JPH11302097A - 化合物半導体結晶の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンプル外から気体原料を補給し、成長結晶
領域のガス対流を抑制しながら長尺結晶を安定して成長
できる化合物半導体の結晶成長方法を提供しようとする
ものである。 【解決手段】 アンプルの一端に原料を設置し、前記ア
ンプルの中間部に対流抑制構造物を設置し、前記対流抑
制構造物を結晶成長速度と同じ速度で原料側に移動させ
ながら、前記アンプルの他端に昇華法又は化学輸送法に
よって結晶を成長させる化合物半導体結晶の成長方法に
おいて、前記原料を配置したアンプルの端部又は前記対
流抑制構造物を設置したアンプルの中間部に、気体原料
の導入口及び排出口を設けて前記気体原料を連続的に導
入しながら結晶を成長させることを特徴とする化合物半
導体結晶の成長方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体原料又は固体
原料と、気体原料を反応させて化合物半導体を結晶成長
させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】昇華法、化学輸送法などの気相法でバル
ク状の結晶を成長させる場合、気体の対流が安定な結晶
成長を妨げる。これは気体原料の輸送に際して、気体の
対流によって結晶の成長界面近傍で大きな過飽和が形成
されて多結晶が発生しやすくなるためであり、かつ、気
体の対流により原料を輸送すると、成長界面内で原料輸
送速度が不均一になり、結晶の成長速度にばらつきが生
ずるため、均一な結晶を成長させることができない。

【０００３】従来は、原料を強制対流によりアンプル内
に導入することを避けて、密閉されたアンプル内で気相
成長を行い、かつ、原料と成長結晶の間の自然対流をも
極力抑制する手段を講じられてきた。例えば、特開平５
─４８９４号公報では、アンプル中の原料と結晶成長領
域の中間部に、格子板等の内部構造物を設けて気体の対
流を抑制しながら気相成長することが提案された。しか
し、この方法では長尺結晶を成長するためには、内部構
造物が設置されていない結晶成長領域を大きく取る必要
があるが、この領域を大きくすると、その領域内で気体
の対流が発生しやすくなり、対流抑制効果が低下する。

【０００４】そこで、本発明者は、結晶成長領域の気体
の対流を抑制しながら、長尺結晶を成長する方法を提案
した。図４は前記方法を実施するための成長装置の概念
図である。（特願平９−１２０７１５号明細書参照） 図４の装置は、縦型密封アンプルの下部に固体原料を配
置し、上端に種結晶を配置し、中間部に配置する対流抑
制構造物は複数の支持棒で支持され、その支持棒の下端
は針状に加工されており、固体原料上に対流抑制構造物
を水平に保持したものであり、結晶が成長するにしたが
って固体原料も消費されるため、成長結晶の下面と対流
抑制構造物の上面の間隔はほぼ一定に保持した状態で下
降する。その結果、固体原料の大きさに見合う長尺結晶
の成長を可能にしながら、結晶成長領域における気体の
対流を抑制できる利点があり、安定して均一な結晶成長
を可能にした。

【０００５】しかし、上記の方法では、気体原料をアン
プル内に直接補給して結晶成長させることができず、ア
ンプル内の固体原料が枯渇すれば、結晶成長を終了せざ
るを得なかった。他方、図５のように、アンプルに気体
原料導入口及び排出口を設けてアンプル外から気体原料
を補給することが想定されるが、導入する気体原料によ
り強制対流が発生して安定した結晶成長を期待すること
はできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、従
来の密封式アンプルを用いる化合物半導体結晶の成長方
法の上記欠点を解消し、アンプル外から気体原料を補給
しても成長結晶領域の気体の対流を抑制することがで
き、長尺結晶を安定して成長することが可能な化合物半
導体の結晶成長方法を提供しようとするものである。

