JPS6110099A - 薄膜結晶の連続的成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体等の薄膜状結晶の成長方法に関し、特に
溶液状の原料から薄膜結晶を成長させる液相成長方法に
関する。

従来の技術 液相エピタキシャル成長法（以下ＬＰＥ法という）は、
半導体発光素子等の作製に適した高品質の結晶を容易に
形成し得るという理由から、従来より半導体等の薄膜結
晶を成長させる方法として良く知られ、利用されてきて
いる。

このＬＰＥ法には徐冷法および温度差法があり、前者で
は原料を飽和溶解した、例えばＧａなどの金属溶液（メ
ルト）を高温から徐々に冷却した際に原料が過飽和とな
って析出する現象を利用するものである。一方、後者は
前記メルトに温度差を与えると高温側では原料半導体が
飽和溶解し、低温側では溶解度が低いことから、これら
の間に原料の濃度勾配を生じ、また高温側で原料の運動
エネルギーが高くなるので、低温側に置かれた基板結晶
上に原料分子（原子）が拡散しエピタキシャル析出、成
長するという原理に基くものである。また、最近では原
料蒸気圧ゾーンの温度を制御することにより、液相上の
原料蒸気圧を制御しつつ成長を行う、蒸気圧制御温度差
法液相成長法（ＴＤＭ−ＣＶＰ法）と呼ばれる技術も開
発され、化学量論的組成からのずれが制御できる、成長
結晶の完全性が良いなど優れた効果を達成している。

しかしながら、このＬＰＥ法では以下に述べるような解
決すべきいくつかの問題点を有している。

即ち、第１に、最近では例えばファクシミリや画像ファ
イルの入力用としての一次イメージセンサー等にみられ
るように、大面積もしくは長尺の材料に対する要望がみ
られ、大面積を有する結晶薄膜等を作製しようとする動
向がみられ、そのためには必然的に大型の単結晶基板が
必要となる。しかしながら、従来のＬＰＥ法では単結晶
基板即ちウェハの使用が必須であり、またその寸法を大
きくすることは技術的に限界がある。従って、従来のＬ
ＰＥ法では得られる結晶薄膜の面積も自ら制限されるこ
とになる。

第２に、従来のＬＰＥ法では、結晶成長時の基板結晶面
内での温度の均一性を維持することが極めて難しい。例
えば、径５０ｍｍの大きさの基板を使用する場合、該基
板面内における温度のゆらぎを±０．１℃以内に制御す
るという精度の高い温度分布の均一性を達成することは
かなり困難である。

このような見地からも、従来のＬＰＥ法では大面積を有
する結晶薄膜を形成することは困難である。

第３にＬＰＥ法においては、基板１枚毎に結晶成長させ
る、いわゆるバッチ式成長方法であるために、基板結晶
上に連続的に薄膜結晶を成長させて、生産効率を高める
ことはまったく不可能であった。

発明が解決しようとする問題点 上記のような従来のＬＰＥ法では、極めて単純な方法で
あり、容易に高純度薄膜結晶が得られるなどの各種の優
れた利点を有している一方で、温度分布の一様性を所定
の精度範囲内で達成することができない、単結晶基板の
使用が必須であるなどの理由から、大型の基板結晶上に
均一な厚さの結晶薄膜を形成することが困難であり、ま
た連続的に基板結晶上に結晶薄膜を形成することができ
ないなどの欠点を有している。従って、これらの欠点を
改善することは、ＬＰＥ法の適用範囲を更に拡張すると
共に、生産効率を高める上で極めて有意義である。

そこで、本発明は大面積もしくは長尺基板上での結晶薄
膜成長が可能であり、しかも均一な厚さを有する結晶薄
膜を連続的に該基板上に液相成長させることのできる、
新規な薄膜結晶の成長方法を提供することを目的とする
ものである。

また、従来の如く結晶成長用基板として単結晶基板を使
用する必要性を排除し得る薄膜結晶の成長方法を提供す
ることも本発明の目的の−っである。

問題点を解決するための手段 本発明者は、上記の如きＬＰＥ法の現状に鑑みて、前記
目的を達成し得る新規な薄膜結晶の成長方法を開発すべ
く種々検討、研究した結果、薄膜結晶成長基体の一端に
原料の種結晶を固定し、該基体を、底部に開口を有する
原料液溜の下面に接触させかつ摺動させることが前記本
発明の目的達成のために極めて有効であることを見出し
た。本発明はこのような知見に基き完成されたものであ
る。

