JPH06157185A - 化合物半導体単結晶の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、熱の流れに起因する温度変動を抑制
して品質の高い化合物半導体単結晶を歩留りよく得るこ
とができる化合物半導体単結晶の成長方法を提供するこ
とを目的とする。 【構成】円筒容器に化合物半導体材料を装填し、前記円
筒容器下部に種子結晶を配置し、前記化合物半導体材料
を溶融し、溶融状態の化合物半導体材料を下方から徐々
に冷却して単結晶を成長させる化合物半導体単結晶の成
長方法において、溶融状態の前記化合物半導体材料中に
前記化合物半導体材料より高い熱伝導率を有する物質を
収容した管状体を浸漬し、前記管状体の下端部と化合物
半導体材料の固液界面との距離を一定に保持しながら成
長を行うことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばＧａＡｓ、Ｉｎ
Ｐ等のIII −Ｖ族化合物半導体、ＣｄＴｅ、ＰｂＳ、Ｚ
ｎＳｅ等のII−VI族化合物半導体の単結晶の成長方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、化合物半導体単結晶の成長方法と
しては、引上法、横型ボート法、垂直ブリッジマン法、
または垂直温度勾配凝固法がある。この中で垂直ブリッ
ジマン法は、縦型の円筒容器内に化合物半導体の多結晶
体を原料として装填し、さらに容器下部に種子結晶を取
り付け、多結晶体を溶融して種子結晶に接触させて種子
付けを行ない、予め設定してある温度勾配を有する領域
において円筒容器を下方に移動することにより溶融状態
の多結晶体を下方から冷却凝固して単結晶を成長させる
方法である。また、垂直温度勾配凝固法は、垂直ブリッ
ジマン法と同様にして種子付けを行ない、円筒容器を固
定し、ヒーターに印加する電力を調節して温度勾配を有
する領域の温度分布を移動させることにより溶融状態の
多結晶体を下方から冷却凝固して単結晶を成長させる方
法である。

【０００３】垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝
固法による化合物半導体単結晶成長法において、得られ
る化合物半導体単結晶の品質を向上させるためには、固
液界面形状の制御が重要である。具体的には、固液界面
形状を平坦もしくは水平面に対して上向きに凸状にする
ことが重要である。この固液界面形状は、溶融状態の多
結晶体からの結晶成長における化合物半導体材料中の熱
の流れに大きく依存する。具体的には、固液界面形状
は、円筒容器の径方向における温度分布によりほぼ決定
される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、垂直ブ
リッジマン法、垂直温度勾配凝固法は、いずれも円筒容
器内で凝固させる方法であり、ほとんどの場合、円筒容
器は密閉系内に設置される。このため、円筒容器内の溶
融状態の化合物半導体材料における熱の流れは、円筒容
器の側面方向に支配的になる。したがって、円筒容器の
径方向における温度分布は、熱が円筒容器の側面方向に
流れ易く、容器中央部分で逃げにくいので、円筒容器周
辺が低く、中央部が高くなる。その結果、固液界面形状
が水平面に対して下向きに凸状となる。従来の方法にお
いて、円筒容器の軸方向（鉛直方向）の流れを強調し、
径方向の流れを抑制して、径方向の温度分布を円筒容器
周辺が高く、中央部が低く変えること、すなわち固液界
面形状を水平面に対して上向きに凸状にすることは困難
である。特に、大口径の化合物半導体単結晶を得る場合
には困難である。この結果、従来の方法では、その熱の
流れに起因する温度変動が充分に抑止できず、得られる
化合物半導体単結晶に欠陥等が生じ、品質が低下すると
いう問題点がある。

【０００５】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、熱の流れに起因する温度変動を抑制して品質の高
い化合物半導体単結晶を歩留りよく得ることができる化
合物半導体単結晶の成長方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、円筒容器に化
合物半導体材料を装填し、前記円筒容器下部に種子結晶
を配置し、前記化合物半導体材料を溶融し、溶融状態の
化合物半導体材料を下方から徐々に冷却して単結晶を成
長させる化合物半導体単結晶の成長方法において、溶融
状態の前記化合物半導体材料中に前記化合物半導体材料
より高い熱伝導率を有する物質を収容した管状体を浸漬
し、前記管状体の下端部と化合物半導体材料の固液界面
との距離を一定に保持しながら成長を行うことを特徴と
する化合物半導体単結晶の成長方法を提供する。

【０００７】本発明においては、前記管状体に前記物質
の温度を検知する温度検知手段を設置し、前記温度検知
手段により得られた温度情報に基づいて、前記管状体の
下端部と化合物半導体材料の固液界面との距離を一定に
保持するように前記管状体を移動させながら成長を行う
ことが好ましい。

