JPS63270378A - 化合物半導体単結晶の製造方法 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、垂直凝固法による化合物半導体単結晶の製造
方法に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

従来の垂直凝固法による化合物半導体単結晶の製造方法
は垂直温度勾配付き徐冷法によるものである　（Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　７４
（１９８６）　４９１〜５０６）。この方法は、原料と
して既に合成された化合物半導体多結晶を用い、それを
ルツボに入れて溶融させた後、融液をルツボ下端に配置
した種子結晶と接触させて種子付けを行い、下端より徐
々に冷却して上方に向かって化合物半導体単結晶を成長
させていくというものである。

この方法では、原料の溶融、種子付けの際、■族元素の
単離による飛散を防止するため、ルツボを収納した成長
容器の下部低温帯に■族元素を配置し、これを加熱して
■族元素の蒸気圧を垂離圧以上となるように円節してお
り、またこれにより融液組成のずれを防止している。結
晶成長に必要な垂直方向の温度分布は加熱ヒーターと断
熱材の組み合わせにより作り出し、結晶成長に従って徐
々に加熱ヒーターへの供給電力を下げていくことにより
、下端から冷却を行うようにしている。

ところで欠陥の少ない高品質の単結晶を成長させるには
、垂直方向の温度分布だけでな（水平方向（径方向）の
温度分布も考慮する必要がある。

すなわち、ある水平面でみた場合、化合物事４体融液が
ルツボの壁面から中心に向かって凝固するような温度分
布（中心の方が温度が高い）では多結晶が出来やすいの
で、径方向の温度分布は、平坦か、または中心部で低く
外周へいくほど高くなるような形にすることが望ましい
。

しかし従来の方法は、周囲からヒーターで加熱するだけ
であり、また融液の対流などもあるため、径方向の温度
分布を平坦ないしは中心部が低くなるように制御するこ
とは困難であった。

〔問題点の解決手段とその作用〕

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決した垂
直凝固法による化合物半導体単結晶の製造方法を提供す
るもので、その方法は、垂直配置された成長容器内に、
下端に種子結晶を配置したルツボを同軸配置し、そのル
ツボ内で化合物半導体融液をつくり、その融液を上記種
子結晶に接触させて種子付けを行った後、下端から徐々
に冷却して上方に向けて化合物半導体単結晶を成長させ
ていく方法において、上記融液に垂直方向の磁界を印加
し、径方向の融液の流れを抑制した状態で単結晶の成長
を行うことを特徴とするものである。

ルツボ内の化合物半導体融液に垂直方向の磁界をかける
と、磁界にクロスする方向つまり径方向の融液の流れが
ローレンツ力により抑制されるため、融液の流れは垂直
方向のみとなる。その結果、熱移動は、径方向には熱伝
導のみとなり、垂直方向には対流による熱移動が存在す
ることになり、下方の低温部へ向けての熱移動が生じ易
くなる。

このため径方向の温度分布は、ヒーターに近い外周面で
高く、中心に行くほど低くなる形となり、その結果、固
液界面の形状は融液に対して若干凸形となり、熱歪を抑
制した状態で、低欠陥の単結晶を成長させることができ
るようになる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す。図において、１１は
圧力容器、１３はその中心に垂直に配置された成長容器
、１５はその中に同軸配置された筒形のルツボである。

ルツボ１５はＰＢＮ製で、その下部は細い管状部１！：
ａとなっている。

また１７は成長容器１３内の底部に設置された■族元素
収納用の下部容器、１９は下部容器１７の上に設置され
たルツボ支持台である。上記ルツボ１５はこの支持台１
９上に垂直に設置されている。ルツボ支持台１９は断熱
材よりなるが、ポーラスな材料で作るか、上下方向に穴
をあける等して、上下方向に通気性を持たせである。２
１は成長容器１３の上端開口部に擦り合わせ嵌合された
気密蓋、２３は１１２１を支持する上部軸である。上部
軸２３は圧力容器１１の天板を貫通し、上下動および回
転可能になっている。

また２５は成長容器支持台で、これは圧力容器ＩＩの底
板を貫通する下部軸２７に支持されて上下動および回転
可能になっている。成長容器支持台２５の中には測温用
のサーモカンプル２９が設置されている。３１は成長容
器１３の外側にルツボ１５を包囲するように設置された
主加熱ヒーター、３３はその端子、３５は給電用導体、
３７は成長容器１３の外側に下部容器１７を包囲するよ
うに設置された副加熱ヒーター、３９はその端子、４１
は給電用導体である。また４３は断熱材、４５は圧力容
器内面に配置した冷却管である。

