JPS627693A - 化合物半導体単結晶の成長装置 - 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 本発明は半導体単結晶の製造のための成長装置に関する
。更に詳しくは、特に高い蒸気圧を有する化合物半導体
単結晶製造用の改良成長装置に関する。

従来の技術 ＧａＡｓ５ＩｎＰなどの■−Ｖ族化合物半導体を中心と
する化合物半導体の材料研究、デバイスの実用化研究等
は目ざましい進歩をとげている。例えば、既に実用化さ
れている光フアイバ通信における化合物半導体レーザ、
その受光素子としてのフォトダイオード、アバランシェ
フォトダイオード（ＡＰＤ＞などに対して大きな期待が
寄せられている。

また、最近の傾向として半導体デバイスの高速動作化・
高周波化が要求されているが、このような目的を達成す
る上で電子の移動度が大きく、また飽和ドリフト速度の
大きなＧａＡｓを代表とする■−Ｖ族化合物半導体が注
目されている。

更に、上記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では達成困難な波
長範囲をカバーできる発光、受光素子材料としてＩＩ−
ＶＩ族化合物半導体が注目され、例えば可視〜近紫外域
のレーザ、発光ダイオード、赤外検出器をはじめ、ＥＬ
パネル、フォトセル、Ｔ−線、Ｘ−線検出器などのオプ
トエレクトロニクスデバイスがＵ−ＶＴ族化合物半導体
の有利な応用分と考えられている。

一方、化合物半導体デバイス作製プロセスにおいてはま
ず第１に高純度の単結晶の形成が不可欠である。これら
は従来のＳｉとは異った特性を有しているためにその単
結晶成長技術もまったく異り、Ｓｉなどについてはチョ
クラルスキー法（ＣＺ法）、フローティングゾーン法（
ＦＺ法）等が広く利用されているが、例えばＧａＡｓを
例にすると組成（Ｇａ：Ａｓの比率）の厳密な制御が必
要とされ、また高温における臨界剪断応力が小さく、熱
歪で転位がはいり易いなど微妙な技術上の問題がある。

化合物半導体の結晶成長はバルク結晶の成長と、エピタ
キシーに大別され、バルク結晶からいわゆるウェハと呼
ばれる板状の結晶が作製され、直接以下の加工プロセス
に送られるか、あるいはエビクキシー基板として使用さ
れる。しかし、エビクキシーによる成長結晶は薄く、機
械強度が小さいことからそのままでは使用できず、基板
が必要とされる。

中でもバルク結晶の成長方法としては、古くからブリッ
ジマン法（垂直ブリッジマン法、水平ブリッジマン法）
が利用されており、その原理は例えば垂直ブリッジマン
法では、高温部と低温部とからなる加熱炉の低温部に原
料融液の入った石英容器（ボート）などを移動させるこ
とにより結晶成長させるものである。そこで結晶核生成
が無秩序に起こらないように、融液の固化開始部で容器
の径が絞ってあり、この部分では核の生成が少なく、そ
の中で他よりも早く成長する成長優先方位をもつものが
種結晶の役割を果たす。

また、現在ブリッジマン法での主流は原料融液を、ボー
トを用いて水平方向に移動させるあるいは温度プロファ
イル自身を移動させる水平ブリッジマン法であり、Ｇａ
Ａｓなどの単結晶の量産法として利用され、三温度法（
３温度ＨＢ法）、二温度法（２温度ＨＢ法）などが知ら
れている。

２温度ＨＢ法を添付第２図に基き説明すると、例えば高
温域と低温域とを有する石英管１内にＧａＡｓ融液２を
収納する石英ボート３を入れ、これを高湿潤（Ｔ、、）
から低温側（ＴＬ）に移動させることにより単結晶４を
成長させる。一方、拡散バリヤー５を隔ててＡｓ固体６
を入れておき、蒸気圧の制御が行えるようになっている
。ボート３の低温側には種晶７をおいて、所定の成長方
位を有する単結晶を成長させることも可能である。

発明が解決しようとする問題点 上記のように、最近のエレクトロニクスの分野において
、特にオプトエレクトロニクスデバイス用材料として化
合物半導体が大きな注目を集めている。

ところで、これら化合物半導体の単結晶を作製する場合
には、ＩＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体におけるＶ族化合物
（ＡｓＳＰ）あるいは■−■族化合物半導体における■
族（Ｃｄ、　Ｚｎ）などのいずれか一方の成分が解離蒸
発しやすいために結晶組成にずれを生じたり、また炉の
温度分布により成長結晶の特性が大きく影響されて、双
晶、多結晶、高エッチピット密度（転位密度：　ＥＰＤ
）、リネージ等の結晶欠陥を発生する恐れがあった。例
えば、炉内横方向の温度分布が生ずると、同一液界面が
第３図に示すように均一でなくなる。第３図に示したよ
うな固−液界面の不均一状態が生ずるとその凹部から、
例えば双晶が形成されやすいこと等が知られており、高
品位の単結晶半導体材料を得ることが困難となる。

