JPH10101469A - 化合物半導体結晶の育成方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 垂直ブリッジマン法又は垂直グラディエント
フリージング法で、結晶欠陥が少なく、不純物濃度又は
組成の均一な化合物半導体結晶を歩留り良く育成する方
法及びその装置を提供しようとするものである。 【解決手段】 縦型容器に収容した原料融液に隔壁を水
平に浸漬させ、縦型容器の底部より冷却固化して結晶を
育成する方法及びその装置において、隔壁及び／又は容
器を回転することにより、隔壁と成長界面との間の原料
融液を攪拌しながら化合物半導体結晶を育成する方法及
びその装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光デバイス、ＩＣ
等の化合物半導体基板に用いる化合物半導体結晶を垂直
ブリッジマン法又は垂直グラディエントフリージング法
で育成する方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、化合物半導体結晶は、引上法、水
平ブリッジマン法、垂直ブリッジマン法、水平グラディ
エントフリージング法、垂直グラディエントフリージン
グ法等により育成される。しかし、多元混晶や不純物を
ドープした結晶を育成するときには、偏析現象（平衡す
る融液組成と結晶組成が異なることによる）の影響で成
長結晶の組成や不純物濃度が成長軸に沿って変化してし
まう。

【０００３】本発明者等は、上記の欠点を解決するため
に、垂直ブリッジマン法又は垂直グラディエントフリー
ジング法で結晶を育成するときに、原料融液中に水平な
隔壁を浸漬し、成長界面と障壁との距離を一定に保持す
ることにより、均一な組成又は均一な不純物濃度を有す
る結晶を育成する方法を先に提案した（特開平３−２０
５３９１号公報参照）。

【０００４】上記の方法は原理的にはゾーンメルト法と
同じである。図４のＩｎＧａＡｓ系の状態図を参考に
し、Ｉｎ_1-X Ｇａ_X Ａｓ混晶のＧａ組成Ｘ_C と同じ組成
の原料融液を用いて育成を行うと、図５に示すように、
組成Ｘ_C の結晶が成長するときには、融液組成は成長界
面近傍においてＸ_L （Ｘ_C の固相に平衡する液相組成）
で、隔壁近傍ではＸ_C となっており、隔壁と成長界面の
間（以下、ゾーン部という）は拡散による溶質（この場
合はＧａ）の輸送と結晶の成長による溶質の取り込みが
平衡している（図４参照）。

【０００５】このような定常状態が成り立つまでの成長
初期は、組成が変化する（初期遷移領域）が、その後は
均一な組成の結晶が成長する。そして、ゾーン部の長さ
を小さくする程、初期遷移領域が小さくなり、均一領域
が長くなる。しかし、この方法では、ゾーン部への溶質
の供給が隔壁に開けた連通孔や、隔壁と縦型容器との隙
間を介してなされるため、その局所的に供給される溶質
が拡散によって十分に半径方向に拡がらず、ゾーン部融
液の半径方向の組成は隔壁の形状に依存した組成分布を
持ち易い。

【０００６】その結果、結晶の組成や不純物濃度の半径
方向の分布が不均一になり、さらに、多元混晶の場合
は、図４の平衡状態図からも分かるように、結晶組成に
よって融点が大きく変化するため、図６に示すように、
成長界面が大きく凹状になりやすい。成長界面の凹化
は、化合物半導体を多結晶化する原因となる。

【０００７】この方法は、隔壁と容器内壁との隙間から
の溶質の供給をなくすことはできないので、容器周辺部
の原料融液の融点が高くなる傾向があり、成長界面は融
液側に凹化しやすい状況にある。このような成長界面
は、発生した転位や欠陥が結晶内部に集積し、多結晶化
しやすいため、単結晶の育成には不利である（図６参
照）。また、ゾーン部融液の組成や不純物濃度の半径方
向の不均一性は、初期遷移領域を小さくするために、ゾ
ーン部の長さを短くしたり、成長速度を速くすると、不
均一性はより一層顕著になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の欠点
を解消し、垂直ブリッジマン法又は垂直グラディエント
フリージング法で不純物濃度又は組成を半径方向に均一
になるようにして結晶成長を可能にした化合物半導体結
晶の育成方法及びその装置を提供しようとするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記の構成を
採用することにより、上記の課題の解決を可能にしたも
のである。 (1) 縦型容器に収容した原料融液に水平隔壁を浸漬さ
せ、上記縦型容器の底部より冷却固化して結晶を育成す
る方法において、上記隔壁と成長界面との間の原料融液
を攪拌しながら成長することを特徴とする化合物半導体
結晶の育成方法。

