JPH02229797A - 低転位密度ガリウム砒素単結晶の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は不純物としてインジウムを添加してボート法に
より低転位密度ガリウム砒素単結晶を製造する方法に関
する。

〔従来の技術〕

近年、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を使用した電界効果形
トランジスタ（ＦＥＴ）集積回路（ＩＣ）あるいは光集
積回路（ＯＥＩＣ）等の開発研究が盛んに行なわれてい
るが、これらの作成には結晶欠陥（転位密度）の少ない
高抵抗のＧａＡｓ単結晶が必要である。

高抵抗化技術についてはクロム（Ｃｒ）を添加する方法
が古くから採用され、既に確立された技術となっている
。

低（無）転位密度化技術についてはインジウム（Ｉｎ）
を添加する方法が注目され、ＬＥＣ法により低転位密度
のＧａＡｓ単結晶を製造したという報告が数多くなされ
ている。しかしながら、ボート法によりＩｎ添加の低転
位密度ＧａＡｓ単結晶を製造したという報告は数少ない
状況にある。

その中で藤田他；住友電気ｋｌ２９（１９、８６）８４
，の報告では、Ｉｎを１．５〜４．ＯＸ１　０　”ｃ＋
＊−３添加して図に示すような水平ブリッジマン法によ
り、ＧＪＩＡＳ単結晶が成長する固液界面付近の温度勾
配△Ｔを１〜３℃／ｃｍ、成長速度を２〜８■■／時間
、結晶固化後の１２００℃付近から１０５０〜７４０℃
付近までの冷却速度を５〜２０℃／時間として転位密度
が１〜５Ｘ１０３８ｍ−２以下のＣｒ，Ｉｎ添加ＧａＡ
ｓ単結晶を得ている。なお、図は水平ブリッジマン法に
よる製造装置と炉内の温度分布の関係を示す説明図であ
り、図において！は石英製のボート、２はＧａＡｓ融液
、３は種結晶、４は砒素、５は石英製のアンプルであり
、温度ＴＩはＧａＡｓの融点（約１２３８℃）よりも高
く温度Ｔ．はＧａＡｓの融点よりも低く設定されている
。そしてＴ．とＴ．の間の温度勾配ΔＴの温度傾斜部が
結晶の固液界面温度となる。

温度Ｔ３は砒素５の蒸気圧を制御するために６００〜６
２０℃に設定されている。しかし、この報告では１　．
　　５　Ｘ　１　０　”ｃｍ−”より少ない濃度のＩｎ
を添加したときには、転位密度が１５００ｃｍ−２以下
の単結晶は得られていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、上述の藤田他の報告に基づいて実験を行
ったところ、特にＩｎを２〜３Ｘ１０”ＣＩ−３以上添
加した場合、部分的に転位密度が５　０　０　０　０　
ｃｍ−２以上の高転位密度部が発生したり、Ｉｎが単体
で析出したりすることを確認した。

また、ＧａＡｓＩにＩｎを添加することでＧａＡｓ単結
晶内の格子定数が変化し、このＧａＡｓ単結晶基板の上
に成長させたエビタキシャル成長層との間に格子歪が生
じ、エビタキシャル成長層の界面にミスフィット転位が
発生することが知られている。このミスフィット転位は
ＦＥＴ等の特性に好ましくない影響を与えるため、可能
な限りＩｎの添加量を少なくしてミスフィット転位の発
生を少なくする必要がある。しかしながら、現状ではボ
ート法によって低転位密度のＧａＡｓ単結晶を製造する
ためには、上述のように高濃度（１．５〜４　．　　０
　Ｘ　１　０　１９ｃｍ−３）のＩｎを添加しなければ
ならず、低濃度のＩｎ添加であっても低転位密度のＧａ
Ａｓ単結晶を得ることができるボート法による製造方法
の開発が強く望まれていた。

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消し、
低濃度のＩｎ添加により転位密度を大幅に低減すること
のできるＧａＡｓ単結晶の製造方法を提供することにあ
る。

Ｅ課場を解決するための手段Ｊ 本発明の要旨は、ボート内のＧａＡｓ原料に濃度がＩ　
Ｘ　１　０１８〜１．　　５　Ｘ　１　０”ｅ＠−３の
Ｉｎを添加してＧａＡｓ単結晶を成長させる際、原料融
液と単結晶との界面付近の温度勾配を０．２℃／ＣＳ以
上１．０℃／ｃｍ未満とし、結晶固化後の１０００℃ま
での冷却速度を工５℃／時間以下にして、転位密度が１
　５　０　０　ｃｍ−２以下の低転位密度ＧａＡｓ単結
晶を製造することにある。

［作用］ 本発明は、原料融液と単結晶との界面付近の温度勾配Δ
Ｔを０．２℃／ａｍ以上１．０℃／Ｃ■未満とし、結晶
固化後の１０００℃までの冷却速度を１５で／時間とし
たことにより、Ｉｎの添加量が１×１０鱈〜１．５Ｘ１
０カａｍ’コという低濃度であっても転位密度が１　５
　０　０　ｃｍ−２以下の低転位密度ＧａＡｓ単結晶を
得ることができるのである。