そこで、このような問題を解決し得る新たな単結晶の形
成方法並びに装置を開発することが切に望まれており、
これが達成できれば、単結晶製造における上記問題を解
決し得るばかりでなく、高信頼度かつ安定な半導体デバ
イスを作製できるので極めて大きな意義を有する。

そこで、本発明の目的は炉内温度分布を均一にすること
ができ、高品位の化合物半導体単結晶を得ることのでき
る方法並びに装置を提供することにあり、また欠陥の少
ない化合物半導体単結晶を提供することも目的の１つで
ある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は上記従来法の現状に鑑みて上記諸欠点を解
決すべく種々検討した結果、石英管に温度を異にする複
数の帯域を形成するためのヒータ内壁にヒートパイプを
設けることが有効であり、上記目的を容易に達成できる
ことを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明の化合物半導体単結晶の成長装置は成長室
と蒸気圧制御室とを有する成長器本体と、該成長器の外
周に設けられ、該成長器に温度の異る複数の帯域を形成
するための少なくとも２つのヒータと、該成長室に配置
された原料融液収納用ボートとを具備する成長装置にお
いて、前記ヒータの内壁にヒートパイプを取付けたこと
を特徴とするものである。

この成長装置は縦型、横型のいずれであってもよいが、
特に生産性に優れる横型に用いることにより、工業上大
きな効果を有する。

本発明で使用するヒートパイプは従来から宇宙機器用あ
るいは半導体デバイスの、特に熱設計の上で注目されて
いるものである。これはパイプあるいは板状の中空容器
に液体を封入して、容器内壁に毛細管作用を有する多孔
性の構造即ちウィックを設けて密封したものであり、一
端を加熱すると液体の蒸発により熱がうばわれ、蒸気が
流動してパイプの他端に到達すると冷却されて凝縮放熱
し、液体はウィックの毛細管力によって再度加熱側に戻
るというサイクルを行うことにより温度制御を行うもの
であり、わずかの温度差で多量の熱の伝導を可能とし、
等偏熱伝導率が極めて大きい。

また、各種構造（形状）、寸法、特性のものが知られて
おり、これらの中から最適のものを選択して使用するこ
とができる。

以下、本発明の成長装置を添付第１図に沿って更に詳し
く説明する。第１図は横型の１例を示すものである。

第１図の装置は、従来の装置とほぼ同じ構造にあり、石
英管１はその内部の拡散バリヤー５によって分離された
成長室ｌＯおよび蒸気圧制御室１１を有しており、成長
室１０には成長させるべき単結晶の原料２（一般的には
化合物半導体の多結晶が使われる）を収納し、これを水
平方向に移動させることにより単結晶成長を行うための
石英ボート４が真空封入されている。一方、蒸気圧制御
室１１には同様にボート１２が配置され、これには高蒸
気圧成分６、例えばＧａＡｓにおけるＡｓ５ＣｄＴｅに
おけるＣｄなどが収納され、高蒸気圧成分の蒸発による
組成ずれが防止できるようになっている。

また、石英管１は４つのヒータ（または炉）Ａ〜Ｄによ
ってその外周が取巻かれており、それぞれ石英管に４種
の異る温度帯域Ｔ１〜Ｔ３および固−液界面部分を形成
する。

本発明の装置ではＡ、ＢおよびＤ内壁にヒートパイプ（
蒸発物、即ち熱媒体としてはナトリウムなどを使用する
）１３、〜１３３が設けられており、各戸の厳密な温度
制御が可能となり、特に成長中の結晶と原料融液との固
−液界面の平坦性、均−性並びに蒸気圧制御が極めて精
度良く行えるため、ストイキオメトリ−制御が精度良く
行なえる利点がある。

詐月 以上説明したように、本発明の単結晶成長装置ではヒー
タ内壁にナトリウム等を熱媒体としたヒートパイプを設
けて、長手方向および炉の断面分布として極めて良好に
制御された均熱部を形成することを可能とした。

即ち、第１図の石英管１の蒸気圧制御室の蒸気圧を制御
するＡ炉（Ｔ、ゾーン）および成長時の温度勾配を決定
するＢ炉（Ｔ　２ゾーン）、Ｄ炉（Ｔ３ゾーン）の長手
方向の温度分布が均一化される。

その結果、蒸気圧制御を精度よ〈実施することが可能と
なり、空孔（成長中の高蒸気圧成分の抜けなどによる）
の存在に起因する不純物キャリア濃度を減少させること
が可能となる。

更に、Ｔ２およびＴ３ゾーンが安定化されるために、成
長中の結晶の固−液界面部分の温度勾配を極めてゆるく
でき、しかもその厳密な制御性が確保されるので、該固
−液界面が平坦になり、左右の対称性も改善される。従
って、熟蚕が減少し、ＥＰＤを著しく低下させることが
可能となる。

