JPH0717792A - 化合物半導体結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 不揮発性元素原料を供給するのにより口径の
小さい原料供給管を用いても管詰りが生じず、結晶性に
優れた化合物半導体単結晶を引上げ成長することができ
る化合物半導体結晶の製造装置を提供することである。 【構成】 本発明に従う化合物半導体結晶の製造装置
は、少なくとも不活性ガスを流すための外部管１０１
と、不揮発性元素原料１２を原料合成容器２内の原料融
液２１に供給する内部管１００とからなる二重管構造の
第１の原料供給管５０を備えており、原料供給時には、
内部管１００において不揮発性元素原料１２を原料融液
２１に供給するための原料供給口１０５が外部管１０１
に不活性ガスを流すことによって形成されるガス流に覆
われるように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＧａＡｓ等の化合物半
導体単結晶の製造装置の構造の改良に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】１回の成長工程でより長尺の単結晶を得
るため、結晶原料を連続的に補給しながら、原料融液を
合成し、原料融液から単結晶を引上げ成長する結晶製造
技術としてこれまでに次のような方法が提案されてい
る。

【０００３】 予め合成された多結晶状の固体原料を
るつぼ内の原料融液に供給する方法 予め合成された融液状の液体原料を輸送パイプを通
じて原料融液に供給する方法 ＧａやＡｓ等の単体元素を原料供給管を通じてるつ
ぼ内に供給し、るつぼ内で原料融液の合成と融液からの
単結晶の引上げを同時に進行させる方法 上記の方法は、の方法のように予め結晶原料を別の
るつぼで合成しておく必要もなく、また不純物汚染を招
く危険も少ない。また、の方法は、の方法のように
高温の結晶原料を供給する複雑な装置あるいは高度な技
術を必要としない。

【０００４】たとえば、このようなの方法を用いて、
単結晶を成長する際に用いる従来の典型的な化合物半導
体結晶の製造装置について説明する。

【０００５】図３は、上記の方法に従う従来の典型的
な化合物半導体結晶の製造装置の構造を示す模式図であ
る。

【０００６】図３を参照して、この装置は、気密容器１
内で原料融液を合成しながら併行して単結晶を引上げ成
長していくものである。気密容器１は、カーボン材にＰ
ＢＮコーティングを施した円筒形状の結晶成長容器２ａ
と同材質からなる蓋部２ｂで構成されている。

【０００７】結晶成長容器２ａの上端部に形成される環
状の溝部に蓋部２ｂが嵌め込まれ、Ｂ₂ Ｏ₃ 等の液体封
止剤３でシールされることにより密閉空間が形成されて
いる。結晶成長容器２ａの底部中心には、回転可能な下
軸２６が貫通している。下軸２６が貫通した部分は液体
封止剤３でシールされている。下軸２６は、結晶成長容
器２ａ内部に延び、その上端にはＰＢＮ製のるつぼ２２
を支持するためのるつぼ支持台２３が形成されている。
るつぼ２２は、るつぼ支持台２３に支持されて、結晶成
長容器２ａ内に設けられる。るつぼ２２内には、予め合
成された原料融液２１が収容される。また、二重るつぼ
２０により、結晶育成融液と原料合成融液を分離する構
造になっている。

【０００８】るつぼ２２の中心上方には、回転昇降可能
な結晶引上げ用回転軸１７が設けられ、回転軸１７の先
端には種結晶（シード）１８が取付けられている。回転
軸１７は、蓋部２ｂの上部を貫いており、この貫かれた
部分はＢ₂ Ｏ₃ 等の液体封止剤３でシールされている。
結晶成長容器２ａの底部には、原料融液中の高解離圧元
素２４が貯留されている。

