JPH04292500A - 結晶成長方法 - Google Patents

結晶成長方法

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JPH04292500A
JPH04292500A JP5720891A JP5720891A JPH04292500A JP H04292500 A JPH04292500 A JP H04292500A JP 5720891 A JP5720891 A JP 5720891A JP 5720891 A JP5720891 A JP 5720891A JP H04292500 A JPH04292500 A JP H04292500A
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JP
Japan
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growth
crystal growth
crystal
melt
heater
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Withdrawn
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JP5720891A
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English (en)
Inventor
Chisato Takenaka
竹中 千里
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は結晶成長技術に関し、さ
らに詳しく述べるならば融液から溶質を結晶として晶出
させるボート成長法、引き上げ成長法などの結晶成長方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】融液から結晶を成長させる方法(以下、
「液相成長法」という)の場合、成長界面への溶質の供
給により結晶の成長速度が制御される。溶質の供給は溶
媒中の溶質濃度及び温度により決まる。従来これらの因
子を調節すると、それ以外の因子により溶質の供給を制
御することはできなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】液相成長法は基板結晶
の損傷が少ない、成長結晶の結晶性がよいなどの利点が
ある反面、MBEなどの方法よりは結晶成長制御性が劣
っていた。これは、拡散速度を外部から制御することは
不可能であるため、成長速度を制御したり組成を制御す
ることが非常に困難であることに帰着する。
【0004】したがって、三元化合物半導体あるいは四
元化合物半導体を数十Å〜数千Å程度の薄い膜として積
層するためには従来はMBE、MOVPEなどの結晶成
長制御性がすぐれた方法が採用され、液相成長法の採用
は困難であった。
【0005】又、従来法による液相成長では三元化合物
の各成分の拡散速度が相違する場合、例えばGaとAs
の拡散速度が相違するInGaAsの結晶成長を行う場
合、GaとAsの組成は融液中の濃度を定めることによ
りほぼ定まってしまい、それ以外の組成制御法はない。 ここで融液中の濃度は結晶成長中に任意に制御できない
から、組成の制御性は極めて少なく、三元、四元の化合
物を任意の組成で成長できるMOCVD、MBEなどよ
り遥かに低い。
【0006】本発明は液相成長法の以上のような現状に
鑑み、従来より結晶成長速度や組成の制御性を高めるこ
と、すなわち高速成長から低速成長まで正確に速度を制
御すること、及び三元又は四元化合物の制御を可能にす
ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、融液から溶質
を晶出させて結晶を成長させる結晶成長方法において、
融液にその外部から印加された磁場の第一方向に対して
垂直成分をもつ第二の方向に電流を該融液あるいは溶液
に流すとともに前記磁場及び電流により生じるローレン
ツ力が結晶成長方向に対して所定の方向になるように第
二の方向を定めることを特徴とする。以下、本発明の構
成を説明する。
【0008】液相成長において、融液(液相成長の分野
では溶液と言われることもある)を溶製するための成長
炉は通常ヒーターを備え、これがコイル状に被加熱物を
とり囲む形状をしており、交流電流を流すと交流磁場、
直流電流の場合は直流磁場がコイル内に発生する。
【0009】図1には交流加熱ヒーターを使用する、か
かる成長炉を示している。図中、1は反応管、2は融液
を抵抗加熱するヒーターコイル、3は融液を保持するボ
ート、4はヒーターコイルに通電するAC電源、8はボ
ートに設けられた溶液溜め、である。このような成長炉
では図中にBで発生した方向の磁場が発生する。本発明
の液相成長法が特徴とするところは磁場Bに対して制御
したい方向にローレンツ力がはたらくように電源8をボ
ート3と接続して溶液中に電流を流すところにある。以
下、電流と磁場の関係を図2を参照して説明する。
【0010】溶液溜め8はその底部にエピタキシャル成
長方向を定める結晶基板10を固定し、両端に電極5、
6を固定している。図1の磁場の方向Bは同一方向の矢
印Bで図2に示されている。電極5、6間に電流を流す
とその方向はI、すなわち磁場の方向と直交する方向に
