JPH10297999A - Production of gallium-rsenic single crystal - Google Patents

Production of gallium-rsenic single crystal

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JPH10297999A
JPH10297999A JP11138197A JP11138197A JPH10297999A JP H10297999 A JPH10297999 A JP H10297999A JP 11138197 A JP11138197 A JP 11138197A JP 11138197 A JP11138197 A JP 11138197A JP H10297999 A JPH10297999 A JP H10297999A
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JP
Japan
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single crystal
temperature
gaas
gaas single
cooling rate
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JP11138197A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Sawada
真一 澤田
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain large-diameter GaAs single crystal of high quality by providing a cooling process that increases the cooling rate of the GaAs single crystal, at the temperature of the GaAs single crystal becomes low, after the GaAs single crystal is formed. SOLUTION: A temperature gradient is formed between the high temperature zone and the low temperature zone and the GaAs starting melt 54 is moved from the high temperature zone to the low temperature zone, solidified to form GaAs single crystal. In this case, the temperature gradient is set <=50 deg.C/cm and the cooling rate of the GaAs single crystal is increased in the range the formula: dT/dt<=[820,000×exp -0.0039×(T+273.15)}]/D<2> , after the GaAs single crystal 56 is formed (D is the average diameter in cm in the case that the GaAs single crystal is assumed to be columnar, T is the surface temperature of the GaAs single crystal in deg.C and dT/dt gives the cooling rate of the surface temperature of the GaAs single crystal, when the surface temperature is at T deg.C, in deg.C/hour.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はガリウム砒素(以
下、「GaAs」という。)単結晶の製造方法に関し、
特に、大口径のGaAs単結晶の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing gallium arsenide (hereinafter referred to as "GaAs") single crystals.
In particular, it relates to a method for producing a large-diameter GaAs single crystal.

【0002】[0002]

【従来の技術】III−V族化合物半導体として最も代表
的な半導体であるGaAsは、現在汎用されている半導
体デバイスを構成するSiに比べ、大きい移動度を有し
ている。したがって、GaAsから作られた化合物半導
体デバイスは、高速動作化及び高周波化等が要求される
次世代の半導体デバイスとして最も期待されている。し
かし、GaAsからなる半導体デバイスの性能は、出発
材料であるGaAs単結晶の品質、例えば、結晶欠陥や
純度等によって大きく左右される。したがって、GaA
sからなる半導体デバイスが実用化されるために、Ga
As単結晶の製造方法が非常に重要となる。
2. Description of the Related Art GaAs, which is the most typical semiconductor as a group III-V compound semiconductor, has a higher mobility than Si which constitutes a semiconductor device which is widely used at present. Therefore, compound semiconductor devices made of GaAs are most expected as next-generation semiconductor devices that require high-speed operation and high-frequency operation. However, the performance of a GaAs semiconductor device greatly depends on the quality of a GaAs single crystal as a starting material, for example, crystal defects and purity. Therefore, GaA
In order for a semiconductor device consisting of
The production method of As single crystal becomes very important.

【0003】GaAs単結晶の製造方法としては、例え
ば、液体封止チョクラルスキー(LEC:Liqud Encapsu
lation Czochralski)法及び垂直ブリッジマン(VB:V
ertical Bridgeman)法等の結晶育成方法があるのがよ
く知られている。そして、GaAs単結晶が出発材料と
してより一層優れた特性を有するよう、これらの方法に
対する種々の改善策が以下のように提案されている。
As a method of manufacturing a GaAs single crystal, for example, a liquid sealed Czochralski (LEC: Liquid Encapsu)
lation Czochralski method and vertical Bridgman (VB: V)
It is well known that there is a crystal growing method such as the ertical Bridgeman method. In order to make the GaAs single crystal have more excellent characteristics as a starting material, various improvement measures for these methods have been proposed as follows.

【0004】LEC法では、第14回GaAs及び関連
化合物についての国際シンポジウム予稿集の141〜1
44頁(Proceedings of the 14th Int.Symp.GaAs and R
elated Compounds,p141〜p144)に開示されているよう
に、熱伝達の方程式を解いてGaAs単結晶の熱履歴を
設計することにより、直径が3インチのGaAs単結晶
が得られている。このとき、熱履歴の図から、GaAs
単結晶を20〜30℃/時間のほぼ一定の冷却速度で冷
却しているのが理解される。また、VB法では、特公平
7−23275号公報に開示されているように、点欠陥
が転位箇所に析出し且つ熱応力による新たな転位の発生
・増殖を防止するため、直径が50mm(約2インチ)の
GaAs単結晶の冷却速度を20〜250℃/時間の範
囲でほぼ一定に維持している。
According to the LEC method, 141-1 of the 14th International Symposium on GaAs and Related Compounds
Page 44 (Proceedings of the 14th Int.Symp.GaAs and R
As disclosed in Elated Compounds, p141-p144), a GaAs single crystal having a diameter of 3 inches has been obtained by solving the heat transfer equation and designing the thermal history of the GaAs single crystal. At this time, the GaAs
It is understood that the single crystal is cooled at a substantially constant cooling rate of 20 to 30 ° C./hour. In addition, in the VB method, as disclosed in Japanese Patent Publication No. Hei 7-23275, the diameter of a point defect is 50 mm (approximately 50 mm) in order to prevent point defects from precipitating at dislocation sites and generating and growing new dislocations due to thermal stress. The cooling rate of the GaAs single crystal (2 inches) is kept almost constant in the range of 20 to 250 ° C./hour.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した方法
で得られたGaAs単結晶の直径はいずれも4インチ以
下である。この4インチという値は、現在半導体デバイ
スを製造するために主に用いられている8インチのSi
に比べるとはるかに小さく、製造コスト及び量産化の観
点から、GaAs半導体デバイスの実用化にとって極め
て不利である。
However, the diameter of each of the GaAs single crystals obtained by the above-described method is 4 inches or less. This value of 4 inches is equivalent to 8 inches of Si that is currently used mainly for manufacturing semiconductor devices.
GaAs semiconductor devices are extremely disadvantageous for practical use of GaAs semiconductor devices from the viewpoint of manufacturing cost and mass production.