【０００９】一方、気密容器１の周囲には、結晶成長時
の容器下部、中部および上部の温度をそれぞれ制御する
ために、底部ヒータ４、メインヒータ５および不揮発性
元素用ヒータ６が設けられている。原料融液２２および
育成された結晶表面からの高解離圧元素の熱解離を防ぐ
ため、底部ヒータ４により高解離圧元素２４の蒸気圧が
制御される。気密容器１内の圧力は排気口２５からの排
気量を制御することにより一定に保持される。

【００１０】このように構成される装置において、さら
に気密容器１の外側上部には、原料融液の構成原料を収
容するためのアンプル１１，１３が設けられている。ア
ンプル１１には、不揮発性元素１２が収容されており、
アンプル１３には揮発性元素１４が固体形状で収容され
ている。

【００１１】アンプル１１，１３には、それぞれ原料供
給管１５，１６が接続されている。原料供給管１５，１
６は、蓋部２ｂの上部を貫きかつるつぼ２２まで延びて
いる。不揮発性元素を供給するための原料供給管１５の
管口は、るつぼ２２内の原料融液２１の上方で開口して
おり、一方揮発性元素を供給するための原料供給管１６
の管口は、るつぼ２２内の原料融液２１中において開口
している。アンプル１１，１３の周囲には、ヒータ７，
８がそれぞれ設けられている。なお、原料供給管１５，
１６が蓋部２ｂの上部を貫く部分は密閉されている。

【００１２】次に、以上のように構成される装置を用い
てＧａＡｓの単結晶を製造する際には、るつぼ２２内に
ＧａＡｓ多結晶をチャージし、各シール部の液体封止剤
３の温度を６００℃以上に上げることにより気密容器１
を密閉した後、メインヒータ５によりるつぼ２２周辺の
温度を１３００℃まで上昇させる。この加熱によりるつ
ぼ２２内の原料多結晶は融解される。また各ヒータによ
り、気密容器１内の最低温度が６１７℃を下回らないよ
う、温度を設定する。

【００１３】アンプル１３にはＡｓが収容され、ヒータ
８によりアンプル１３内のＡｓの温度を６２０℃程度に
加熱し、１気圧以上の蒸気圧で原料供給管１６を通じて
供給する。また、アンプル１１にはＧａが収容され、Ｇ
ａの固化を防ぐためにヒータ７で５０℃程度に保たれ
る。これらの原料は、るつぼ２２内で混合されかつ原料
融液が合成される。次いで、回転軸１７を下降させて、
回転軸１７の先端に設けられた種結晶１８を原料融液２
１中に浸漬させる。シーディングの後、化合物半導体単
結晶１９を引上げ成長させる。

【００１４】上記の装置においては、アンプル１３より
気体でＡｓを供給する場合、供給されたＡｓガスが原料
融液面より蒸発すれば、気密容器１内のＡｓガスの圧力
が増大する。Ａｓガスの圧力の増大は、原料融液表面で
の合成反応を促進する。したがって、アンプル１１に設
けられた制御ガス導入口１０によってＧａの供給圧力と
気密容器１内の蒸気圧をうまく均衡させることにより、
所望の組成の単結晶を引上げることができる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したの方法に従
う従来の典型的な化合物半導体結晶の製造装置には、次
のような問題点があった。

【００１６】従来の製造装置では、原料融液２１に不揮
発性元素１２を供給する原料供給管１５の原料供給口
が、気密容器１内の揮発性元素ガス雰囲気中に開口され
ていることが必要なため、揮発性元素ガスが、原料供給
管１５内を不揮発性元素１２が収容されたアンプル１１
側に向かって逆方向に拡散移動してしまうことがある。
このような場合、原料供給管１５の低温部では反応によ
り合成された化合物が固化し、管詰りを発生することが
ある。

【００１７】特に、不揮発性元素原料の供給量をより正
確に調整するために原料供給口が細径化された原料供給
管１５を用いた場合には、このような管詰りは深刻な問
題となっていた。