なり、その結果ローレンツ力Fが発生する。このような
ローレンツ力を効果的に利用するように結晶基板10と
溶液、電極5、6を配置して成長を行うことが本発明の
原理である。これによって、従来の拡散のみの制御と比
較して、一つの制御因子(ローレンツ力)が増加するこ
とになる。ローレンツ力Fは融液に結晶基板10の方向
の力を加えるので、溶質を結晶基板10の方向に移動さ
せる。
【0011】ローレンツ力が実質的に基板方向であると
成長速度が高められ、基板と実質的に反対方向であると
成長速度は低下するため膜厚の再現性が高められる。し
たがって、目標とする結晶層の性質によってローレンツ
力の方向を定める。
【0012】以上、ヒーターコイルを備えた成長炉の例
を説明したが、棒状ヒーターの場合も同様に磁場が発生
しているので、図2に示されるB、Iの関係を考慮して
電流を流すことによりローレンツ力Fを発生させること
ができる。又、ヒーター以外に別途磁場を発生させる磁
石などを設けてもよい。
【0013】ヒーターが交流ヒーターである場合、図3
に示すようにヒーターの磁場Bと同じ周波数え同じ位相
の交流電流(I)を融液又は溶液中に流すとローレンツ
力(F=I×B)は常にプラス(+)方向に働き、最も
効率がよい。交流が完全なサインカーブで表される時、
I、B同位相ローレンツ力(F=I×B、但しI=50
Hz)は次式で表される。
【0014】
【数1】
【0015】これに対して図4に示すように交流電流(
I)と交流磁場の周波数(B)が異ると、ローレンツ力
(I×B)は振動し、打消し合う(I×B=0)。 ■I=100Hz、B=50Hzの時及び■I=150
Hz、B=50Hzの時の場合の計算をそれぞれ以下に
示す。
【0016】
【数2】
【0017】
【数3】
【0018】ローレンツ力を発生させるための電流は大
きなほど効果が高い。図5には交流ヒーターと交流通電
の場合のInP溶解量の電流値の依存性を示す。この図
より電流値とInP溶解量はリニアな関係にあることが
分かる。なお、溶解量は基板重量で測定している。電流
値が過大になると電極部における発熱の影響が大きくな
り、却ってローレンツ力以外の対流の効果などが大きく
なるので、このような上限以下に定める必要がある。こ
の上限はボート成長法で化合物半導体の結晶成長を行う
場合は3〜20Aである。
【0019】本発明により融液に加えられる電流はその
周波数(fi )が交流磁界の周波数(fm )と一致
しているときに最も効果が大であり、f1 <fm 、
又はf1 >fであると効果はあるが少ない。
【0020】図6に50Hzの交流ヒーターで加熱して
いるInP溶液中に交流電流を6A流して、InP基板
と接触させ、InPを溶解させる時の溶解速度の周波数
依存性を示す。この図より溶液中に流す電流が50Hz
の時に溶解が最も促進されており、溶解量の周波数依存
性があることが明らかである。
【0021】さらに、ヒーターの電流が直流であるとき
は磁界も直流であることが好ましい。InPの溶解過程
におよぼす通電の効果をヒーターに流れる電流と、溶液
中に流す電流の各組あわせに対して表1に示した。
【0022】表中、DC(パルス)は直流のON、OF
Fを50cycle /secで繰り返すパルス状ヒー
ター電流を意味し、基板+及び基板−は溶液中に流す直
流電流が向きを変えた場合を意味し、さらに++が最も
効果があり0は効果のないことを意味する。
【0023】
【表1】 表中には通電なしを1とする相対量溶解量を示す。この
結果よりヒーターと溶液中の電流が直流と直流、交流と
交流のくみあわせの時に効果があることがわかる。すな
わちローレンツ力により溶解量が増大していることが分
かる
【0024】加熱ヒーターに流れる交流電流がサイリス
タに上り図7に示すように波形変形をおこしている場合
には交流電流の周波数(150Hz)を磁界周波数(5
0Hz)の奇数倍とすることにより、ローレンツ力(I
×B)を常にプラス(+)方向に働かせることができる
【0025】三元以上の化合物半導体の液相成長では各
元素の拡散係数が異なるので成長中に成長界面における
溶質濃度が変化し、従来法では成長層の組成が変動する
問題がある。本発明におけるローレンツ力は溶質原子の
電荷により決まる力であるので、分配係数のように原子
依存性が大きくなく、また、流す電流値や磁場の大きさ
を変えることによって制御できるので、成長層の組成を
一定に制御することができる。したがって本発明は、三
元以上の化合物の結晶成長に適用するのが好ましい。
【0026】また、従来法では低温成長を行うと成長速
度が非常におそくなる。しかし、成長速度を早めるため
に融液の過冷度を大きくすると溶質の析出が基板から離
れたところでも起こり、低温成長は複雑な構造のデバイ
スを作製する時に、熱変性が少ないなどの利点があるが
、実施困難であった。これに対して本発明でローレンツ
力を利用すると成長温度が400〜500kでも成長系
の不安定化を招かず二元系以上の化合物半導体の成長を
行うことができる。
【0027】
【作用】図8において、「通電なし」のグラフが拡散の
みにより結晶成長のための溶質の供給が行われる従来法
に相当し、「交流6A」がローレンツ力と拡散により溶
質の供給が行われる本発明に相当する。何れも、InG
aAsの成長を行った実験結果を示す。この結果及び図
5より本発明によれば、結晶成長において成長系の外部