【0006】また、上述した方法でGaAs単結晶の大
口径化を図った場合、大口径の単結晶では、冷却中に中
心部分と周辺部分との間に大きな温度差が生じ易い。そ
の結果、温度差に基づく熱応力が、降伏応力の小さいG
aAs単結晶に無視できない程加えられて、点欠陥や転
位等の結晶欠陥が生じやすくなる。したがって、大口径
化したGaAs単結晶の品質等については、まだ十分な
ものを得るには至っていない。
When the diameter of a GaAs single crystal is increased by the above-described method, a large temperature difference is likely to occur between the central portion and the peripheral portion of the large-diameter single crystal during cooling. As a result, the thermal stress based on the temperature difference becomes smaller due to the lower yield stress G
Crystal defects such as point defects and dislocations are liable to occur in non-negligible addition to aAs single crystal. Therefore, sufficient quality and the like of the GaAs single crystal having a large diameter have not yet been obtained.

【0007】そこで、本発明は、高い品質を有する大口
径のGaAs単結晶の製造方法を提供することを目的と
する。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a large-diameter GaAs single crystal having high quality.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたもので、GaAsの融点より高い
高温部とGaAsの融点より低い低温部との間に温度勾
配を形成して、GaAs原料融液を高温部から低温部へ
相対的に移動させて固化させることにより、GaAs単
結晶を形成するGaAs単結晶の製造方法において、G
aAs単結晶の形成後に、GaAs単結晶の温度が低下
するにつれて、GaAs単結晶の冷却速度を実質的に高
める冷却工程を備えており、温度勾配を50℃/cm以下
とし、且つ、冷却速度dT/dtを、式(1): dT/dt≦[820000×exp{-0.0039×(T+273.1
5)}]/D2 [式中、DはGaAs単結晶を円柱状とした場合の直胴
部の平均直径(cm)を表し、TはGaAs単結晶の表面の
温度(℃)を表し、及び、dT/dtは冷却工程でGa
As単結晶の表面の温度がTであるときの冷却速度(℃
/時間)を表す]の範囲で実質的に高めることを特徴と
している。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has a temperature gradient formed between a high-temperature portion higher than the melting point of GaAs and a low-temperature portion lower than the melting point of GaAs. A method of manufacturing a GaAs single crystal by forming a GaAs single crystal by relatively moving and solidifying a GaAs raw material melt from a high temperature part to a low temperature part;
After the formation of the aAs single crystal, a cooling step of substantially increasing the cooling rate of the GaAs single crystal as the temperature of the GaAs single crystal is reduced is provided, the temperature gradient is set to 50 ° C./cm or less, and the cooling rate dT / Dt in the formula (1): dT / dt ≦ [820000 × exp {−0.0039 × (T + 273.1
5)}] / D 2 [where D represents the average diameter (cm) of the straight body portion when the GaAs single crystal is formed into a columnar shape, T represents the temperature (° C.) of the surface of the GaAs single crystal, And dT / dt is Ga in the cooling step.
Cooling rate (° C.) when the surface temperature of the As single crystal is T
/ Hour).].

【0009】これによって、高温のGaAs単結晶では
冷却速度を低くした結果、低温のGaAs単結晶よりも
激しい熱振動と併せて辷りを生じさせる熱応力を抑制す
ることができる。また、低温のGaAs単結晶では冷却
速度を高めた結果、高温のGaAs単結晶に比べて熱応
力が増加するが、熱振動を抑制するので、辷りが生じる
のを防止することができる。かくして、熱応力と熱振動
のバランスを図ることにより、転位等の結晶欠陥が導入
されたり又は増殖したりする傾向を少なくし、高い品質
のGaAs単結晶を得ることができる。このことは、冷
却中には径方向の温度分布が容易に形成される形状の大
きなGaAs単結晶に特に顕著となる。
As a result, the cooling rate of the high-temperature GaAs single crystal is reduced, and as a result, thermal stress that causes slippage in conjunction with more severe thermal vibration than that of the low-temperature GaAs single crystal can be suppressed. In addition, as a result of increasing the cooling rate in the low-temperature GaAs single crystal, the thermal stress increases as compared with the high-temperature GaAs single crystal. However, since thermal vibration is suppressed, slip can be prevented from occurring. Thus, by balancing thermal stress and thermal vibration, the tendency for crystal defects such as dislocations to be introduced or multiplied is reduced, and a high-quality GaAs single crystal can be obtained. This is particularly noticeable in a GaAs single crystal having a large shape in which a temperature distribution in the radial direction is easily formed during cooling.