【００１８】本発明は、上述の課題を解消するためにな
されたもので、不揮発性元素原料を所定量供給するのに
原料供給口の口径がより小さい原料供給管を用いても管
詰りが生じず、単結晶を連続的に引上げ成長することが
できる化合物半導体結晶の製造装置を提供することを目
的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る化合物半導
体結晶の製造装置は、揮発性元素原料と不揮発性元素原
料とを反応させて原料融液を合成するための原料合成容
器と、原料合成容器外部に設けられ、不揮発性元素原料
を収納するための第１の原料容器と、第１の原料容器に
接続し、不揮発性元素原料を原料合成容器に供給するた
めの第１の原料供給管と、原料合成容器外部に設けら
れ、揮発性元素原料を収納するための第２の原料容器
と、第２の原料容器に接続し、揮発性元素原料を原料合
成容器に供給するための第２の原料供給管とを備え、原
料融液の合成と合成された原料融液からの単結晶の引上
げを併行して行なう単結晶の製造装置であって、第１の
原料供給管は、不活性ガスを流すための外側の管と、不
揮発性元素原料を原料合成容器内の原料融液に供給する
内側の管を少なくとも備える多重管構造をなしており、
内側の管において不揮発性元素原料を原料融液に供給す
るための原料供給口は、外側の管に不活性ガスを流すこ
とによって形成されるガス流に覆われることを特徴とす
る。

【００２０】本発明に係る化合物半導体結晶の製造装置
の第１の原料供給管において、外側の管の先端開口部が
内側の管の原料供給口よりガス流方向の前方に配置さ
れ、かつ外側の管の先端開口部が内側に絞込まれた構造
を有してもよい。

【００２１】

【作用】本発明に係る化合物半導体結晶の製造装置で
は、原料合成容器内の揮発性元素ガス雰囲気下におかれ
ることが必然的な、不揮発性元素原料を供給するための
第１の原料元素供給管が多重管構造をなしている。多重
管構造において、外側の管が少なくとも内側の管の原料
供給口近傍の空間を取囲む。したがって外側の管に不活
性ガスを流すことによって形成されるガス流により、内
側の管の原料供給口近傍の空間に原料合成容器内の揮発
性元素ガス圧よりも高圧の不活性ガス雰囲気を形成する
ことができる。

【００２２】この結果、内側の管の原料供給口近傍に存
在する揮発性元素ガスは効率よく外方に押返され、揮発
性元素ガスが第１の原料元素供給管内に入り込むことが
防止される。このように、第１の原料元素供給管への揮
発性元素ガスの逆流がほぼ完全に阻止されることで、第
１の原料元素供給管内での揮発性元素ガスと不揮発性元
素原料とによる化合物の合成および固化による管詰りの
発生はより効果的に防止される。

【００２３】したがって、不揮発性元素原料を一定量精
度よく供給するために、原料供給口の口径がより小さく
絞込まれた原料供給管を用いても、結晶成長時における
管詰りの発生を解消することができる。

【００２４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に従う一実施例
を説明することにより、本発明の装置の特徴を明らかに
する。

【００２５】図１は、本発明の一実施例に従う化合物半
導体結晶の製造装置の構造を示す模式図である。また、
図２は、図１に示した化合物半導体結晶の製造装置の部
分拡大図である。

【００２６】図１を参照して、この装置は、気密容器１
内で原料融液を合成しながら併行して単結晶を引上げ成
長していくものである。気密容器１は、カーボン材にＰ
ＢＮコーティングを施した円筒形状の結晶成長容器２ａ
と同材質からなる蓋部２ｂで構成されている。

【００２７】結晶成長容器２ａの上端部に形成される環
状の溝部に蓋部２ｂが嵌め込まれ、Ｂ₂ Ｏ₃ 等の液体封
止剤３でシールされることにより密閉空間が形成されて
いる。結晶成長容器２ａの底部中心には、回転可能な下
軸２６が貫通している。下軸２６が貫通した部分は液体
封止剤３でシールされている。下軸２６は、結晶成長容
器２ａ内部に延び、その上端にはＰＢＮ製のるつぼ２２
を支持するためのるつぼ支持台２３が形成されている。

