JPH08253396A - ＧａＡｓ単結晶の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の比抵抗を制御する
ために非常に重要な結晶中の炭素濃度を制御することの
できるＬＥＣ法でＧａＡｓ単結晶を成長する方法を提供
しようとするものである。 【構成】 原料に酸化ガリウムを添加し、必要に応じて
酸化ガリウムと液体封止剤の酸化ホウ素の重量比を制御
することにより、所望の炭素濃度のＧａＡｓ単結晶をＬ
ＥＣ法で成長する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集積回路、通信用電子
デバイス、光デバイス等のＧａＡｓ基板に用いるＧａＡ
ｓバルク単結晶を液体封止チョクラルスキー法（ＬＥＣ
法）で成長する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の製造
方法として工業的に用いられるＬＥＣ法を実施するため
の装置である。高圧チャンバ１の中央にるつぼ４及びサ
セプタ５を下軸３で支持し、るつぼ４内には原料融液６
と液体封止剤７が収容されており、上軸２の下端に固定
された種結晶８を原料融液６に浸漬して単結晶９を引き
上げるもので、原料融液６を加熱するためのヒータ１０
及び引き上げ結晶を保温するためのヒータ１１が配置さ
れ、高圧チャンバ１には保温材１２が備えられている。

【０００３】ＧａＡｓの半絶縁性化は、ドナー性の欠陥
準位ＥＬ２及びＡｓサイトの炭素（Ｃ_As）によるアクセ
プターとの補償により実現される。そのため、半絶縁性
化又は半絶縁性領域での比抵抗の制御を行うためには、
結晶中の炭素濃度を制御する必要がある。

【０００４】ＬＥＣ法で半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を製造
するときに、ＣＯ又はＣＯ₂ ガスを成長炉雰囲気中に導
入してＣＯ又はＣＯ₂ 濃度を制御して結晶中の炭素濃度
を制御することが提案されている（特開平５─５１２９
６号公報、特開平１─１９２７９３号公報、特開平５─
９７５９５号公報参照）。また、Ｂ₂ Ｏ₃ 液体封止剤中
の水分量により結晶中の炭素濃度を変えられることも公
知である〔Nuclear Instruments and Methods in Physi
cs ReseachB24/25 (1987) 999 〕。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＣＯ又はＣＯ
₂ ガスを成長炉雰囲気中に導入する方法は、通常の方法
で成長するときの炭素濃度（バックグランドの炭素濃
度）よりも高く制御したいときには有効であるが、低い
領域で制御することはできない。例えば、ＬＥＣ法では
雰囲気ガスにＡｒやＮ₂ を用いて高圧下で成長を行う
が、圧力を下げると炭素濃度が増加する傾向がある。特
に、Ｎ₂ を用いる場合にその傾向が顕著である。また、
ＣＯ又はＣＯ₂ ガス導入時に、熱環境が変化して結晶成
長状態に影響を及ぼすという問題もある。

【０００６】一方、Ｂ₂ Ｏ₃ 液体封止剤中の水分量を変
化させる方法は、水分量を増加させて炭素濃度を減らす
ことができるが、あまり水分量を多くすると反応により
種結晶が損傷して成長できなくなるという問題がある。

【０００７】そこで、本発明は、上記の問題点を解消
し、結晶成長の熱環境を変化させず、種結晶を損傷する
こともなく、炭素濃度を容易に制御することのできるＧ
ａＡｓ単結晶の成長方法を提供しようとするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、液体封止チョ
クラルスキー法でＧａＡｓ単結晶を成長する方法におい
て、原料に酸化ガリウムを添加して結晶中の炭素濃度を
制御することを特徴とするＧａＡｓ単結晶の成長方法で
ある。

【０００９】

【作用】酸化ガリウムは、液体封止剤のＢ₂ Ｏ₃ 中に溶
け込み、原料の融解後、次のような反応で作用して結晶
中の炭素濃度を制御する。 Ｇａ₂ Ｏ₃ (in Ｂ₂ Ｏ₃ ）＋３Ｃ（in melt ） ＝３ＣＯ(in Ｂ₂ Ｏ₃ ）＋２Ｇａ（in melt ） Ｇａ₂ Ｏ₃ (in Ｂ₂ Ｏ₃ ）＋２Ｃ（in melt ） ＝２ＣＯ(in Ｂ₂ Ｏ₃ ）＋２Ｇａ₂ Ｏ(in Ｂ₂ Ｏ₃ ）

【００１０】酸化ガリウムのチャージ方法としては、図
２に示すように、るつぼの底部にチャージした後、Ｇａ
Ａｓ多結晶原料をチャージしてもよいが、図３に示すよ
うに、予め酸化ガリウムを添加したＢ₂ Ｏ₃ 液体封止剤
を使用する方が制御し易い。

【００１１】Ｂ₂ Ｏ₃ 液体封止剤中の水分は、 Ｈ₂ Ｏ(in Ｂ₂ Ｏ₃ ）＋Ｃ（in melt ） ＝ＣＯ(in Ｂ₂ Ｏ₃ ）＋Ｈ₂ (in Ｂ₂ Ｏ₃ ） のような反応で炭素濃度に影響するため、酸化ガリウム
による効果を高めるためには水分量の少ないＢ₂ Ｏ₃ を
用いるのがよい。特に、酸化ガリウムの添加量が少ない
場合には水分の影響が無視できなくなる。Ｂ₂ Ｏ₃ の水
分濃度は１００ｐｐｍ以下のものを使用するのが良い。