【0010】特に、温度勾配を50℃/cm以下としたの
は、GaAs原料融液の固化の際に、結晶欠陥の導入及
び非晶質のGaAsの形成を抑制するためである。この
ように冷却速度を定量化して精密に冷却工程を制御する
ことができ、品質の揃ったGaAs単結晶を製造するこ
とができる。
In particular, the reason why the temperature gradient is set to 50 ° C./cm or less is to suppress the introduction of crystal defects and the formation of amorphous GaAs during the solidification of the GaAs raw material melt. In this way, the cooling rate can be quantified to precisely control the cooling step, and a GaAs single crystal of uniform quality can be manufactured.

【0011】また、本発明は、Asの析出をできるだけ
抑えるため、低温部の温度を1000℃以上とし、且
つ、冷却工程の冷却速度を、900℃≦T≦1000℃
のときは20℃/時間以上とするのが好適である。これ
は、GaAs単結晶表面の温度が900〜1000℃と
きは、Asの析出が著しくなることを本発明者が明らか
にしたためである。
Further, in the present invention, in order to suppress the precipitation of As as much as possible, the temperature of the low-temperature portion is set to 1000 ° C. or more, and the cooling rate in the cooling step is set to 900 ° C. ≦ T ≦ 1000 ° C.
In this case, the temperature is preferably set to 20 ° C./hour or more. This is because the present inventors have found that when the temperature of the GaAs single crystal surface is 900 to 1000 ° C., the precipitation of As becomes remarkable.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同
一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.

【0013】図1は、本発明のGaAs単結晶の製造方
法を実施するのに有用な装置の一態様を示した構成図で
ある。図示装置はいわゆる垂直ブリッジマン法に用いら
れる装置であって、温度勾配の与えられた気密容器10
内で、GaAs原料融液の収容可能な縦長のるつぼ12
を降下させることにより、下端からGaAsを固化させ
て大口径のGaAs単結晶を得ようとするものである。
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of an apparatus useful for carrying out the method for producing a GaAs single crystal of the present invention. The illustrated device is a device used for the so-called vertical Bridgman method, and is an airtight container 10 provided with a temperature gradient.
A vertically elongated crucible 12 capable of containing a GaAs raw material melt therein.
Is to be solidified from the lower end to obtain a large-diameter GaAs single crystal.

【0014】より詳細に述べると、石英からなるこの装
置の気密容器10内には、るつぼホルダ14が設置され
ている。石英のるつぼホルダ14には、いわゆるpBN
(パイロリティックBN)からなるるつぼ12が収容さ
れている。るつぼ12内で単一の結晶が容易に成長する
よう、このるつぼ12の下端部は下方に向かうにつれて
先細になっている。なお、るつぼ12をpBNとしたの
は、石英のるつぼの場合、GaAs原料融液にSiが混
入するおそれがあるためである。るつぼホルダ14の下
部には、るつぼ駆動機構16を介してるつぼ軸18が接
続され、るつぼ12に回転及び上下運動を伝達すること
ができる。るつぼホルダ14の周囲にはヒータ20a〜
20dが配置され、るつぼ12を加熱することができ
る。るつぼホルダ14の周壁内には複数の熱電対22a
〜22eが設けられて、るつぼホルダ14及びGaAs
単結晶の直胴部表面と熱的に平衡になるるつぼの温度分
布を測定することを可能にしている。
More specifically, a crucible holder 14 is provided in an airtight container 10 of this apparatus made of quartz. The quartz crucible holder 14 has a so-called pBN
The crucible 12 made of (pyrotic BN) is accommodated. The lower end of the crucible 12 tapers downward so that a single crystal can easily grow in the crucible 12. The reason why the crucible 12 is pBN is that, in the case of a quartz crucible, there is a possibility that Si may be mixed into the GaAs raw material melt. A crucible shaft 18 is connected to a lower portion of the crucible holder 14 via a crucible driving mechanism 16, and can transmit rotation and vertical movement to the crucible 12. Around the crucible holder 14, heaters 20a-
20d can be arranged to heat the crucible 12. A plurality of thermocouples 22a are provided in the peripheral wall of the crucible holder 14.
To 22e, the crucible holder 14 and the GaAs
This makes it possible to measure the temperature distribution of the crucible that is in thermal equilibrium with the surface of the single crystal straight body.