【００１０】(2) 原料融液を収容する縦型円筒容器と、
該容器を支持する下軸と、水平な円板状隔壁を下端に支
持する上軸と、容器内の原料を溶融し、底部から冷却固
化する温度勾配炉と、上記隔壁を成長界面に対向して保
持する機構を備えた化合物半導体結晶の育成装置におい
て、上記隔壁を支持する上軸及び／又は上記縦型容器を
支持する下軸に回転手段を付設し、上記隔壁と成長界面
の間の原料融液を攪拌可能にしたことを特徴とする化合
物半導体結晶の育成装置。

【００１１】(3) 上記隔壁の下面に突起を設けたことを
特徴とする請求項２記載の化合物半導体結晶の育成装
置。 (4) 上記隔壁に連通孔を設けたことを特徴とする上記
(2) 又は(3) 記載の化合物半導体結晶の育成装置。

【００１２】

【発明の実施の態様】本発明は、ゾーン部の原料融液を
攪拌することにより、ゾーン部の原料融液の組成又は不
純物濃度を半径方向で均一にすることができ、その結
果、育成された結晶の組成又は不純物濃度の半径方向の
均一性が良くなる。また、融点が組成の影響を強く受け
る多元混晶においては、成長界面の平坦性が良くなり、
単結晶が得られやすくなるという極めて大きな利点があ
る。

【００１３】図１は、本発明を実施するための垂直ブリ
ッジマン装置の１例を示した断面図である。下軸１１で
支持されたサセプタ６内にルツボ５を配置し、ルツボ底
部には種結晶４を置き、原料融液２中に水平隔壁１を浸
漬し、水平隔壁１を支持するロッド１３を昇降及び回転
する手段を付設する。水平隔壁１と成長界面１０との間
の原料融液２の攪拌には、ロッド１３と下軸１１の少な
くとも一方を回転すればよい。攪拌効果を高めるために
は、水平隔壁１の下面に突起１２を設けることが好まし
い。なお、縦型円筒容器の周囲には、温度勾配を形成す
るために、ヒータ７，８及び９が配置されている。これ
らの装置は、外部容器１４内に置かれている。

【００１４】図３は攪拌用の突起の平面図であり、同図
（ａ）に示すように、隔壁の全面に十文字の突起を有す
るもの、（ｂ）に示すように、隔壁の周囲に半径方向の
線状の複数の突起を有するもの、（ｃ）に示すように、
隔壁の直径より短い十文字の突起を有するもの、（ｄ）
に示すように、突起を回転方向に傾斜した曲線状の突起
を有するものなど、攪拌時の原料融液の物性に応じて適
宜選択することができる。なお、突起の数は４つに限定
されない。突起の高さは１〜２ｍｍ程度、幅は０．５〜
１ｍｍ程度でよい。

【００１５】なお、水平隔壁１に連通孔を設けて原料融
液を供給することもできる。また、水平隔壁１の外周に
上方に向かって円筒部を付設することにより、ゾーン部
内外の不純物又は溶質の拡散を抑制することも可能であ
る。さらに、図１には示されていないが、ＧａＡｓ，Ｉ
ｎＰ等のIII-Ｖ族化合物半導体、ＺｎＴｅ，ＣｄＴｅ等
のII−VI族化合物半導体を育成する場合には、原料融液
をＢ₂ Ｏ₃ 等の液体封止剤で封止することも可能であ
る。

【００１６】単結晶の育成は、ルツボに原料を収容し、
上記ヒータにより図２に示すような温度勾配を形成し、
縦型円筒容器を徐々に降下させることにより、種結晶４
から単結晶３を育成する。その間、水平隔壁とルツボを
相対的に回転して原料融液を攪拌することにより、原料
融液内の不純物濃度や融液組成を均一にすることがで
き、不純物濃度や組成の均一な単結晶を高い歩留りで育
成することができる。以上、垂直ブリッジマン装置につ
いて説明したが、垂直グラディエントフリージング装置
においても、上記隔壁を同様に適用することができ、同
様の効果を得ることができる。

