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

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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 望月 勝美 宮城県仙台市太白区八木山弥生町22番12号 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Katsumi Mochizuki 22-12 Yayoi-cho, Yagiyama, Taishiro-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 I族元素がAg、III 族元素がAlおよ
びGaの何れか1種又は1種以上、およびVI族元素がS
およびSeの何れか1種又は1種以上の元素からなるI-
III-VI2 族半導体単結晶の製造する場合において、成長
管の中間に、内径が2mm以上10mm以下、長さが0cm以上
3cm以下、成長開始端側への開き角度が30゜以上120 ゜
以下および成長終了端側への開き角度が120 ゜以下の
「くびれ」を設け、且つ成長速度が0.1 cm/日から5cm
/日であることを特徴としたI-III-VI2 族半導体単結晶
の製造方法。
1. A Group I element is Ag, a Group III element is any one or more of Al and Ga, and a Group VI element is S.
I-consisting of any one or more of Se and Se
In the case of producing a III-VI2 semiconductor single crystal, the inner diameter of the growth tube is 2 mm or more and 10 mm or less, the length is 0 cm or more and 3 cm or less, and the opening angle to the growth start end side is 30 ° or more and 120 ° or less. A “constriction” with an opening angle to the end of growth of 120 ° or less is provided, and the growth rate is 0.1 cm / day to 5 cm.
/ Day of the group I-III-VI2 semiconductor single crystal.
【請求項2】 AgGaS2 半導体単結晶を製造する場
合において、成長管の中間に、内径が2mm以上10mm以
下、長さが0cm以上3cm以下、成長開始端側への開き角
度が30゜以上120 ゜以下および成長終了端側への開き角
度が120 ゜以下の「くびれ」を設け、且つ成長速度が0.
4 cm/日から2cm/日であることを特徴としたAgGa
2 半導体単結晶の製造方法。
2. When manufacturing an AgGaS 2 semiconductor single crystal, the inner diameter of the growth tube is 2 mm or more and 10 mm or less, the length is 0 cm or more and 3 cm or less, and the opening angle to the growth start side is 30 ° or more and 120 ° or more. A “constriction” with an opening angle of 120 ° or less and an angle to the end of growth of 120 ° or less, and a growth rate of 0.
AgGa characterized by 4 cm / day to 2 cm / day
Method for producing S 2 semiconductor single crystal.
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