【0015】このような装置では、るつぼ12の温度分
布及びるつぼホルダ14の動きが、制御装置30によっ
て制御されている。制御装置30はCPU32を中心に
構成されている。CPU32には、熱電対22a〜22
eからの信号を読み取る温度読み取り手段34が、入力
インターフェース36を介して接続され、読み取り信号
を制御装置30のCPU32に伝送することができる。
また、CPU32には、入力インターフェース36を介
してキーボードのような入力手段38が接続されてい
る。そして、るつぼ12の温度分布等についての初期デ
ータ(例えば、高温部及び低温部の温度、温度勾配、及
び冷却速度等)の入力が、入力手段38から行われた場
合、入力手段38が上記データをCPU32に伝送する
ことができるようになっている。さらに、CPU32に
は入出力インターフェース40を介して記憶手段42が
接続されている。記憶手段42はCPU32とデータの
やりとりを行うことにより、例えば、熱電対22a〜2
2eからの読み取り信号に基づいてるつぼ12の温度分
布等を求めたり、又は、その温度分布と初期データとの
比較を行ったりしている。
In such an apparatus, the temperature distribution of the crucible 12 and the movement of the crucible holder 14 are controlled by the control device 30. The control device 30 mainly includes a CPU 32. The CPU 32 includes thermocouples 22a to 22a.
A temperature reading means 34 for reading a signal from e is connected via an input interface 36, and can transmit a reading signal to the CPU 32 of the control device 30.
Further, input means 38 such as a keyboard is connected to the CPU 32 via an input interface 36. When input of initial data (for example, the temperature of the high-temperature portion and the low-temperature portion, the temperature gradient, the cooling rate, and the like) on the temperature distribution and the like of the crucible 12 is performed from the input unit 38, the input unit 38 Can be transmitted to the CPU 32. Further, a storage means 42 is connected to the CPU 32 via an input / output interface 40. The storage unit 42 exchanges data with the CPU 32, thereby storing, for example, the thermocouples 22a to 22a.
The temperature distribution or the like of the crucible 12 is obtained based on the read signal from 2e, or the temperature distribution is compared with the initial data.

【0016】CPU32は、出力インターフェース44
を介してヒータコントローラ46及びるつぼ駆動機構コ
ントローラ48に接続しており、初期データと求めた温
度分布とに基づいた制御信号をそれらに伝送することが
できる。そして、この制御信号によってヒータ20a〜
20d及びるつぼ駆動機構16が制御され、るつぼ12
の温度分布及びるつぼホルダ14の動きを適宜調節する
ことができるようになっている。なお、GaAs単結晶
を製造する際、るつぼ12の温度分布がリアルタイムで
観測されうるよう、CPU12には例えばディスプレイ
等の表示手段50が出力インターフェース44を介して
接続されてもよい。
The CPU 32 has an output interface 44
Are connected to the heater controller 46 and the crucible drive mechanism controller 48 through the controller, and can transmit a control signal based on the initial data and the obtained temperature distribution to them. Then, the heaters 20a to 20a
20d and the crucible drive mechanism 16 are controlled, and the crucible 12
And the movement of the crucible holder 14 can be appropriately adjusted. When manufacturing the GaAs single crystal, display means 50 such as a display may be connected to the CPU 12 via the output interface 44 so that the temperature distribution of the crucible 12 can be observed in real time.

【0017】つぎに、この装置にしたがった本発明のG
aAs単結晶の製造方法を説明する。
Next, the G of the present invention according to this device is
A method for producing an aAs single crystal will be described.

【0018】まず、るつぼの中に、予め合成したGaA
s多結晶とB23とをそれぞれ出発原料及び液体封止材
として入れた後、所要の初期データを入力手段により入
力する。このとき、温度勾配を介してGaAsの融点よ
り低い低温部とGaAsの融点より高い高温部とを有す
る温度分布を、ヒータ20a〜20dにより、るつぼ1
2の下側及び上側にそれぞれ形成する。
First, GaAs synthesized in advance is placed in a crucible.
After the s-polycrystal and B 2 O 3 are added as a starting material and a liquid sealing material, required initial data is input by input means. At this time, a temperature distribution having a low-temperature portion lower than the melting point of GaAs and a high-temperature portion higher than the melting point of GaAs through a temperature gradient is determined by the heaters 20a to 20d.
2 are formed on the lower side and the upper side, respectively.

【0019】つぎに、るつぼホルダ14を上方に移動さ
せてるつぼを600℃まで加熱し、B23を溶融させ
る。溶融したB23は液体封止材52としてGaAs多
結晶を覆うようになる。さらに、るつぼ12を所定温度
まで加熱してGaAs多結晶を溶融させる。
Next, the crucible, which is moving the crucible holder 14 upward, is heated to 600 ° C. to melt B 2 O 3 . The melted B 2 O 3 serves as the liquid sealing material 52 to cover the GaAs polycrystal. Further, the crucible 12 is heated to a predetermined temperature to melt the GaAs polycrystal.

【0020】GaAs多結晶が完全に溶融してGaAs
原料融液54になった後、るつぼホルダ14を、図1に
矢印で示すように下方に徐々に移動させ、低温部の温度
(以下、「固化終了温度」という。)で最終的にGaA
s原料融液54を固化させ、GaAs単結晶56を育成
する。GaAs原料融液54を完全に固化してGaAs
単結晶56を形成した後は、このGaAs単結晶56を
冷却する。本実施形態では、GaAs単結晶の温度が低
下するにつれて、GaAs単結晶の冷却速度を実質的に
高めている。
When the GaAs polycrystal is completely melted and the GaAs
After the raw material melt 54 has been formed, the crucible holder 14 is gradually moved downward as shown by the arrow in FIG. 1 and finally GaAs at the temperature of the low temperature portion (hereinafter, referred to as “solidification end temperature”).
The s raw material melt 54 is solidified, and a GaAs single crystal 56 is grown. The GaAs raw material melt 54 is completely solidified to form GaAs.
After the formation of the single crystal 56, the GaAs single crystal 56 is cooled. In the present embodiment, as the temperature of the GaAs single crystal decreases, the cooling rate of the GaAs single crystal is substantially increased.