Ｉｎの添加量、成長界面の温度勾配、冷却速度の各数値
は次の理由に基づくものである。

■　Ｉｎの添加量の制限 Ｉｎ添加量がＩ　Ｘ　１　０　１Ｂｃｍ−３以下では、
不純物硬化作用が少ないため転位密度１５００Ｃ一一２
以下の単結晶が得られない。

マタ、夏ｎ　ｍ加１ｋｈ４　２　〜３　Ｘ　１　０　’
ｃｍ−’以上ではＩｎの介在物が結晶内に形成されるた
め、介在物の周囲に高密度転位部が形成される。しかし
、約１．５Ｘ１０ｌ９ｃ履−３の場合ならば介在物の形
成が比較的少ない。それ故１ｌ８ Ｘ　１　０　　〜１　．　　５　Ｘ　１　０　１９ａｍ
″″３のＩｎ濃度が良い。好ましくは、３〜１　０　ｘ
　１　０　”ｃ麿−３が良い。

■　結晶成長の温度勾配の制限 Ｉｎ濃度が１　０１８〜１．　　５　Ｘ　１　０ｌ９ｃ
ｍ−３のＧａＡｓ結晶において成長界面付近の成長温度
勾配△Ｔが１．０℃／ｃｍ以上の場合には、転位密度が
１５００ＣＩ１−２以下の結晶が得られ難い。これは結
晶の成長及び冷却時に結晶に大きな温度勾配がついてい
ると冷却時に歪を受け易いことを示している。

また、ΔＴが０．２℃／Ｃｉ１より小さい場合には、結
晶が多結晶になり易く単結晶が得られない。好ましくは
温度勾配を０．４〜０．８℃／ｃｍの範囲にすることに
よりＩｎ濃度が小さくても安定して転位密度を低減させ
ることができる。

■　冷却速度の制限 １０００℃までの冷却速度が１５℃／時間以上の場合に
は単結晶をスライスしたウエハの周囲の転位密度が高く
なる。これは、冷却時の結晶内部と外部の歪差のためで
ある。

１５℃／時間以下では転位密度１　５　０　０　ｃｍ−
２以下の単結晶が得られる。

［実施例］ 実施例１ 図に示したように種結晶をセットした石英ボートにＧ　
ａ−１　２　０　０　ｇ　ｓ　　Ｃ　ｒ−２　．　　４
　ｇ　％Ｉ　ｎ　−１．２ｇを入れ、石英アンプル内の
一端にセットし、他端にＡｓを１３３０ｇ配置し、アン
プルを封じた。なお、ＧａのかわりにＧａＡｓ多結晶を
使用してもよい。

このアンプルを電気炉に設置し、０．４℃／ＣＩの温度
勾配で降温した。固化後の結晶は１０００℃まで２℃／
時間で冷却しその後２５〜５０℃／時間で冷却した。

得られたＧａＡｓ結晶についてＩｎ濃度をＧＤＭＳ（グ
ロー放電質量分析器）で分析し、転位密度はウエハの（
１　０　０）面をＫＯＨエッチングして測定した。その
結果、シード側の固化率ｇ　−０．１のウエ／％は１ｎ
濃度が２．３４Ｘ１０１８ｃｍ−３であり転位密度は面
内平均１　０　０　０　ａｍ−２であった。また、ティ
ル側の固化率ｇ−０．８のウエハはＩｎ濃度が１．　　
０　９　Ｘ　１　０ｌ９ｃｍ−３”ｔ’あり、転位密度
は面内平均５　１　０　ｃｇ＋−２であった。この結晶
の電気特性として最も重要な二端子法による比抵抗の評
価によればシード部（ｇ−０．１）はアニル前２×１０
８Ωｃｍで、Ａｒ中８００℃×３０ｗｉｎのアニールに
より７Ｘ１Ｇ’ΩＣ讃となり半絶縁性を示していた。

また、ティル部（ｇ−０．８）でもアニール前２．２Ｘ
１０８ΩｃＩＩアニール後は９Ｘ１０７Ｑｃｍを示した
。なお、Ｃｒの量を０．５ｇ，１．０ｇ，２．０ｇと変
化させて成長させても２．４ｇのときと殆んど変らない
結果が得られた。

実施例２ 実施例１の条件において、Ｉｎの量０．６ｇ（試料１）
の場合とＩｎを２．４ｇ（試料２）添加した場合に変更
した以外は全て同じ条件で検討した。

試料１　（Ｉｎ＝０．６添加）の場合 固化率ｇ−０．１でＩ　ｎ　−　９．　　２　７　Ｘ１
０１７ｃｍ−３ｇ−　０．　　８テＩ　ｎ　−　３．　
　７　７　Ｘ　１　０ｌ８ｃｍ−３テアッた。