さらに４７は圧力容器１１の外側に設置された円筒コイ
ルで、これは結晶成長の際、ルツボ１５内に垂直磁界を
印加するためのものである。垂直磁界を有効に作用させ
るため、圧力容器１１はステンレス製とし、主加熱ヒー
ター３１は二重スパイラル巻きの無誘導型としである。

この装置による化合物半導体単結晶の製造は、次のよう
にして行われる。まずルツボ下部の管状部１５ａに種子
結晶４９を挿入し、定位置にセットすると共に、ルツボ
１５内に化合物半導体多結晶原料５１を充填する。また
下部容器１７内には■族元素（ＧａＡｓの場合はＡｓ　
）　５３を充填する。ルツボ１５内および圧力容器１１
内の残留酸素を取り除くため、上部軸２３を上昇させ、
成長容１１３から蓋２１を引き抜いた状態で、圧力容器
１１内を真空引きする。その後、不活性ガス（アルゴン
または窒素）を充填し、圧力容器１１内を数気圧〜１０
０気圧に加圧する。

次いで上部軸２３を下降させ、成長容器１３に蓋２１を
嵌合する。

次に主加熱ヒーター３１を加熱し、多結晶原料５１を溶
融させて化合物半導体融液を作成する。このとき多結晶
原料５１表面および融液表面からＶ族元素が垂離、飛散
しないようにするため、副加熱ヒーター３７により下部
容器１７内の■族元素５３を加熱し、成長容器１３内の
■族元素の蒸気圧を調節する。

融液作成後、コイル４７により融液に垂直方向の磁界を
印加する。磁界の強さは５００〜５０００Ｇａｕｓｓ程
度とする。単結晶の成長に入る前の温度分布は、種子結
晶４９と融液の接触部で化合物半導体の融点となるよう
にし、それより上にいくに従って徐々に温度が高くなる
ようにする０次に種子付けを行うため、上記接触部の温
度を約１０℃上げ、種子結晶４９の一部を再溶融させて
融液になじませる。その後、上方に向かって徐々に温度
を低下させて行き、単結晶を成長させる。その際は、成
長容器１３を回転させて、温度分布の対称性をよくする
ことが好ましい。

融液に垂直磁界を印加すると、磁界にクロスする方向つ
まり径方向の融液の流れがローレンツ力により抑制され
るため、融液の流れは垂直方向の流れだけとなる。その
結果、熱移動は、径方向には熱伝導のみとなり、垂直方
向には対流による熱移動が存在することになるから、下
方の低温部へ向けての熱移動が生じ易くなり、下端から
熱が奪い去られるようになる。このため径方向の温度分
布は、第２図に示すようにＡ−Ａ’線の断面でみると、
ヒーター３１に近い外周面で温度が高く、中心に行くほ
ど温度が低くなる形となる。その結果、固液界面５５の
形状は融液５７に対して若干凸形となり、熱歪を抑制し
た状態で、低欠陥の化合物半導体単結晶５９を成長させ
ることができる。また融液５７の熱振動も抑制されるた
め、温度の揺らぎに起因する成長縞の発生も抑制するこ
とができる。

第３図および第４図は本発明の他の実施例を示す０両図
において第１図と同一部分には同一符号を付しである。

前記実施例では既に合成された化金物半導体多結晶を溶
融させて融液を得たが、この実施例はルツボ内で化合物
半導体の融液を合成するようにしたものである。

このため装置には次のような工夫が施されている。すな
わち、ルツボ支持台１９は吊り具６１により蓋２１に吊
り下げられており、ルツボ１５は蓋２１と共に上下動で
きるようになっている。またＶ族元素５３を収納する下
部容器１７の中心には押し上げ棒６３が立設されており
、その上端はルツボの管状部１５ａに挿入されている。