【0021】従来の冷却は、上述したように、ほぼ一定
の冷却速度でもって行われているけれども、高温のGa
As単結晶では低温のGaAs単結晶に比べて、各原子
が熱的に励起され激しく振動しているので、転位等の結
晶欠陥の発生又は増殖を引き起こす辷りが、わずかな応
力により生じやすい。すなわち、高温のGaAs単結晶
に存在する応力が、辷りの発生に大きな影響を与える傾
向にある。この傾向は、冷却中に径方向の温度分布が容
易に形成され、大きな熱応力が発生する大口径のGaA
s単結晶に顕著に現れる。一方、低温のGaAs単結晶
では高温のGaAs単結晶に比べて、各原子の熱振動の
差だけ、辷りの生じ易さは低減しているので、応力の影
響も少なくなる。このため、高温のGaAs単結晶に比
べて径方向に大きな温度変化を有する温度分布を、低温
のGaAs単結晶に形成することができる。すなわち、
冷却速度を高めることができる。そこで、本実施形態で
は、GaAs単結晶の温度が低下するにつれて、GaA
s単結晶の冷却速度を実質的に高めて、熱振動と熱応力
のバランスを図っている。また、冷却速度を高めること
により、冷却時間を短縮できるので、生産のスループッ
トが向上することができる。
Although the conventional cooling is performed at a substantially constant cooling rate as described above, the high-temperature Ga
Since each atom of the As single crystal is thermally excited and vibrates violently as compared with a low-temperature GaAs single crystal, slip which causes generation or growth of crystal defects such as dislocations is likely to occur due to slight stress. That is, the stress existing in the high-temperature GaAs single crystal tends to greatly affect the occurrence of slip. This tendency is due to the fact that the temperature distribution in the radial direction is easily formed during cooling, and large-diameter GaAs where large thermal stress is generated.
Appears remarkably in s single crystal. On the other hand, in a low-temperature GaAs single crystal, as compared with a high-temperature GaAs single crystal, slippage is less likely to occur due to the difference in thermal vibration of each atom, so that the influence of stress is reduced. Therefore, a temperature distribution having a larger temperature change in the radial direction than that of the high-temperature GaAs single crystal can be formed in the low-temperature GaAs single crystal. That is,
The cooling rate can be increased. Therefore, in the present embodiment, as the temperature of the GaAs single crystal decreases, the GaAs
The cooling rate of the s single crystal is substantially increased to balance thermal vibration and thermal stress. Further, by increasing the cooling rate, the cooling time can be shortened, so that the production throughput can be improved.

【0022】つぎに、GaAs単結晶を直胴部の平均直
径がDcmである円柱状とし、また、GaAs単結晶の冷
却速度を、温度がT℃である直胴部の表面での冷却速度
dT/dt(℃/時間)として、冷却速度等の定量的な
考察を行う。GaAs単結晶は円柱状であることから、
冷却時のGaAs単結晶の径方向の温度分布は軸対称に
なっているとみなすことができるので、その温度分布を
2次関数で近似してもよい。以上の仮定から、GaAs
単結晶内部の応力分布を計算することができ、そして、
この応力分布から辷り方向への剪断応力分布を求め、そ
の最大値σmaxを求めることができる。また、転位が動
くとき(転位密度が増加するとき)とは、最大値σmax
が臨界剪断応力値σcrsをある温度で越えるときとみな
すことができる。なお、σcrsは種々の文献より既知の
値(例えば、Bourretの臨界剪断応力値)である。以上
の考察から、GaAs単結晶の直胴部の平均直径がDcm
であるとき、直胴部の表面温度を温度T℃から室温まで
冷却するときの冷却速度dT/dtを、式(1): dT/dt≦[820000×exp{-0.0039×(T+273.1
5)}]/D2 とすれば、転位等の結晶欠陥の発生を抑制することがで
きることを本発明者は見出した。また、温度勾配は50
℃/cm以下としている。温度勾配が50℃/cmより大き
いと、後述するGaAs原料融液の固化の際に、結晶欠
陥が導入されやすいばかりでなく、非晶質のGaAsが
形成される傾向にあるからである。このような定量化
は、冷却速度等の精密な制御を可能にするので、品質の
揃ったGaAs単結晶を得ることができる。
Next, the GaAs single crystal is formed into a columnar shape having an average diameter of the straight body of Dcm, and the cooling rate of the GaAs single crystal is set at a cooling rate dT on the surface of the straight body having a temperature of T ° C. / Dt (° C./hour) will be considered quantitatively, such as the cooling rate. Since the GaAs single crystal is cylindrical,
Since the temperature distribution in the radial direction of the GaAs single crystal during cooling can be considered to be axially symmetric, the temperature distribution may be approximated by a quadratic function. From the above assumption, GaAs
The stress distribution inside the single crystal can be calculated, and
From this stress distribution, the shear stress distribution in the sliding direction is obtained, and the maximum value σmax can be obtained. When the dislocation moves (when the dislocation density increases), the maximum value σmax
Exceeds the critical shear stress value σcrs at a certain temperature. Here, σcrs is a value known from various documents (for example, Bourret's critical shear stress value). From the above considerations, the average diameter of the straight body of the GaAs single crystal is Dcm
, The cooling rate dT / dt for cooling the surface temperature of the straight body from the temperature T ° C. to the room temperature is expressed by the following equation (1): dT / dt ≦ [820000 × exp {−0.0039 × (T + 273.1)
5) The present inventor has found that if Δ] / D 2 , generation of crystal defects such as dislocations can be suppressed. The temperature gradient is 50
C / cm or less. If the temperature gradient is larger than 50 ° C./cm, not only crystal defects are likely to be introduced during the solidification of the GaAs raw material melt described later, but also amorphous GaAs tends to be formed. Such quantification enables precise control of the cooling rate and the like, so that a GaAs single crystal of uniform quality can be obtained.