【０００７】

【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、上記の課題の解決に成功した。 (1) アンプルの一端に液体原料又は固体原料を設置し、
前記アンプルの中間部に対流抑制構造物を設置し、前記
対流抑制構造物を結晶成長速度と同じ速度で原料側に移
動させながら、前記アンプルの他端に昇華法又は化学輸
送法によって結晶を成長させる化合物半導体結晶の成長
方法において、前記対流抑制構造物を設置したアンプル
の中間部、又は、前記対流抑制構造物より前記液体原料
又は固体原料側に気体原料の導入口及び排出口を設け、
前記気体原料を前記導入口から連続的に導入し、前記対
流抑制構造物を貫通して前記排出口から排出させながら
結晶を成長させることを特徴とする化合物半導体結晶の
成長方法。

【０００８】(2) 前記アンプルを垂直に配置し、前記ア
ンプルの下部に液体原料を配置し、前記気体原料の導入
口及び排出口が結晶成長の終了時においても前記対流抑
制構造物より上にならないように前記導入口及び排出口
を配置し、かつ、前記対流抑制構造物の下降速度が、前
記アンプルの上端に成長する結晶の成長速度と同じにな
るように前記液体原料を収容する部分のアンプルの断面
積の大きさを選択し、前記対流抑制構造物を支持する複
数の支持棒の下端に浮きを取り付けて前記対流抑制構造
物を前記液体原料に浮かべることを特徴とする前記(1)
記載の化合物半導体結晶の成長方法。

【０００９】(3) 前記アンプルを垂直に配置し、前記ア
ンプルの下部に上面が水平の柱状固体原料を配置し、前
記気体原料の導入口及び排出口が結晶成長の終了時にお
いても前記対流抑制構造物より上にならないように前記
導入口及び排出口を配置し、かつ、前記対流抑制構造物
の下降速度が、前記アンプルの上端に成長する結晶の成
長速度と同じになるように前記柱状固体原料の断面積の
大きさを選択し、前記対流抑制構造物を支持する複数の
支持棒の先端を針状に加工し、前記柱状固体原料の水平
上面で支持することを特徴とする前記(1) 記載の化合物
半導体結晶の成長方法。

【００１０】(4) 前記対流抑制構造物を多数の整流板で
構成し、前記整流板の最上面と成長結晶の下面との間隔
を１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下に保持するよう
にしたことを特徴とする前記(2) 又は(3) 記載の化合物
半導体結晶の成長方法。

【００１１】

【発明の実施の態様】本発明は、気体原料をアンプルに
導入しながら、結晶成長領域における気体の対流を抑制
することにより、安定した結晶成長を長期にわたり継続
することを可能にし、長尺の化合物半導体結晶を成長さ
せることに成功したものである。

【００１２】本発明の方法に適した化合物半導体結晶は
例えばＧａＮ結晶であり、気体原料としてＮＨ₃ 、及び
固体原料としてＧａを用いて成長させることができる。

【００１３】図１は、本発明の成長方法を説明するため
の図であり、縦型アンプルの底部に固体の原料多結晶を
設置し、上端部に種結晶を固定し、中間部に３枚の多孔
板からなる対流抑制構造物を設置し、アンプルの側面に
は気体原料導入口と気体原料排出口を設け、種結晶を結
晶成長温度に、原料多結晶を昇華温度に加熱し、気体原
料導入口から気体原料を導入して化合物半導体結晶を成
長させる。成長結晶の下面が下降する結晶成長速度に合
わせて対流抑制構造物を下降させることにより、結晶成
長領域における気体原料導入にともなう強制対流を実質
的に排除することができる。

【００１４】しかし、図１において、原料多結晶表面の
下降速度に合わせて対流抑制構造物を下降させると、気
体原料の排出に随伴して原料多結晶の気体成分が流出し
たり、導入される気体原料により、原料多結晶表面の下
降速度と結晶成長速度が異なることがある。一般的には
原料成分の流出の方が顕著であり、対流抑制構造物の最
上面と成長結晶下面との間隔が徐々に広がり、結晶成長
領域において気体が対流するおそれが高まる。そこで、
対流抑制構造物の最上面と成長結晶下面との間隔を常に
一定に保持するために、原料多結晶表面の下降速度を結
晶成長速度にほぼ一致させるように、原料多結晶表面積
を大きくしたのが図２の装置である。

