JPS63285183A - 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（Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　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、融液に垂直方
向の温度勾配をつけた状態で、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
季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Ｖ族元素を配置し、これを加熱して
■族元素の蒸気圧を季離圧以上となるように調節してお
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。

このように従来の方法は、ヒーターの温度分布に垂直方
向の温度勾配を付け、そのヒーターに供給する電力を徐
々に下げていく方式であるため、垂直方向の温度勾配を
一定に保ったまま冷却していくことが困難であり、成長
位置によって冷却率が異なり、軸方向で結晶特性に差異
がでるおそれがあった。

〔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、上記成
長容器を取り囲んだヒーターにより加熱して、上記ルツ
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のち、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、上記単結晶成長の際、上記化合物
半導体融液の入ったルツボと成長容器を固定したまま、
上記ヒーターを温度分布を変えることなく徐々に上昇さ
せていくことを特徴とするものである。

このようにすると化合物半導体融液が結晶する部分すな
わち固液界面での冷却率を一定に保つことができ、品質
の安定した化合物半導体単結晶を得ることが可能となる
。

〔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１５ａ
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Ｖ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Ｉ［２１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、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１１の底
板を貫通する下部軸２７に支持されて回転可能になって
いる。成長容器支持台２５の中には測温用のサーモカッ
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を包囲するように配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。主加熱ヒーター３１は、圧力容器１１の天板を
貫通するヒーター支持軸４３の下端に取り付けられ、上
下動可能である。主加熱ヒーター３１の上下動を可能に
するため、端子３３は給電用導体３５とスライド接触し
ている。また４５は断熱材、４７は圧力容器内面に配置
した冷却管である。

次にこの装置による化合物半導体単結晶の製造方法を説
明する。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Ｖ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、成長容器
Ｉ３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内を散気圧〜１００気圧に
加圧する０次いで上部軸２３を下降させ、成長容器１３
にＭ２１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ＩＩＥ離、
飛散しないようにするため、副加熱し−ター３７により
下部容器１７内の■族元素５３を加熱して、成長容器１
３内の■族元素の蒸気圧を調節する。

融液作成後、種子付けを行うため、種子結晶４９と融液
の接触部の温度を化合物半導体の融点より若干上げ、種
子結晶４９の一部を溶融させて融液になじませる。単結
晶の成長に入る前の温度分布は第２図に示すとおりであ
り、種子結晶４９と融液５２の接触部で化合物半導体の
融点（ＧａＡｓの場合は１２３８℃）となるようにする
、また■族元素５３の加熱温度はＧａＡｓの場合６１７
℃以上とし、■族元素の蒸気圧を１気圧以上に保つ。

その後、ヒーター支持軸４３を徐々に上昇させ、種子付
は部から上方に向かって単結晶を成長させていく。その
際、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、上昇速度は０．３〜９　ｍｓ／
ｈｒの範囲とし、固液界面が種子付は部から肩にかけて
の範囲にあるときは低速で、直胴部分にあるときは一定
速度とする。主加熱ヒーター３１の温度分布は、種子付
は部で成長軸方向に２０〜ｂ する。副加熱ヒーター３７は移動しないため、主加熱ヒ
ーター３１を上昇させて結晶成長を行っている間も■族
元素５３は一定温度に加熱され、成長容器１３内の■族
元素の蒸気圧が一定に保たれる。

第３図は本発明の他の実施例を示す、同図において第１
図と同一部分には同一符号を付しである。

この実施例が前記実施例と異なる点は、圧力容器１１の
外側に円筒コイル５５を設置し、結晶成長の際、ルツボ
１５内の融液５２に垂直磁界を印加するようにしたこと
である。垂直磁界を有効に作用させるため、圧力容器１
１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。印加する磁界の強さ
は５００〜５０００Ｇａｕｓｓ程度とする。

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４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５７の
形状は融液５２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５２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５図は本発明のさらに他の実施例を示す、同図におい
て第１図と同一部分には同一符号を付しである。第１図
の実施例では既に合成された化合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！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Ｉ５ａに挿入されている。

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１７内にＶ
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第１図の実施例と同様
にして真空引きしたあと、上部軸２３を下降させ、図示
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の下端に押し上げ捧６３の上端が突き当たるよ
うにする。圧力容器１１内は不活性ガスを充填して３〜
１００気圧に加圧する。

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Ｖ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
し上げ捧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、融液の液面に浮上し
、融液と種子結晶４９とが接触するするようになる。

このあとは第１図の実施例と同様にして単結晶を成長さ
せていく、このようにすれば、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６図に
示すように種子結晶４９は例えばＰＢＮ製の保護ケース
６９に収納した状態で管状部１５ａに挿入するとよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、垂直凝固法により
化合物半導体単結晶を成長させる際、化合物半導体融液
の入ったルツボを定位置に固定したまま、所定の温度分
布をもつヒーターを徐々に上昇させて、冷却を行うよう
にしたので、化合物半導体融液が結晶する部分すなわち
固液界面での冷却率を一定に保つことができ、品質の安
定した化合物半導体単結晶を製造できる利点がある。

【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ときの温度分布を示すグラフ、第３
図は本発明の他の実施例に用いられる装置の断面図、第
４図は同装置で単結晶を成長させる過程を示す説明図、
第５図は本発明のさらに他の実施例に用いられる装置の
断面図、第６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
ａ〜管状部、１７〜下部容°器、１９〜ルツボ支持台、
２１〜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、４３〜ヒーター支持軸、４
９〜種子結晶、５１〜化合物半導体多結晶原料、５２〜
化合物半導体融液、５３〜Ｖ族元素、５５〜円筒コイル
、５７〜固液界面、５９〜化合物半導体単結晶、６５〜
液止め栓。 第１図 第２図 温度°Ｃ 第３図 第４図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、上記成長容器を取り囲ん
   だヒーターにより加熱して、上記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
   種子付けを行ったのち、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、上記単結晶成長の際、上記化合物半導体融液の入っ
   たルツボと成長容器を固定したまま、上記ヒーターを温
   度分布を変えることなく徐々に上昇させていくことを特
   徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の方法であって、化合
   物半導体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を成長させることを特徴
   とするもの。