【0023】特に、本発明者は、GaAs単結晶の温度
が900〜1000℃ときは、結晶内部でAsの析出が
著しくなることを明らかにした。そこで、本実施形態で
は、Asの析出をできるだけ抑えるために、結晶固化温
度を少なくとも1000℃以上とし、また、900〜1
000℃における冷却速度の下限を20℃/時間以上と
するのが好ましい。
In particular, the present inventors have revealed that when the temperature of a GaAs single crystal is 900 to 1000 ° C., the precipitation of As inside the crystal becomes remarkable. Therefore, in the present embodiment, in order to minimize the precipitation of As, the crystallization solidification temperature is set to at least 1000 ° C.
It is preferable that the lower limit of the cooling rate at 000 ° C. is 20 ° C./hour or more.

【0024】このように、GaAs単結晶の製造時の冷
却速度を、GaAs単結晶の温度に応じて変化させた結
果、結晶欠陥の導入及びAsの析出が抑制され、品質が
一定水準以上のGaAs単結晶を得ることができるよう
になる。この製造方法は、径方向の温度変化が著しい大
口径のGaAs単結晶の製造するときに極めて有利とな
り、GaAs半導体デバイスの量産化及び製造コストの
低減につながる。
As described above, as a result of changing the cooling rate during the production of the GaAs single crystal in accordance with the temperature of the GaAs single crystal, the introduction of crystal defects and the precipitation of As are suppressed, and the quality of GaAs of a certain level or higher is suppressed. A single crystal can be obtained. This manufacturing method is extremely advantageous when manufacturing a large-diameter GaAs single crystal in which the temperature change in the radial direction is remarkable, leading to mass production of GaAs semiconductor devices and reduction in manufacturing cost.

【0025】つぎに、実施例及び比較例にしたがって、
本発明を詳細に説明するが、本発明がこれにより限定さ
れるものではないことはいうまでもない。
Next, according to Examples and Comparative Examples,
Although the present invention will be described in detail, it goes without saying that the present invention is not limited thereto.

【0026】[0026]

【実施例】実施例1 上述した垂直ブリッジマン法により、直胴部の平均直径
が152mm(約6インチ)のGaAs単結晶を製造し
た。まず、純度がシックスナインの市販のGaAs多結
晶とB23とをそれぞれ10kg及び300g用意し、
それらをるつぼの中に入れた。つぎに、高温部の温度及
び固化終了温度(すなわち低温部の温度)をそれぞれ1
245℃と1100℃とにした。また、高温部を低温部
の間に5℃/cmの温度勾配を与えた。
EXAMPLE 1 A GaAs single crystal having an average diameter of a straight body of 152 mm (about 6 inches) was produced by the above-described vertical Bridgman method. First, 10 kg and 300 g of commercially available GaAs polycrystal having a purity of Six Nine and B 2 O 3 were prepared,
Put them in a crucible. Next, the temperature of the high temperature part and the solidification end temperature (that is, the temperature of the low temperature part) are each set to 1
245 ° C and 1100 ° C. Further, a temperature gradient of 5 ° C./cm was provided between the high temperature part and the low temperature part.

【0027】このような状態で、るつぼを高温部側に移
動させ、GaAs多結晶をGaAs原料融液にする。G
aAsが完全に融液になった後、るつぼを低温部側に移
動させてGaAsの固化を行った。GaAsが固化終了
温度で完全に固化した後は、以下の表1に示される冷却
速度dT/dtにしたがって、固化したGaAsを冷却
した。なお、この冷却速度dT/dtは式(1)を満足
している。このようにして得られたGaAs単結晶の平
均転位密度は、直胴部において3000cm-2となった。
また、この単結晶から切り出された鏡面ウェハ表面にお
いてAsの析出量を測定した結果、散乱断面積が0.0
6μm2より大きい光散乱物濃度も500/ウェハとな
った。
In such a state, the crucible is moved to the high-temperature portion side to convert the GaAs polycrystal into a GaAs raw material melt. G
After the aAs was completely melted, the crucible was moved to the low temperature part side to solidify the GaAs. After the GaAs was completely solidified at the solidification end temperature, the solidified GaAs was cooled according to a cooling rate dT / dt shown in Table 1 below. The cooling rate dT / dt satisfies the expression (1). The average dislocation density of the GaAs single crystal thus obtained was 3000 cm -2 at the straight body.
In addition, as a result of measuring the amount of As deposited on the surface of the mirror-polished wafer cut out of this single crystal, the scattering cross section was 0.0
Light scatterer concentrations greater than 6 μm 2 were also 500 / wafer.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】比較例1 温度勾配が実施例1より大きい52℃/cmである点で実
施例1と異なる以外は、実施例1と同じ方法によりGa
As単結晶を製造した。このとき得られたGaAs単結
晶の平均転位密度は、8000cm-2となった。したがっ
て、本発明の温度勾配の条件を満たさないと、転位等の
結晶欠陥の発生が抑制されないことが確認された。
[0029] Comparative Example 1 except that the temperature gradient is different from example 1 in that a first embodiment of greater than 52 ° C. / cm is, Ga in the same manner as in Example 1
As single crystals were produced. The average dislocation density of the GaAs single crystal obtained at this time was 8000 cm -2 . Therefore, it was confirmed that the generation of crystal defects such as dislocations would not be suppressed unless the conditions of the temperature gradient of the present invention were satisfied.