従って、本発明の成長装置により得られた、結晶欠陥の
極めて少ない単結晶を使用することにより高信頼性の各
種半導体デバイスを歩留りよく作製することができる。

本発明の成長装置は、蒸気圧の高い構成元素を含有する
■−■族化合物半導体並びにＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体
の欠陥の少ない高品位の単結晶を得るために有利に応用
できる。

実施例 以下、実施例により本発明の単結晶成長装置の奏する効
果を実証する。しかしながら、本発明の範囲は以下の実
施例によって何等制限されるものではない。

実施例１ 第１図に示す本発明のナトリウムヒートパイプを備えた
化合物半導体単結晶成長装置を用いて、ＩＩ−ＶＩ族化
合物半導体の１種であるＣｄＴｅの成長を実施した。

前処理エツチングを施した６　Ｎ　（９９，９９９９％
）のＣｄおよびＴｅをＢＮコーティングしたカーボンボ
ートに収納し、石英管中に真空封入した。これを６００
　ｔにて約２４時間加熱して、ＣｄＴｅ多結晶を直接合
成した。この多結晶を、第１図のＡ、　Ｂ、　Ｄ各戸の
温度Ｔ１〜Ｔ３を以下のように調節することによりＣｄ
Ｔｅ単結晶の成長を実施した。

Ｔ１　・・７５０℃ Ｔ２　・・１０５０℃ Ｔ３　・・１１２０℃ 成長中、石英ボートの移動速度は３　ｍｍ　７時とした
。

また、比較のために、ヒートパイプのみを外した同じ炉
を用いてＣｄＴｅ単結晶の成長を行った。

その結果、本発明の装置を用いた場合には石英ボート全
長に亘りＣｄＴｅ単結晶を得ることができたが、ヒート
パイプを用いない従来法で実施した場合には途中から双
晶が発生しており又、内部の転位密度も高くなっている
ことが、Ｘ−線回折パターン及びエツチング法により確
認された。

また、上記のようにして得られた各単結晶からウェハを
切り出し、その特性、転位密度（ＥＰＤ）およびキャリ
ヤ濃度を調べ、その結果を以下の表に示す。

第１表 第１表の結果から明らかな如く、本発明にょるウェハは
ＥＰＤ、キャリヤ濃度いずれにおいても一桁以上従来法
によるウェハに勝っており、欠陥の少ない高品位の単結
晶が作製できたことがわがる。また、本発明で得られた
結晶を２結晶Ｘ線回折による評価を実施したところ、ピ
ークの半値幅も極めてシャープであった。

発明の効果 ゎ＜、ア、オえ、。イ、。、。□。ヤ　　　　［炉によ
れば、ヒータの石英管側にナトリウムなどを熱媒体とす
るヒートパイプを設けたことにより、炉内各部の長手方
向の温度分布が著しく均一となり、その結果石英ボート
内の固−液界面が平坦になり、しかも左右の対称性がよ
くなり熱歪が減少し、又、蒸気圧制御が精度よく行なえ
るため結晶のストイキオメトリ−制御が精度よく行うこ
とができるために、得られる結晶は各種欠陥、即ち双晶
、多結晶の発生、リネージ、高ＥＰＤ等が有効に防止さ
れ、極めて高品質の単結晶となる。

従って、本発明により得られる化合物単結晶半導体を使
用すれば、高い信頼性の、安定な各種半導体デバイスを
歩留りよく形成することが可能となるので、作製コスト
を大巾に低下させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の化合物半導体単結晶成長用装置の好ま
しい一態様を模式的な断面図で示すものであり、炉内多
帯域の温度分布をも合せて示しである、 第２図は従来の水平ブリッジマン式成長炉を説明すため
の第１図と同様な図である。 （主な参照番号） １・・石英管、　２・・原料融液、 ３・・石英ボート、　４・・成長単結晶、５・・拡散バ
リヤー、　６・・高蒸気圧成分、７・・種晶、　１０・
・成長室、 １１・・蒸気圧制御室、　１２・・ボート、１３、〜１
３３・・ヒートパイプ、 Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ・　・ヒータ 特許出願人　　住友電気工業株式会社 代　理　人　　弁理士　　新居　正彦 第１図 １：石英管 ２：／Ｐ料 ３１石英ボート ５°諒１Ｕでリヤー ６：高蒸気圧成分 １０：店長室 １１：ｉシ’［Ｊコ己ζ１１郵１に １２：ボート

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）成長室と蒸気圧制御室とを有する成長器本体と、
   該成長器の外周に設けられ、該成長器に温度の異る複数
   の帯域を形成するための少なくとも２つのヒータと、該
   成長室に配置された原料収納用ボートとを具備する化合
   物半導体単結晶の成長装置において、 前記ヒータの内面にヒートパイプを設けたことを特徴と
   する上記単結晶の成長装置。
2. （２）前記成長器が横型であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の成長装置。
3. （３）前記化合物半導体がIII−Ｖ族化合物であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   成長装置。
4. （４）前記化合物半導体がII−VI族化合物半導体である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
   載の成長装置。
5. （５）前記ヒートパイフが熱媒体としてナトリウムを使
   用するもの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項に記載の成長装置。