そのほかは第１図と同じである。

化合物半導体融液の合成は次のように行われる。

まずルツボ下部の管状部１５ａに液止め栓（ＢＮまたは
ＰＢＮ製）６５および種子結晶４９を、前者を上にして
挿入すると共に、ルツボ１５内に■族元素（ＧａＡｓの
場合はＧａ）　６７を入れる。また下部容器２５内に■
族元素（ＧａＡｓの場合はＡｓ　）　５３を入れる。そ
の後、内部の酸素を取り除くため前記実施例と同様にし
て真空引きしたあと、不活性ガスで置換し、圧力容器１
１内を３〜１００気圧に加圧する０次いで上部軸２３を
下降させ、第３図のように成長容器１３に蓋２１を嵌合
すると共に、種子結晶４９の下端に押し上げ棒６３の上
端が突き当たるようにする。

次に、主加熱ヒーター３１を加熱し、■族元素６７を溶
融させ、ＧａＡｓの合成であれば約１２３８℃に保つ。

また副加熱ヒーター３７も加熱し、■族元素５３を約６
１７℃にして、成長容器１３内の■族元素の蒸気圧を１
気圧以上にする。この状態で化合物半導体の合成反応を
進行させる。

化合物半導体の合成が終了したら、上部軸２３を徐々に
下降させる。すると、ルツボ１５が下降し、相対的に押
し上げ棒６３が種子結晶４９と液止め栓６５を押し上げ
るから、液止め栓６５が管状部１５ａから抜は出し、化
合物半導体融液中に放出される。液止め栓６５は化合物
半導体融液より比重が小さいので、第４図に示すように
液止め栓６５は化合物半導体融液５７の液面に浮上し、
融液５７と種子結晶４９とが接触するするようになる。

このあと、コイル４７で融液５７に垂直磁界をかけ、種
子付けを行い、単結晶を成長させることは前記実施例と
同様である。

以上のようにすれば、化合物半導体融液の合成から単結
晶の成長までを同一ルツボ内で行うことができる。

なお押し上げ棒６３で種子結晶４９を押し上げる際、種
子結晶４９にキズが付かないようにするため、第５図に
示すように種子結晶４９は例えばＰＢＮ製の保護ケース
７１に収納した状態で管状部１５ａに拝入するとよい。

また単結晶の成長は、ルツボを定位置に置き、主加熱ヒ
ーターで垂直方向の温度分布を調節することにより行っ
てもよいし、主加熱ヒーターの温度分布は一定とし、ル
ツボ１５を成長容器１３と共に下降させることにより行
ってもよい。

（発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、化合物半導体融液
を下端から上方に向かって凝固させる際、融液に垂直方
向の磁界を印加するようにしたので、垂直磁界の作用で
径方向の熱の流れが抑制され、垂直方向の熱の流れが強
調されるようになり、その結果、固液界面の形状を融液
に対し若干凸形にすることができるから、熱歪を抑制し
た状態で、低欠陥の化合物半導体単結晶を成長させるこ
とができる。また融液の非定常的な流れによる温度変動
も抑制されるため成長縞の発生も抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いられる化合物半導体単
結晶製造装置の断面図、第２図は同装置で化合物半導体
単結晶を成長させる過程を示す説明図、第３図は本発明
の他の実施例に用いられる化合物半導体単結晶製造装置
の断面図、第４図は同装置で種子付けを行う状態を示す
要部の断面図、第５図は同装置における種子結晶の保持
方法の一例を示す断面図である。 １１〜圧力容器、１３〜成長容器、１５〜ルツボ、１５
３〜管状部、１７〜下部容器、１９〜ルツボ支持台、２
１〜蓋、２５〜成長容器支持台、３１〜主加熱ヒーター
、３７〜副加熱ヒーター、４７〜円筒コイル、４９〜種
子結晶、５１〜化合物半専体多結晶原料、５３〜Ｖ族元
素、５５〜固液界面、５７〜化合物半導体融液、５９〜
化合物半導体単結晶。 第１図 第２図 Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａ第４図 第５図 手続主甫正書（自発） 昭和６３年　１月工Δ日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 垂直配置された成長容器内に、下端に種子結晶を配置し
   たルツボを同軸配置し、そのルツボ内で化合物半導体融
   液をつくり、その融液を上記種子結晶に接触させて種子
   付けを行った後、下端から徐々に冷却して上方に向けて
   化合物半導体単結晶を成長させていく方法において、上
   記融液に垂直方向の磁界を印加し、径方向の融液の流れ
   を抑制した状態で単結晶の成長を行うことを特徴とする
   化合物半導体単結晶の製造方法。