【００１７】

【実施例】

〔実施例１〕図１の垂直ブリッジマン装置を用いてＩｎ
ＧａＡｓ混晶を育成した。まず、内径２．５ｃｍのルツ
ボにＧａＡｓ多結晶とＩｎＡｓ多結晶をモル比で２：８
となるようにチャージし、ヒータに通電して多結晶原料
を溶融した後、ルツボを５ｒｐｍで回転し、水平隔壁を
ルツボと逆方向に３ｒｐｍで回転しながら、固液界面付
近の温度勾配を１０℃／ｃｍに保持し、次いで、下面に
幅１ｍｍ、高さ２ｍｍ、長さ２．３ｃｍの十文字の突起
を有する直径２．３ｃｍの水平隔壁を、成長界面との距
離をおよそ８ｍｍに保持するように保持しながら、２５
時間結晶成長させてＩｎＧａＡｓ混晶を育成した。

【００１８】得られたＩｎＧａＡｓ結晶は長さが８ｃｍ
の単結晶であった。そして、成長軸方向のＧａ濃度の分
布は図７に示す通りであり、初期の遷移領域後に均一組
成領域が得られた。また、高さ４ｃｍの位置でエッチン
グによる成長縞を観察し、かつ、Ｇａ濃度の半径方向の
分布を調べたところ、図８及び図９のようになってお
り、成長界面の形状がほとんど平坦で、半径方向のＧａ
濃度もほぼ均一であった。

【００１９】〔比較例１〕実施例１において、水平隔壁
の突起を省略し、水平隔壁の回転を止め、その他の条件
は実施例１と同様にしてＩｎＧａＡｓ混晶を育成した。
得られたＩｎＧａＡｓ結晶は長さが８ｃｍであり、高さ
４ｃｍの位置でエッチングによる成長縞を観察し、か
つ、Ｇａ濃度の半径方向の分布を調べたところ、図１０
及び図１１のようになっており、成長縞は融液方向に凹
を示し、半径方向のＧａ濃度も周辺部で高くなってい
た。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、上記の構成を採用し、水平隔
壁と成長界面との間のゾーン部の原料融液を攪拌するこ
とにより、原料融液の半径方向の不純物濃度分布、原料
融液組成分布を均一化させることができ、その結果、成
長界面の形状を平坦化することができるので、結晶欠陥
の少なく、不純物濃度の均一な単結晶を歩留り良く育成
することを可能にした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための垂直ブリッジマン装置
の１例を示した断面図である。

【図２】図１の垂直ブリッジマン装置の成長軸方向の温
度分布を示した図である。

【図３】水平隔壁に付設する突起の形状を説明するため
の図である。

【図４】ＩｎＧａＡｓ混晶の平衡状態図である。

【図５】垂直ブリッジマン装置の原料融液中に水平隔壁
を浸漬して結晶を育成するときの、成長軸方向について
の成長結晶と融液の組成を示した図である。

【図６】従来の垂直ブリッジマン法により結晶を育成す
るときの、成長界面と欠陥の成長方向を示した図であ
る。

【図７】実施例１で育成したＩｎ_1-X Ｇａ_X Ａｓ混晶の
成長軸方向の組成Ｘの変化を示した図である。

【図８】実施例１で育成したＩｎＧａＡｓ混晶の成長縞
を示した図である。

【図９】実施例１で育成したＩｎ_1-X Ｇａ_X Ａｓ混晶の
半径方向の組成Ｘの変化を示した図である。

【図１０】比較例１で育成したＩｎＧａＡｓ混晶の成長
縞を示した図である。

【図１１】比較例１で育成したＩｎ_1-X Ｇａ_X Ａｓ混晶
の半径方向の組成Ｘの変化を示した図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 縦型容器に収容した原料融液に水平隔壁
   を浸漬させ、隔壁と成長界面の距離を一定に保ちなが
   ら、上記縦型容器の底部より冷却固化して結晶を育成す
   る方法において、上記隔壁と成長界面との間の原料融液
   を攪拌しながら成長することを特徴とする化合物半導体
   結晶の育成方法。
2. 【請求項２】 原料融液を収容する縦型円筒容器と、該
   容器を支持する下軸と、水平な円板状隔壁を下端に支持
   する上軸と、容器内の原料を溶融し、底部から冷却固化
   する温度勾配炉と、上記隔壁を成長界面に対向して保持
   する機構を備えた化合物半導体結晶の育成装置におい
   て、上記隔壁を支持する上軸及び／又は上記縦型容器を
   支持する下軸に回転手段を付設し、上記隔壁と成長界面
   の間の原料融液を攪拌可能にしたことを特徴とする化合
   物半導体結晶の育成装置。
3. 【請求項３】 上記隔壁の下面に突起を設けたことを特
   徴とする請求項２記載の化合物半導体結晶の育成装置。
4. 【請求項４】 上記隔壁に連通孔を設けたことを特徴と
   する請求項２又は３記載の化合物半導体結晶の育成装
   置。