【００２８】るつぼ２２は、るつぼ支持台２３に支持さ
れて、結晶成長容器２ａ内に設けられる。るつぼ２２内
には、予め合成された原料融液２１が収容される。ま
た、二重るつぼ２０により、結晶育成融液と原料合成融
液を分離する構造になっている。

【００２９】るつぼ２２の中心上方には、回転昇降可能
な結晶引上げ用回転軸１７が設けられ、回転軸１７の先
端は種結晶（シード）１８が取付けられている。回転軸
１７は、蓋部２ｂの上部を貫いており、この貫かれた部
分はＢ₂ Ｏ₃ 等の液体封止剤３でシールされている。結
晶成長容器２ａの底部には、原料融液中の高解離圧元素
２４が貯留されている。

【００３０】一方、気密容器１の周囲には、結晶成長時
の容器下部、中部および上部の温度をそれぞれ制御する
ために、底部ヒータ４、メインヒータ５および不揮発性
元素用ヒータ６が設けられている。原料融液２２および
育成された結晶表面からの高解離圧元素の熱解離を防ぐ
ため、底部ヒータ４により高解離圧元素２４の蒸気圧が
制御される。気密容器１内の圧力は排気口２５からの排
気量を制御することにより一定に保持される。

【００３１】このように構成される装置において、さら
に気密容器１の外側上方には、原料融液の構成材料を収
容するためのアンプル１１，１３が設けられている。ア
ンプル１１には、不揮発性元素１２が収容されており、
アンプル１３には揮発性元素１４が固体形状で収容され
ている。

【００３２】アンプル１１には、原料供給管５０が接続
され、アンプル１３には、原料供給管１６が接続されて
いる。原料供給管５０および原料供給管１６は、蓋部２
ｂの上部を貫きかつるつぼ２２まで延びている。不揮発
性元素を供給するための原料供給管５０の管口は、るつ
ぼ２２内の原料融液２１の上方で開口しており、一方揮
発性元素を供給するための原料供給管１６の管口は、る
つぼ２２内の原料融液２１中で開口している。アンプル
１１，１３の周囲には、ヒータ７，８がそれぞれ設けら
れており、原料供給管５０，１６が蓋部２ｂの上部を貫
く部分は密閉されている。

【００３３】以上のように構成されるこの装置の特徴
は、図２に示すように、るつぼ２２内の原料融液２１に
液状の不揮発性元素１２を供給する原料供給管５０が多
重管構造を有している点である。

【００３４】ここでは、最も基本的な多重管構造の一例
として、内部管１００と外部管１０１とからなる二重管
構造について例示する。

【００３５】二重管構造においては、外部管１０１が内
部管１００の少なくとも原料供給口１０５の周辺空間を
取囲むように設けられており、かつ外部管１０１には不
活性ガスを導入するための不活性ガス導入口９が接続さ
れている。

【００３６】不活性ガス導入口９については詳細に図示
しないが、外部管１０１の管内に不活性ガスを導入する
ため、気密容器１の側部外方に設けられた不活性ガス供
給手段３０、たとえば不活性ガスボンベ等に接続されて
いる。ここで使用し得る不活性ガスとしては、たとえば
Ａｒ，Ｎ₂ ，Ｈｅ等を挙げることができる。

【００３７】一方、内部管１００は、不揮発性元素１２
が収容されたアンプル１１に接続されており、その原料
供給口から液状の不揮発性元素が供給される。

【００３８】次に、以上のような構造を有する原料供給
管５０を備えた装置を用いてＧａＡｓの単結晶を製造す
る際には、るつぼ２２内に予め合成されたＧａＡｓ多結
晶をチャージし、各シール部の液体封止剤３の温度を６
００℃以上に上げることにより気密容器１を密閉した
後、メインヒータ５によりるつぼ２２周辺の温度を１３
００℃まで上昇させる。この加熱によりるつぼ２２内の
原料多結晶が融解される。各ヒータにより、気密容器１
内の最低温度が６１７℃を下回らないように温度を設定
する。