【００１２】の反応で生ずるＧａ₂ Ｏは、気体なので
Ｂ₂ Ｏ₃ 中を拡散して雰囲気中に抜け、低温部（高圧容
器壁など）で再びＧａ₂ Ｏ₃ となって堆積するため、
の反応は平衡状態に達しにくく、右向きの反応が必要以
上に進む傾向にある。そのため、図４に示すような気密
容器を設けてＧａ₂ Ｏを閉じ込めて結晶成長を行うこと
が、炭素濃度の制御の精度を高める上で好ましい。気密
容器内の圧力は、２〜１０ａｔｍの範囲が適している。

【００１３】図４の装置は、高圧チャンバ１の内部に設
けた気密容器１３内で成長雰囲気を保持するようにした
もので、気密容器１３内にるつぼ４及びサセプタ５を下
軸３で支持し、上軸２に固定した種結晶８で単結晶９を
引き上げるとともに、気密容器１３の上部に設けた液体
封止剤溜１４の液体封止剤１５中を上軸を通してシール
し、下軸３に設けた液体封止剤溜１８の液体封止剤１９
中に気密容器１３の下端を浸漬してシールする。なお、
上部の液体封止剤１５を溶融するためにヒータ１６を、
下部の液体封止剤１９を溶融するためにヒータ２０を配
置した。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）図４の装置を用いてＧａＡｓ単結晶を成長
し、結晶中の炭素濃度を調べた。ｐＢＮ製るつぼにＧａ
Ａｓ多結晶原料１０ｋｇ、酸化ガリウム（Ｇａ₂ Ｏ₃ ）
０．１〜１ｇ及びＢ₂ Ｏ₃ ３５０〜５００ｇを図２のよ
うにチャージし、雰囲気ガスとして窒素を用い、１０気
圧と５気圧で成長させた。

【００１５】成長した結晶中の炭素濃度（Ｃ_As濃度：ｃ
ｍ^-3）をＦＴＩＲ法（フーリエ変換赤外分光法）で測定
した。図５は、結晶中の炭素濃度（ｃｍ^-3）を、添加し
た酸化ガリウムとＢ₂ Ｏ₃ の重量比に対して両対数でプ
ロットしたものである。このグラフより、次の関係式を
得ることができた。 １０気圧の場合 （炭素濃度）＝２．８８×１０¹⁴×（Ｇａ₂ Ｏ₃ 添加量
／Ｂ₂ Ｏ₃ 重量）^-0.28 ５気圧の場合 （炭素濃度）＝７．７６×１０¹⁴×（Ｇａ₂ Ｏ₃ 添加量
／Ｂ₂ Ｏ₃ 重量）^-0.27

【００１６】上式より目的とする炭素濃度（ｃｍ^-3）に
対して、酸化ガリウムの添加量は、 （Ｇａ₂ Ｏ₃ 添加量／Ｂ₂ Ｏ₃ 重量）＝Ａ×（炭素濃
度）^-1/0.28 〜^-1/0.27 により算出できる。ここで、定数Ａは、実験結果からも
分かるように圧力などの条件で決定される値であり、同
じ条件であれば１回の成長によってＡを求めておけば、
上式にしたがって酸化ガリウムの添加量を決定して炭素
濃度を制御することができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明は、上記の構成を採用することに
より、半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の比抵抗を制御するため
に非常に重要な結晶中の炭素濃度を制御することが可能
になった。また、従来の成長法では、低圧で成長すると
炭素濃度が増加するような条件においても、炭素濃度を
低減させて自由に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＬＥＣ法を実施するための装置の概念図であ
る。

【図２】本発明で酸化ガリウムをるつぼ底部にチャージ
し、その上にＧａＡｓ多結晶原料をチャージする状況を
示した説明図である。

【図３】本発明で酸化ガリウムを予め添加したＢ₂ Ｏ₃
をるつぼにチャージする状況を示した説明図である。

【図４】気密容器を用いてＬＥＣ法で結晶成長を行う装
置の概念図である。

【図５】実施例で得た酸化ガリウム添加量と結晶中の炭
素濃度の関係を示したグラフである。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体封止チョクラルスキー法でＧａＡｓ
   単結晶を成長する方法において、原料に酸化ガリウムを
   添加することを特徴とするＧａＡｓ単結晶の成長方法。
2. 【請求項２】 酸化ガリウムと液体封止剤Ｂ₂ Ｏ₃ の重
   量比を変化させることにより、成長結晶中の炭素濃度を
   制御することを特徴とする請求項１記載のＧａＡｓ単結
   晶の成長方法。
3. 【請求項３】 水分濃度が１００ｐｐｍ以下のＢ₂ Ｏ₃
   液体封止剤を使用することを特徴とする請求項１又は２
   記載のＧａＡｓ単結晶の成長方法。
4. 【請求項４】 酸化ガリウムを添加したＢ₂ Ｏ₃ 液体封
   止剤を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   か１項に記載のＧａＡｓ単結晶の成長方法。
5. 【請求項５】 るつぼの底部に酸化ガリウムをチャージ
   することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
   載のＧａＡｓ単結晶の成長方法。
6. 【請求項６】 成長圧力を２〜１０ａｔｏｍの範囲の低
   圧で結晶成長を行うことを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれか１項に記載のＧａＡｓ単結晶の成長方法。
7. 【請求項７】 種結晶を引き上げる上軸及び／又はるつ
   ぼを支持する下軸をＢ₂ Ｏ₃ 液体封止剤で封止した気密
   容器内で結晶成長を行うことを特徴とする請求項１〜６
   のいずれか１項に記載のＧａＡｓ単結晶の成長方法。