【０００８】ここで、化合物半導体材料としては、Ｇａ
Ａｓ、ＩｎＰ等を用いることができる。ＧａＡｓ、Ｉｎ
Ｐ等より高い熱伝導率を有する物質としては、Ｇａ、Ｉ
ｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｐｂまたはこれらの合金を用い
ることができる。管状体の材料としては、ＰＢＮ、ＣＢ
Ｎ、ＡｌＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等を用いることができる。管状
体の形状は特に制限はなく、高熱伝導率物質を収容で
き、しかも溶融状態の化合物半導体材料中に浸漬できる
程度の長さを有するものであればよい。

【０００９】単結晶を成長させる方式としては、垂直ブ
リッジマン法または垂直温度勾配凝固法等を採用するこ
とができる。

【００１０】管状体の下端部と化合物半導体材料の固液
界面との距離を一定に保持する方法としては、上軸で懸
架する方式等が挙げられる。

【００１１】管状体に収容された物質の温度を検知する
ための温度検知手段としては、Ｗ−Ｒｅ、Ｐｔ−Ｒｈ、
Ｉｒ−Ｒｈ等からなる熱電対、サファイアファイバ等を
用いた光学的温度測定法等を用いることができる。な
お、温度検知手段を制御手段に接続し、さらに、上軸懸
架する駆動部と制御手段とを接続することにより、管状
体に収容された物質の温度を監視しながら、管状体の下
端部と化合物半導体材料の固液界面との距離を一定に保
持するように管状体を移動させることができる。この場
合、化合物半導体融液の温度も監視してその情報を制御
手段にフィードバックすることが好ましい。

【００１２】

【作用】本発明の化合物半導体単結晶の成長方法は、溶
融状態の前記化合物半導体材料中に前記化合物半導体材
料より高い熱伝導率を有する物質を収容した管状体を浸
漬し、管状体の下端部と化合物半導体材料の固液界面と
の距離を一定に保持しながら成長を行うことを特徴とし
ている。

【００１３】化合物半導体材料より高い熱伝導率を有す
る物質を収容した管状体を溶融状態の化合物半導体材料
中に浸漬させることにより、溶融状態の化合物半導体原
料が固化する際に発生する潜熱が管状体に伝導される。
したがって、熱の流れが成長軸に対して垂直方向（円筒
容器の径方向）には抑えられ、成長軸方向のみとなる。
したがって、容器中央部分で逃げにくい熱が成長軸方向
に流れ易くなり、固液界面形状が平坦もしくは水平面に
対して上向きに凸状となる。その結果、品質の高い化合
物半導体単結晶を歩留りよく得ることができる。

【００１４】また、管状体内において、溶融状態の高熱
伝導率物質は、管状体下方において加熱され、浮力対流
により上昇し、上方において冷却され、再び下方に下降
する。このように管状体がヒートパイプ効果を発揮する
ことにより、効果的に熱の流れを成長軸方向に向ける。

【００１５】さらに、本発明において、管状体に温度検
知手段を設置し、温度検知手段により得られた温度情報
に基づいて、管状体の下端部と化合物半導体材料の固液
界面との距離を一定に保持するように管状体を移動させ
ながら成長を行うことを特徴としている。

【００１６】温度検知手段により管状体に収容された物
質の温度を監視することにより、化合物半導体融液の温
度を確認することができ、これにより、固液界面位置を
推定することができる。したがって、この固液界面位置
の情報に基づいて管状体を上下に移動させることによ
り、管状体の下端部と化合物半導体材料の固液界面との
距離をより正確に一定に保持することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て具体的に説明する。

【００１８】実施例１ 図１は本発明の化合物半導体単結晶の成長方法に用いる
成長装置の一実施例を示す概略図である。図中１０は例
えば外径１０２mmのＰＢＮルツボを示す。ＰＢＮルツボ
１０内には化合物半導体原料１１が収容されており、化
合物半導体原料１１上には液体封止のためにＢ₂ Ｏ₃ １
２が供給されている。ＰＢＮルツボ１０の下部には、種
子結晶収容部１０ａが形成されており、その内部には種
子結晶１３が収容されている。なお、図中１４は成長し
た化合物半導体単結晶を示す。

【００１９】ＰＢＮルツボ１０は、ルツボ支持部材１５
内に設置されている。ルツボ支持部材１５の内面は、Ｐ
ＢＮルツボ１０の外面と対応するように加工されてい
る。ルツボ支持部材１５は、熱電対１６を備えたルツボ
支持軸１７上に載置されている。ルツボ支持軸１７は、
昇降手段（図示せず）に連結されており、ルツボ支持部
材１５を昇降できるようになっている。ルツボ支持部材
１５の外側には、ヒータ１８が配置されている。このヒ
ータ１８は制御手段（図示せず）に接続されており、印
加電力を制御することにより温度制御できるようになっ
ている。