から電流値を変える制御法によって成長速度を制御する
ことができることが明らかである。このように電流によ
る制御が可能になったのは溶液中でイオン化している溶
質にローレンツ力が働いて、その拡散を加速しているこ
とによると考えられる。
【0028】請求項2は図8に示すように結晶成長速度
を速めるような制御を可能にする。請求項3は拡散を抑
制することによって溶質の供給量を少なくし、極く薄い
膜を作るような制御を可能にする。請求項4から7はヒ
ーターからの磁場に応じて最も好ましい電流通電法を示
す。請求項8は液相成長法で最も組成の制御が難しい結
晶への適用に関する。請求項9は低温成長により結晶性
のよい結晶を作る方法である。以下、実施例により本発
明を説明する。
【0029】
【実施例】実施例1 図9に示すボート成長装置によりInPの成長を行った
。図中11は基板スライダー、13はPBN被覆ボート
であり何れも公知のものである。溶液溜め8の両端に固
着した電極5、6にステンレス製電極14、15の末端
を溶接した。上記した5、6、8、11、13からなる
ボート成長装置を内径80mm,外径90mm、長さ1
500mm、ヒーターの巻数50回の反応管内にセット
した。溶液溜め8中にInPの600℃の飽和メルト(
XP (Pの液相モル濃度)=3.7×10−3)を1
0g入れ、過冷却度4℃の条件下で交流電源4からの電
流6Aを流しながら5分間成長を行った。この時炉のヒ
ーター(図示せず)は50Hzの交流ヒーターと、溶液
中に流す電流も50Hzとし、位相をあわせておいた(
図3参照)。その結果、電流を流さない場合に5分間の
成長で1.6μmの膜厚しか得られないのに対し、交流
を流すと11μmの膜厚を得ることができた。
【0030】実施例2 図9のボート成長装置を用いてIn1−x Gax A
sの成長を行った結果を図10に示す。この結果より本
発明ではInGaAs結晶の組成が安定することが明ら
かである。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いれば
、溶液内の溶質の輸送を外部制御によってコントロール
することができるので、従来の液相成長法よりは成長速
度、膜厚制御性、温度設定、組成の安定などの面で進歩
した成長法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明法に使用される成長装置の一例を示す図
である。
【図2】本発明の原理説明図である。
【図3】周波数が同じ交流電流・交流磁場によるローレ
ンツ力の図である。
【図4】周波数が異なる場合について図3と同様の図で
ある。
【図5】InP溶解量の電流依存性を示すグラフである
【図6】InP溶解量の周波数依存性を示すグラフであ
る。
【図7】交流電流の周波数が磁場の奇数倍の場合の図3
と同様の図である。
【図8】本発明における作用の説明図である。
【図9】ボート成長装置の図である。
【図10】In1−x Gax AsのGa分布を示す
グラフである。
【符合の説明】
1  反応管 2  ヒーターコイル 3  ボート 4  交流電源 5  電極 6  電極 8  溶液溜め 10  結晶基板 11  基板スライダー 12  InP溶液 13  PBN被覆ボート

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  融液から溶質を晶出させて結晶を成長
    させる結晶成長方法において、前記融液にその外部から
    印加された磁場の第一方向に対して垂直成分をもつ第二
    の方向の電流を該融液に流すとともに前記磁場及び電流
    により生じるローレンツ力が結晶成長方向に対して所定
    の方向になるように第二の方向を定めることを特徴とす
    る結晶成長法。
  2. 【請求項2】  前記所定の方向が結晶成長方向と実質
    的に同じ方向である請求項1記載の結晶成長方法。
  3. 【請求項3】  前記所定の方向が結晶成長方向の反対
    方向と実質的に等しい方向である請求項1記載の結晶成
    長方法。
  4. 【請求項4】  前記磁場が前記融液を加熱するヒータ
    ーにより発生する請求項1から3までの何れか1項記載
    の結晶成長方法。
  5. 【請求項5】  ヒーターが交流ヒーターである場合ヒ
    ーターと同じ周波数で同じ位相の交流電流を融液または
    中に流すことを特徴とする請求項4記載の結晶成長方法
  6. 【請求項6】  ヒーターの周波数の奇数倍の周波数の
    交流電流を融液中に流すことを特徴とする請求項4記載
    の結晶成長方法。
  7. 【請求項7】  ヒーターが直流ヒーターである場合直
    流を融液に流すことを特徴とする請求項4記載の結晶成
    長方法。
  8. 【請求項8】  三元以上の化合物半導体の結晶成長を
    行うことを特徴とする請求項1から7までの何れか1項
    記載の結晶成長方法。
  9. 【請求項9】  融液の過冷度を0<ΔT≦10kとし
    て成長を行うことを特徴とする請求項8記載の結晶成長
    方法。
JP5720891A 1991-03-20 1991-03-20 結晶成長方法 Withdrawn JPH04292500A (ja)

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