試料２　（Ｉｒ＋−２．４添加）の場合固化率ｇ−０．
１でＩ　ｎ　−　４．　　５　７　ＸＩＯ１８ｃｍ”ｇ
−０．８でＩｎ−１．５７Ｘ１０’ｃｉ″３であった。

試料１の場合 結晶の固化率０．３以下では転位密度が１　０　０　０
ｃｍ−２以上であり、固化率０，３の場合のＩｎ濃度は
Ｉ　Ｘ　１　０　ｌ８ｃ■−３であった。

試料２の場合 結晶の固化率０．９以上で析出物が増加していることが
わかった。この場合の平均転位密度は５　２　０　ｃｍ
−３であった。

実施例３ １０００℃までの冷却速度を２〜２５℃／時間の間で変
えた以外は実施例ｌと同じ条件で実験を行った。なお、
１０００℃以下の冷却速度は２５〜５０℃／時間である
。

この実験では１０００℃までの冷却速度が１５℃／時間
以下のとき（シード部ｇ−０．１）でウエハ周辺の転位
密度は、ウェハ内部とほぼ同程度の１　０　０　０　ｃ
ｍ−３以下になった。しかし、１７℃／時間以上の場合
にはウェハ中央は約１　１　０　０ｃｍ−３の転位密度
であったが、ウエハ周辺は１５００ｃｍ−３〜１　０　
０　０　０　０ｍ−３の高転位密度であった。

これ等の現象は、冷却時の結晶内部と外部の歪差により
生じたものと考えられる。

マタティル部（ｇ−０．８）でウエハの面内平均転位密
度は１５℃／時間以下の場合、５１０ｃ−３であウた。

１７℃／時間以上の場合にはウエハ周辺は１　１　０　
０ｃｍ−３以上の転位密度であった。

なお、上記実施例ではＩｎの他にＣ『を同時に添加した
場合について述べたが、Ｃ『のかわりにシリコン（Ｓｔ
）や亜鉛（Ｚｎ）等を同時に添加してもよいし、勿論、
Ｉｎだけを添加してもよい。

本発明においてＩｎとＳｌとを同時に添加した場合には
、ＩｎとＳｉの不純物硬化作用が協合して転位密度が１
　０　０　０　ｃｍ”−２以下のＧａＡｓ単結晶成長を
容易に実現できる。また、ＩｎとＺｎとを同時に添加し
た場合にも転位密度が１　５　０　０ｃ■−２以下のＧ
ａＡｓ単結晶を得ることができる。

本発明は、上記した水平ブリッジマンのほか、温度傾斜
法にも適用できる。

更に、添加するＩｎはＩｎＡｓ等の化合物として添加し
てもよい。

［発明の効果］ 従来、ボート法により得られていた低転位密度（　１　
５　０　０　ｃｍ−２以下）のＧａＡｓ単結晶にはＩｎ
が１　．　　５　Ｘ　１　０　ｌ９ｅ＊−３以上も添加
されていたため、これをＦＥＴに使用した場合にはＧａ
Ａｓ単結晶基板上に成長させたエビタキシャル層にミス
フィット転位が発生し、使用上の信頼性に不安があった
。しかし、本発明によれは、従来より少ない１ｌ８ Ｘ　１　０　　〜１．　　５　Ｘ　１　０ｌ９ａｍ−３
のＩｎ添加により転位密度１０００〜１　５　０　０ｃ
■−２の低転位密度ＧａＡｓ単結晶を得ることが可能と
なり、この単結晶を使用すればＦＥＴ作成時のミスフィ
ット転位発生等の問題を解消して信頼性の高いＦＥＴ等
を作ることができる。

【図面の簡単な説明】

図は水平ブリッジマン法の製造装置と炉内の温度分布の
関係を示す説明図である。 １　：ボート、 ２：ガリウム砒素融液、 ３：種結晶、 ４：アンプル、 ５：砒素。 了巨　々１　→

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ボートの中にガリウムと砒素からなる原料を入れた
   後該原料を加熱して融液状となしその後この原料融液の
   温度を前記ボートの一端側から徐々に降温させて転位密
   度が１５００ｃｍ＾−＾２以下のガリウム砒素単結晶を
   成長させる低転位密度ガリウム砒素単結晶の製造方法に
   おいて、前記原料に該原料に対する濃度が１×１０＾１
   ＾８ｃｍ＾−＾３以上１．５×１０＾１＾９ｃｍ＾−＾
   ３以下のインジウムを添加し、成長中の前記ガリウム砒
   素単結晶の成長界面付近の温度勾配を ０．２℃／ｃｍ以上１０℃／ｃｍ未満とし、結晶固化後
   の１０００℃までの冷却速度を１５℃／時間以下とした
   ことを特徴とする低転位密度ガリウム砒素単結晶の製造
   方法。