【００１５】原料多結晶表面積の大きさは、成長結晶、
固体原料及び気体原料の種類や、気体原料の導入速度、
成長温度等の条件により相違するが、具体的な条件設定
における実験を繰り返すことにより容易に決定すること
ができる。

【００１６】固体の原料多結晶表面の下降速度に合わせ
て対流抑制構造物を下降させるために、図２の装置で
は、対流抑制構造物を支持する複数の支持棒の下端を針
状に加工し、固体の水平な原料多結晶表面に支持棒を介
して対流抑制構造物を載せて前記対流抑制構造物の下降
速度を制御している。

【００１７】図３の装置では、図２の固体の原料多結晶
の代わりに、アンプルの底部に液体原料を保持したもの
であり、対流抑制構造物の支持棒の下端に浮きを付設
し、液体原料に浮上させることにより、液体原料表面の
下降速度に合わせて対流抑制構造物を下降させるように
したものである。なお、対流抑制構造物の移動手段は、
上記の支持棒を使用することが構造を簡単にし極めて有
効であるが、磁力等によりアンプルの外から対流抑制構
造物を支持し、結晶成長速度に合わせてこれを移動する
ことも可能であり、図１の装置には前記移動手段が有効
である。

【００１８】本発明では、気体原料の導入口及び排出口
は、対流抑制構造物又は原料多結晶を収容するアンプル
の下部に設けるが、結晶成長に伴って対流抑制構造物が
下降するので、結晶成長が終了する前に対流抑制構造物
より上方に位置しないように、即ち結晶成長領域に導入
口及び排出口が位置しないように、できるだけアンプル
の下方に設ける方がよい。

【００１９】さらに、結晶成長領域における気体の自然
対流を抑制するためには、対流抑制構造物の最上面と成
長結晶の下面との間隔を１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍ
ｍ以下に保持することが重要である。

【００２０】本発明で使用する対流抑制構造物は、対流
を抑制しながら液体原料又は固体原料側から結晶成長表
面への原料ガスの供給を阻害しない構造、若しくは原料
ガスを整流する構造を有するものであり、かつ、アンプ
ル側面の導入口から供給され、排出口から排出する気体
原料が前記対流抑制構造物を貫通できる構造を有してい
る必要がある。図１〜３中に示すように多数の穴を開け
たガス整流板を記載したが、その他に細管を束ねたもの
など、アンプル断面積の大部分に広がるもので、気体原
料がアンプルを横断できる通路を確保したものであれ
ば、その形状を問わない。

【００２１】

【実施例】（実施例１）図３に示す縦型円筒状石英製ア
ンプルを用いてＧａＮ単結晶を成長させた。液体原料と
してＧａ融液を、気体原料としてアンモニアガスを使用
した。アンプルは、液体原料を収容する下部の内径５５
ｍｍ、高さ４０ｍｍとし、その上方に内径３０ｍｍ、高
さ４０ｍｍの直胴部を設けたものを使用した。気体原料
導入口及び排出口は直胴部の下端より１５ｍｍの高さに
設け、対流抑制構造物は外径２８ｍｍ、厚み１．２ｍｍ
の石英板に直径３ｍｍの穴を４０ケ開けた石英板３枚を
１０ｍｍ間隔で平行に支持棒に固定したものを用いた。
支持棒の長さは３０ｍｍとし、その下端に外径３０ｍ
ｍ、内径２４ｍｍ、厚さ８ｍｍのリング状の石英製浮き
を取り付けた。種結晶としては、厚さ２００μｍ、直径
３０ｍｍの面方位（０００１）面のサファイア基板をア
ンプルの上端に設置した。成長初期に種結晶表面と対流
抑制構造物の最上の石英板との距離を５ｍｍになるよう
にアンプル中に充填するＧａの量を調整した。