【００３９】一方、アンプル１３にはＡｓが収容され、
ヒータ８によりアンプル１３内のＡｓの温度を６２０℃
程度に加熱し、気化したＡｓガスは、１気圧以上の蒸気
圧で原料供給管１６を通じて気密容器１内の原料融液２
１中に供給される。また、アンプル１１にはＧａが収容
され、Ｇａの固化を防ぐためにヒータ７で５０℃程度に
保たれる。次に、不活性ガスボンベ３０から不活性ガス
を不活性ガス導入口９を通じて原料供給管５０の外部管
１０１内に連続的に導入し、管内が正圧となるように不
活性ガスを流す。これにより形成される不活性ガス流
は、図２中矢印で示すように、内部管１００の原料供給
口１０５の周辺空間を覆うようにして、不活性ガス雰囲
気を形成する。このような状態において、内部管１００
の原料供給口１０５から液状のＧａ１２がるつぼ２２内
の原料融液２１中に一定量の割合で供給される。この
際、不活性ガス流によるカウンターフロー効果によっ
て、気密容器１内のＡｓガスは押返され、原料元素供給
管５０の内部管１００内へのＡｓガスの逆流が阻止され
る。

【００４０】供給された原料元素は、るつぼ２２内で混
合されかつ原料融液２１に合成される。次いで、回転軸
１７を下降させて回転軸１７の先端に設けられた種結晶
１８を原料融液２１中に浸漬し、化合物半導体の単結晶
１９を引上げ成長させる。

【００４１】次に、本実施例について具体的な実験結果
につき説明する。本発明例として上述した構造を有する
装置において、内部管１００の原料供給口１０５の内径
の大きさが異なる原料供給管５０を用い、不揮発性元素
Ｇａの供給圧力、揮発性元素Ａｓの供給圧力、および不
活性ガスの流速を表１に示すように設定した条件下で、
１０ｍｍ／時の引上げ速度により４インチのＧａＡｓ単
結晶の引上げ成長を実施した場合の管詰りの状況を調査
し、その結果を表１に示した。

【００４２】また、従来例として、多重管構造を持たな
い原料供給管を備えた従来の化合物半導体結晶の製造装
置を用いて、表１に示すように設定した条件下で、同様
にＧａＡｓ単結晶の引上げ成長を実施し、管詰りの状況
を比較した。その結果を併せて表１に示した。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１の結果から明らかなように、従来例で
は、原料供給管の原料供給口の内径がかなり大きくても
管詰りが発生してしまうのに対して、本発明例では、原
料供給管５０の内部管１００の原料供給口１０５の口径
を０．１ｍｍまで細径化しても管詰りは発生しなかっ
た。また、本発明例で育成された直径４インチのＧａＡ
ｓ単結晶は全長４００ｍｍにわたって転位密度の平均値
が３００ｃｍ^-3以下でかつ極めて均質な比抵抗特性を示
した。

【００４５】このように、不揮発性元素を供給する原料
供給管を多重構造にすることにより、結晶成長時の管詰
りを効果的に防止して、結晶性に優れた化合物半導体結
晶を製造できることがわかる。

【００４６】なお、ここでは不活性ガスの種類および流
速については一設定区しか設けなかったが、Ｎ₂ 以外に
Ａｒ等の他のガスを用いても同様の効果が得られる。ま
た、不活性ガスの流速についてはカウンターフロー効果
が期待できる程度であれば特に限定されるものではな
い。上記実施例の場合、Ｎ₂ ガスの流速が１０ｃｃ／分
以上であれば、ほぼ同等の効果が期待できる。