即ち、本発明の薄膜結晶の成長方法は、反応炉内におい
て、河原結晶成長基体の一端に薄膜結晶原料の種晶を固
定し、該結晶成長基体を、底部に開口を有する原料溶液
溜の下面に接触させ、かつ摺動させ得るように配置し、
該結晶成長基体の一端に固定された種晶が該原料溶液溜
の開口部に接触した状態から、該結晶成長基体と該原料
溶液溜とを相対的に摺動させることを特徴とする。

昨月 添付第１図に本発明の薄膜結晶の連続的成長方法を実施
するための装置を概略的に示した。以下、第１図に基き
本発明の方法を更に詳細に説明する。

第１図において、結晶成長基体１にはその上面の一端に
設けられた例えば切欠部（図示せず）に、種晶２が固定
されており、これは原料単結晶を例えば短冊状に切り取
ったものである。薄膜結晶３を結晶成長基体１の面上に
連続的に形成するためには、まず種晶２を、原料溶液溜
４の底部一端に結晶成長基板１を横切るように設けられ
た開口部５と接触した状態にする。この状態から結晶成
長基体１と原料溶液溜４とを相対的に移動させて、開口
部５から供給される原料溶液６が結晶成長基体１上に分
配され、均一な厚さの薄膜単結晶が成長し得るようにす
る。

ここで、結晶成長基体１と原料溶液溜４との相対的移動
は、前者または後者のいずれかを移動させることにより
行うことができ、また場合によってはこれら両者を相互
に反対方向に移動させることにより実現することも可能
である。この相対的移動の速度は、形成すべき薄膜結晶
の厚さ、種類等に依存して変化するが、一般的には０．
１〜１０ｍｍ／分の範囲で良好な結果を得ることができ
る。

前述のような本発明の方法を実施するための薄膜結晶成
長装置は、通常の液相エピタキシャル成長の場合と同様
に、例えば水素雰囲気で満たされた反応炉（図示せず）
内に収容されている。

この炉内では、その上下方向、即ち結晶成長基体１の上
面に垂直な方向に温度勾配が設けられている。この炉内
の上下方向における温度勾配は、典型的な例では、原料
溶液６の上面と結晶成長基体１の上面との間で５℃程度
である。しかしながら、該温度勾配は原料の種類、膜の
厚さ、結晶成長速度等に応じて適宜選択される。

反応炉内で温度勾配を与える手段としては、従来公知の
種々の手段を利用することができ、その例としては、例
えば結晶成長基体１の上面に垂直な方向に上下２分割さ
れたヒータを個別に制御することにより所要の温度勾配
を与えることができる。

本発明の方法において使用し得る結晶成長基体としては
、平滑な横方向への成長を達成する目的で、成長させる
結晶の種類により融点、格子定数、膨張係数、結晶成長
基体と原料溶液とのぬれ性等を考慮した上で、例えば　
ＳｉＣおよびＧｅ等の薄膜をＣＶＤ法、蒸着法、スパッ
タ法、イオンブレーティング法等の公知のいずれかの方
法で積層した高純度黒鉛、アモルファスＳ１および５ｉ
０２等を同様な方法でコーティングしたステンレス鋼等
各種の材料からなるものを挙げることができる。勿論、
従来の各種半導体の単結晶基板を使用することも可能で
ある。

本発明の方法に従って成長させ得る薄膜結晶原料として
は、ＧａＡｓ、　ＧａＰ　、　ＧａＳｂ、　ＩｎＡｓ５
ＩｎＰ　。

１ｎｓｂ等の２元ｍ−ｖ族化合物半導体、１ｎＧａＡｓ
、八ＪＩｎＰ　、　！ｎＧａＰ　ＳＡβＧａＡｓ、　　
ＡＡＧａＳｂ等の３元１１１−Ｖ族化合物半導体等を例
示でき、いずれに対しても優れた結果を期待することが
できる。

前記原料溶液としては、例えばＧａＡｓなどではＧａな
どの金属溶媒（メルト）中に溶解したものを使用でき、
従来公知のあらゆる金属溶媒を使用することができる。

この金属溶媒は成長層に付着するが、薄膜結晶の成長後
、例えばＧａの場合などではＨＣｆと水とを等量で含む
沸騰混合物を使用することにより容易に除去することが
できる。