【0030】比較例2〜比較例5 1100℃から室温までの冷却速度dT/dtの一部
が、表1に示されるように、上述の式(1)の上限を上
回っている点で実施例1と異なる以外は、実施例1と同
じ方法によりGaAs単結晶を製造した。このとき、G
aAs単結晶の平均転位密度だけが実施例1よりも大き
い値となった。したがって、本発明の冷却速度の条件を
満たさないと、転位等の結晶欠陥の発生等を抑制しない
ことが確認された。
Comparative Example 2 to Comparative Example 5 As shown in Table 1, a part of the cooling rate dT / dt from 1100 ° C. to room temperature exceeds the upper limit of the above-mentioned equation (1). A GaAs single crystal was manufactured in the same manner as in Example 1 except that Example 1 was different from Example 1. At this time, G
Only the average dislocation density of the aAs single crystal was larger than that of Example 1. Therefore, it was confirmed that the generation of crystal defects such as dislocations would not be suppressed unless the cooling rate condition of the present invention was satisfied.

【0031】参考例1 固化終了温度が実施例1より低い950℃である点で実
施例1と異なる以外は、実施例1と同じ方法によりGa
As単結晶を製造した。このようにして得られたGaA
s単結晶の平均転位密度及び光散乱物濃度は、4000
cm-2及び3000〜5000/ウェハとなった。この結
果から、固化終了温度を約1000℃未満にすると、A
sの析出が抑制されないことが確認された。
REFERENCE EXAMPLE 1 Except that the solidification end temperature is 950 ° C. lower than that of Example 1, the solidification end temperature is the same as that of Example 1 except that Ga is
As single crystals were produced. The GaAs thus obtained
The average dislocation density and the light scattering substance concentration of the s single crystal were 4000
cm -2 and 3000-5000 / wafer. From this result, when the solidification end temperature is set to less than about 1000 ° C., A
It was confirmed that the precipitation of s was not suppressed.

【0032】参考例2 1000〜900℃の冷却速度dT/dtが実施例1よ
り低い17℃/時間である点で実施例1と異なる以外
は、実施例1と同じ方法によりGaAs単結晶を製造し
た。このようにして得られたGaAs単結晶の平均転位
密度及び光散乱物濃度は、3000cm-2及び5000〜
8000/ウェハとなった。したがって、1000〜9
00℃の冷却速度dT/dtを20℃/時間未満とする
と、Asの析出が抑制されないことが確認された。
Reference Example 2 A GaAs single crystal was produced by the same method as in Example 1 except that the cooling rate dT / dt at 1000 to 900 ° C. was 17 ° C./hour lower than that in Example 1. did. The average dislocation density and light scattering material concentration of the GaAs single crystal thus obtained were 3000 cm -2 and 5,000 to 5,000.
8000 / wafer. Therefore, 1000-9
It was confirmed that when the cooling rate dT / dt at 00 ° C was less than 20 ° C / hour, the precipitation of As was not suppressed.

【0033】以上、好適な実施形態及び実施例に従って
本発明のGaAs単結晶の製造方法を説明したが、本発
明はこれらに限定されるものではない。上記のようなV
B法で冷却速度等を制御する以外に、例えば、グラディ
エント・フリーズ(GF:Gradient Freeze)法等によっ
ても、上記のような温度勾配の形成及び温度の計測が可
能なので、冷却速度を制御することができる。したがっ
て、実施例で述べたような品質を有するGaAs単結晶
を得ることができる。
Although the method for producing a GaAs single crystal of the present invention has been described according to the preferred embodiments and examples, the present invention is not limited to these. V as above
In addition to controlling the cooling rate and the like by the method B, for example, a gradient freeze (GF: Gradient Freeze) method and the like can form the above-described temperature gradient and measure the temperature. Can be. Therefore, a GaAs single crystal having the quality as described in the embodiment can be obtained.

【0034】[0034]

【発明の効果】本発明のGaAs単結晶の製造方法によ
れば、GaAs単結晶の形成後に、GaAs単結晶の温
度が低下するにつれて、GaAs単結晶の冷却速度を所
定の範囲で実質的に高めるようした結果、GaAs単結
晶に作用する熱応力及び熱振動のバランスを図って、結
晶欠陥等の発生を抑制することができる。したがって、
品質等の高いGaAs単結晶が得られる。このような方
法は、径方向の温度変化が著しい大口径のGaAsの製
造する際に極めて有利となるので、GaAsからなる半
導体デバイスの量産化及び製造コストの低減につなが
る。
According to the method for manufacturing a GaAs single crystal of the present invention, after the GaAs single crystal is formed, the cooling rate of the GaAs single crystal is substantially increased within a predetermined range as the temperature of the GaAs single crystal decreases. As a result, it is possible to balance thermal stress and thermal vibration acting on the GaAs single crystal, and to suppress the occurrence of crystal defects and the like. Therefore,
A high quality GaAs single crystal can be obtained. Such a method is extremely advantageous when manufacturing large-diameter GaAs in which the temperature change in the radial direction is remarkable, and therefore leads to mass production of GaAs semiconductor devices and reduction in manufacturing cost.