【００４７】また、本実施例においては、二重管構造を
有する原料供給管５０についてのみ例示したが、三重管
以上の多重管構造であっても構わない。

【００４８】さらに、本実施例においては、原料供給管
５０の外部管の先端管口の形状について、図２に示すよ
うに、外部管１０１の先端管口１０６が、内部管１００
の原料供給口１０５よりガス流方向の前方に配置され、
かつ外部管１０１の先端管口１０６がさらに内側に絞込
まれた構造を例示したが、これに何ら限定されるもので
はない。カウンターフロー効果をより高めるため、原料
供給管の外部管１０１の先端管口１０６の形状において
さらに様々な改良が行なわれても構わない。

【００４９】

【発明の効果】本発明に従う化合物半導体結晶の製造装
置では、不揮発性元素原料を供給するための第１の原料
供給管が、不活性ガスを流すための外側の管と、不揮発
性元素原料を原料合成容器内の原料融液に供給する内側
の管とを少なくとも備える多重管構造をなしており、内
側の管において不揮発性元素原料を原料融液に供給する
ための原料供給口は、外側の管に不活性ガスを流すこと
によって形成されるガス流に覆われる。したがって、原
料合成容器内の揮発性元素ガスが第１の原料元素供給管
内に入り込むことが回避され、化合物半導体単結晶の成
長時に第１の原料供給管内での化合物の合成および固化
による管詰りの発生は防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に従う化合物半導体結晶の製
造装置の構造を示す模式図である。

【図２】図１に示した化合物半導体結晶の製造装置の部
分拡大図である。

【図３】従来の典型的な化合物半導体結晶の製造装置の
構造を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 気密容器 ２ａ 結晶成長容器 ２ｂ 蓋部 ３ 液体封止剤 ４ 底部ヒータ ５ メインヒータ ６ 不揮発性元素用ヒータ ７，８ ヒータ ９ 不活性ガス導入口 １０ 制御用ガス導入口 １１ アンプル １２ 不揮発性元素 １３ アンプル １４ 揮発性元素 １６ 原料供給管 １７ 結晶引上げ用回転軸 １８ 種結晶 １９ 化合物半導体単結晶 ２０ 二重るつぼ ２１ 原料融液 ２２ るつぼ ２３ るつぼ支持台 ２４ 高解離圧元素 ２５ 排気口 ２６ 下軸 ３０ 不活性ガス供給手段 ５０ 原料供給管 １００ 内部管 １０１ 外部管 １０５ 原料供給口 １０６ 先端管口 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 揮発性元素原料と不揮発性元素原料とを
   反応させて原料融液を合成するための原料合成容器と、 前記原料合成容器外部に設けられ、前記不揮発性元素原
   料を収容するための第１の原料容器と、 前記第１の原料容器に接続し、前記不揮発性元素原料を
   前記原料合成容器に供給するための第１の原料供給管
   と、 前記原料合成容器外部に設けられ、前記揮発性元素原料
   を収容するための第２の原料容器と、 前記第２の原料容器に接続し、前記揮発性元素原料を前
   記原料合成容器に供給するための第２の原料供給管とを
   備え、 前記原料融液の合成と合成された原料融液からの単結晶
   の引上げを併行して行なう単結晶の製造装置において、 前記第１の原料供給管は、不活性ガスを流すための外側
   の管と、前記不揮発性元素原料を前記原料合成容器内の
   原料融液に供給する内側の管とを少なくとも備える多重
   管構造をなしており、前記内側の管において前記不揮発
   性元素原料を前記原料融液に供給するための原料供給口
   は、前記外側の管に不活性ガスを流すことによって形成
   されるガス流に覆われることを特徴とする、化合物半導
   体結晶の製造装置。
2. 【請求項２】 前記第１の原料供給管において、前記外
   側の管の先端開口部が前記内側の管の原料供給口より前
   記ガス流方向の前方に配置され、かつ前記外側の管の先
   端開口部が内側に絞込まれた構造を有する、請求項１に
   記載の化合物半導体結晶の製造装置。