かくして、本発明の方法によれば、大型もしくは長尺の
基板上で、液相エピタキシャル成長を連続的に実施する
ことができ、得られる製品は薄膜結晶成長層を動作層と
する各種デバイス、例えば半導体レーザ、発光ダイオー
ドなどの光素子、電子素子、太陽電池、先導波路等の作
製に極めて好適である。

実施例 以下、本発明の薄膜結晶の連続的成長方法を、実施例に
従って更に具体的に説明する。しかしながら、本発明の
範囲は以下の実施例により何等制限されない。

結晶成長基体として、ＳｉＣ（０，３μｍ）およびＧｅ
（０，５μｍ）の薄層をＣＶＤ法によりこの順序で積層
した高純度黒鉛製薄板を使用し、原料溶液としてはＧａ
Ａｓを、Ｇａ中に溶解したものを用いた。

この原料溶液を高純度黒鉛製の原料溶液溜に収容する。

水素雰囲気で満たされた反応炉内で、前記結晶成長基体
と原料溶液を収納する溶液溜とを、第１図に示したよう
に、該基体の一端に固定された、予め作製されたＧａＡ
ｓ単結晶から切り取った短冊状の種晶が該溶液溜の底部
に設けられた開口と接触した状態となるように配置した
。結晶成長基体上面の温度を８７０℃に保ち、これと原
料溶液４面との温度差が５℃となるように温度を制御し
、該基体を第１図の矢印７の方向に０．５ｍｍ／分なる
速度で移動させることにより、厚さ、０．５μｍのＧａ
Ａｓ結晶層を連続的に該基体上に形成した。

得られたＧａＡｓの薄膜結晶は均一な厚さを有する優れ
た製品であった。

発明の効果 上で詳細に述べたように、本発明の薄膜結晶の連続的成
長方法によれば、結晶成長基体の一端に成長させるべき
原料の種晶を固定し、これを、原料溶液を収納する原料
溶液溜め底部端に設けられた開口と接触した状態から、
該結晶成長基体と該原料溶液溜とを所定の速度で相対的
に移動させるという特徴に基き、連続的に薄膜結晶を成
長させることができ、かつ半導体等の単結晶を基板とし
て使用する必要がなくなるので、大型のもしくは長尺の
結晶成長基体に対しても均一な薄膜結晶を容易に形成す
ることが可能となる。

本発明の方法により得られる製品は、これを動作層とす
る各種のデバイスの作製に適しているので極めて広範な
適用範囲を有し、各種薄膜結晶層を連続的に形成するこ
とができるので、生産能率が大巾に向上し工業的意義は
極めて大きいものといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための図であり、薄膜
結晶の連続的成長方法を実施する装置の１例を概略的に
示す図である。 （主な参照番号） １　基体、　　２　種晶、　　３　薄膜結晶層、４　原
料溶液溜、　　　５　開口部、 ６　原料溶液、　　　７　移動方向、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応炉内において、薄膜結晶成長基体の一端に薄
   膜結晶原料の種晶を固定し、該結晶成長基体を、底部に
   開口を有する原料溶液溜の下面に接触させ、かつ摺動し
   得るように配置し、該結晶成長基体の一端に固定された
   種晶が該原料溶液溜の開口部に接触した状態から、該結
   晶成長基体と該原料溶液溜とを相対的に摺動させること
   を特徴とする薄膜結晶の連続的成長方法。
2. （２）前記相対的摺動が前記原料溶液溜を移動すること
   により実現されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の方法。
3. （３）前記相対的摺動が前記結晶成長基体の移動により
   実現されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の方法。
4. （４）前記相対的摺動が前記基体と前記原料溶液溜とを
   相互に反対方向に移動させることにより実現されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
5. （５）前記基体が大面積を有する基体または長尺基体で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１〜４項のいず
   れか１項に記載の方法。
6. （６）前期基体が高純度黒鉛；ＳｉＣおよびＧｅの薄膜
   を積層した高純度黒鉛；アモルファスＳｉおよびＳｉＯ
   ＿２を積層したステンレス鋼である特許請求の範囲第５
   項記載の方法。