【0035】特に、特定温度で固化されたGaAs単結
晶の冷却工程において、特定温度における冷却速度を特
定の値以上とすれば、Asの析出を抑制することができ
るので、品質の向上したGaAs単結晶を得ることがで
きる。
In particular, in the cooling step of a GaAs single crystal solidified at a specific temperature, if the cooling rate at a specific temperature is set to a specific value or more, the precipitation of As can be suppressed, so that a GaAs single crystal having improved quality can be obtained. Crystals can be obtained.

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

【図1】本発明のGaAs単結晶の製造方法を実施する
のに有用な装置の一態様を示した構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of an apparatus useful for carrying out a method for producing a GaAs single crystal of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…気密容器、12…るつぼ、14…るつぼホルダ、
16…るつぼ駆動機構、18…るつぼ軸、20a〜d…
ヒータ、22a〜e…熱電対、30…制御装置、32…
CPU、34…温度読み取り手段、38…入力手段、4
2…記憶手段、46…ヒータコントローラ、48…るつ
ぼ駆動機構コントローラ、50…表示手段、52…液体
封止材、54…GaAs原料融液、56…GaAs単結
晶。
10 airtight container, 12 crucible, 14 crucible holder,
16: crucible drive mechanism, 18: crucible shaft, 20a-d ...
Heaters, 22a-e ... thermocouples, 30 ... control devices, 32 ...
CPU, 34: temperature reading means, 38: input means, 4
2 ... storage means, 46 ... heater controller, 48 ... crucible drive mechanism controller, 50 ... display means, 52 ... liquid sealing material, 54 ... GaAs raw material melt, 56 ... GaAs single crystal.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ガリウム砒素の融点より高い高温部と前
記ガリウム砒素の融点より低い低温部との間に温度勾配
を形成して、ガリウム砒素原料融液を前記高温部から前
記低温部へ相対的に移動させて固化させることにより、
ガリウム砒素単結晶を形成するガリウム砒素単結晶の製
造方法において、 前記ガリウム砒素単結晶の形成後に、前記ガリウム砒素
単結晶の温度が低下するにつれて、前記ガリウム砒素単
結晶の冷却速度を実質的に高める冷却工程を備えてお
り、 前記温度勾配を50℃/cm以下とし、且つ、 前記冷却速度を、下記式(1): dT/dt≦[820000×exp{-0.0039×(T+273.1
5)}]/D2 [式中、Dは前記ガリウム砒素単結晶を円柱状とした場
合の直胴部の平均直径(cm)を表し、Tは前記ガリウム砒
素単結晶の表面の温度(℃)を表し、及び、dT/dt
は前記冷却工程で前記ガリウム砒素単結晶の表面の温度
がTであるときの冷却速度(℃/時間)を表す]の範囲
で実質的に高めていることを特徴とするガリウム砒素単
結晶の製造方法。
1. A temperature gradient is formed between a high temperature part higher than the melting point of gallium arsenide and a low temperature part lower than the melting point of gallium arsenide, and a gallium arsenide raw material melt is relatively moved from the high temperature part to the low temperature part. By moving to and solidifying,
In the method for producing a gallium arsenide single crystal for forming a gallium arsenide single crystal, the cooling rate of the gallium arsenide single crystal is substantially increased as the temperature of the gallium arsenide single crystal decreases after the formation of the gallium arsenide single crystal. A cooling step, wherein the temperature gradient is set to 50 ° C./cm or less, and the cooling rate is set by the following formula (1): dT / dt ≦ [820000 × exp {−0.0039 × (T + 273.1)
5)}] / D 2 [where D represents the average diameter (cm) of the straight body portion when the gallium arsenide single crystal is formed into a columnar shape, and T represents the temperature (° C.) of the surface of the gallium arsenide single crystal. ) And dT / dt
Represents a cooling rate (° C./hour) when the temperature of the surface of the gallium arsenide single crystal is T in the cooling step]. Method.
【請求項2】 前記低温部の温度を1000℃以上と
し、且つ、 前記冷却工程の前記冷却速度を、900℃≦T≦100
0℃のときは20℃/時間以上とする、ことを特徴とす
る請求項1に記載のガリウム砒素単結晶の製造方法。
2. The temperature of the low-temperature section is set to 1000 ° C. or higher, and the cooling rate in the cooling step is set to 900 ° C. ≦ T ≦ 100.
2. The method for producing a gallium arsenide single crystal according to claim 1, wherein the temperature is set to 20 ° C./hour or more at 0 ° C.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005272201A (en) * 2004-03-24 2005-10-06 Sumitomo Electric Ind Ltd Gallium arsenide single crystal and its manufacturing method
CN106637413A (en) * 2016-12-30 2017-05-10 有研光电新材料有限责任公司 Method for reducing head dislocation density of HB gallium arsenide monocrystal

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