【００２２】このアンプルを縦型加熱炉中に垂直に配置
し、液体原料の温度を１０００℃、種結晶の温度を１０
５０℃になるように加熱した。アンプルの昇温中の約５
時間と昇温後の２時間の間は、気体原料導入口から水素
ガスを１０ｓｃｃｍの流量で供給し、基板表面及びアン
プル内面を清浄化させた。その後、液体原料の温度を１
０５０℃、種結晶の温度を１０００℃に設定するととも
に、水素ガスの代わりにアンモニアガスを気体原料導入
口から２５ｓｃｃｍの流量で導入してＧａＮ結晶の成長
を開始した。気体原料排出口から排出されたガスは、加
熱炉外に設けた圧力調整槽を介して外部に排出した。こ
の調整槽の排気は内圧が０．５ａｔｍになるように油拡
散ポンプで排気した。

【００２３】１５日間成長させた後、加熱炉を１℃／分
の冷却速度で室温まで冷却した。取り出した対流抑制構
造物と成長結晶の距離は約６ｍｍに拡がっていたが、結
晶成長の安定性には影響は見られなかった。成長結晶は
厚さが６．５ｍｍのＧａＮ単結晶であった。サファイア
基板にはクラックが観察されたが、ＧａＮ単結晶には割
れは認められなかった。結晶の表面は平らな（０００
１）ファセットが形成されており、結晶中にはボイドや
多結晶の析出を観察することはできず、結晶を安定して
成長できたことが確認された。

【００２４】

【発明の効果】本発明は、上記構成を採用することによ
り、気体原料をアンプルに導入・排出し、固体原料又は
液体原料とともに化合物半導体結晶を安定して気相成長
させることが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結晶成長方法を説明するための概念図
である。

【図２】本発明のもう１つの結晶成長方法を説明するた
めの概念図である。

【図３】本発明のさらに別の結晶成長方法を説明するた
めの概念図である。

【図４】従来のアンプルを用いた結晶成長方法の説明す
るための概念図である。

【図５】結晶成長用アンプルに気体原料の導入・排出口
を付設した結晶成長装置の概念図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アンプルの一端に液体原料又は固体原料
   を設置し、前記アンプルの中間部に対流抑制構造物を設
   置し、前記対流抑制構造物を結晶成長速度と同じ速度で
   原料側に移動させながら、前記アンプルの他端に昇華法
   又は化学輸送法によって結晶を成長させる化合物半導体
   結晶の成長方法において、前記対流抑制構造物を設置し
   たアンプルの中間部、又は、前記対流抑制構造物より前
   記液体原料又は固体原料側に気体原料の導入口及び排出
   口を設け、前記気体原料を前記導入口から連続的に導入
   し、前記対流抑制構造物を貫通して前記排出口から排出
   させながら結晶を成長させることを特徴とする化合物半
   導体結晶の成長方法。
2. 【請求項２】 前記アンプルを垂直に配置し、前記アン
   プルの下部に液体原料を配置し、前記気体原料の導入口
   及び排出口が結晶成長の終了時においても前記対流抑制
   構造物より上にならないように前記導入口及び排出口を
   配置し、かつ、前記対流抑制構造物の下降速度が、前記
   アンプルの上端に成長する結晶の成長速度と同じになる
   ように前記液体原料を収容する部分のアンプルの断面積
   の大きさを選択し、前記対流抑制構造物を支持する複数
   の支持棒の下端に浮きを取り付けて前記対流抑制構造物
   を前記液体原料に浮かべることを特徴とする請求項１記
   載の化合物半導体結晶の成長方法。
3. 【請求項３】 前記アンプルを垂直に配置し、前記アン
   プルの下部に上面が水平の柱状固体原料を配置し、前記
   気体原料の導入口及び排出口が結晶成長の終了時におい
   ても前記対流抑制構造物より上にならないように前記導
   入口及び排出口を配置し、かつ、前記対流抑制構造物の
   下降速度が、前記アンプルの上端に成長する結晶の成長
   速度と同じになるように前記柱状固体原料の断面積の大
   きさを選択し、前記対流抑制構造物を支持する複数の支
   持棒の先端を針状に加工し、前記柱状固体原料の水平上
   面で支持することを特徴とする請求項１記載の化合物半
   導体結晶の成長方法。
4. 【請求項４】 前記対流抑制構造物を多数の整流板で構
   成し、前記整流板の最上面と成長結晶の下面との間隔を
   １０ｍｍ以下に保持するようにし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成長方法。