【００２０】溶融状態の化合物半導体原料１１には、例
えば外径２０mmのＰＢＮ製の熱伝導用パイプ１９が浸漬
されている。熱伝導用パイプ１９内には、液状の金属２
０が収容されている。熱伝導用パイプ１９の上端は、パ
イプ支持部材２１により支持されている。このパイプ支
持部材２１は、昇降手段（図示せず）により昇降可能に
なっている。さらに、全体が減圧可能な高圧容器１内に
収容されている。なお、ルツボ支持部材１５およびパイ
プ支持部材２１は、それぞれ高圧容器１の底面および上
面を貫通するように配置されている。

【００２１】次に、このような構成を有する成長装置を
用いて化合物半導体単結晶を成長させた実験例について
説明する。

【００２２】まず、ＰＢＮルツボ１０内に化合物半導体
原料１１としてＧａＡｓを約７kgを装填し、その上に液
体封止剤としてＢ₂ Ｏ₃ １２を約３００ｇ投入した。次
いで、高圧容器１内の残留気体を除去するため、高圧容
器１内を真空排気し、ＡｒまたはＮ₂ ガス等の不活性ガ
スを導入して内部の圧力を数気圧〜２０気圧の範囲にし
た。

【００２３】次いで、ヒーター１８に電力を印加するこ
とによりＢ₂ Ｏ₃ １２およびＧａＡｓを溶融した。この
とき、種子結晶１３の下部を溶融させないようにするた
め、下部のヒーターに印加する電力を低くした。また、
上部および中部のヒーターに印加する電力を制御するこ
とにより、ＧａＡｓの鉛直方向における温度勾配を設定
した。

【００２４】ＧａＡｓを溶融した後、熱伝導用パイプ１
９内にＧａＡｓよりも熱伝導率が高い材料であるＧａを
装填し、パイプ支持軸２１を下降させることにより熱伝
導用パイプ１９を溶融状態の化合物半導体原料１１中に
徐々に浸漬し、固液界面と熱伝導用パイプ１９の下面と
の距離Ｌを約１０mmとした。

【００２５】次いで、種子結晶１３の上端部と溶融状態
の化合物半導体原料１１との接触部分の温度がＧａＡｓ
の融点の温度であり、その接触部分から上方に向かって
徐々に高くなるような、図２に示す鉛直方向（成長軸方
向）の温度分布をヒーター１８を制御することにより設
定した。このようにして種子付けを終了した後、上記の
温度分布形状を保持したまま、ルツボ支持軸１７を下降
させることによりＰＢＮルツボ１０を速度１０mm／hrで
下方に移動することにより、溶融状態のＧａＡｓを下方
から凝固させた。このとき、距離Ｌが前記設定された値
に保持されるように、ＰＢＮルツボ１０の移動に合わせ
てパイプ支持軸２１を下降させて熱伝導用パイプ１９を
下方に移動した。このようにしてＧａＡｓ単結晶１４が
上方に向って成長した。

【００２６】熱伝導用パイプ１９はＰＢＮ製であるの
で、その熱伝導率は８０（Ｗ／ｍ・ｋ）と高く、金属Ｇ
ａの熱伝導率も４０（ｗ／ｍ・ｋ）と高い。このように
熱伝導用パイプ部分はＧａＡｓの熱伝導率１４〜１８
（ｗ／ｍ・ｋ）よりも高いので、ＰＢＮルツボ１０の熱
伝導用パイプ近傍、すなわち中央部において効果的に上
方に向う熱流が促進される。その結果、固液界面形状が
平坦もしくは水平面に対して上向きに凸状となる。

【００２７】なお、固液界面形状が平坦もしくは水平面
に対して上向きに凸状にする場合、凸状の程度は、距離
Ｌ、熱伝導用パイプの断面積および長さ、並びに液状の
金属の種類を変更することにより制御できる。

【００２８】その後、得られたＧａＡｓ単結晶をＰＢＮ
ルツボ１０より取り出し、これを成長方向に対して平行
な方向に切断し、その切断面を研磨し、これにエッチン
グを施して固液界面形状を露呈させた。このとき、固液
界面形状は平坦であった。

【００２９】また、上記構成を有する成長装置を用いて
距離Ｌ並びに熱伝導用パイプの断面積を変更してＧａＡ
ｓ単結晶を成長させたところ、固液界面形状の凸状の程
度が距離Ｌ並びに熱伝導用パイプの断面積と一定の相関
関係を有していることが確認された。

【００３０】実施例２ 図３は本発明の化合物半導体単結晶の成長方法に用いる
成長装置の他の実施例を示す概略図である。なお、図３
において、図１と同一部位については図１と同じ符号を
付して説明を省略する。

【００３１】管状体１９に収容されている液状の金属２
０内には、ＰＢＮ製の保護パイプ２２が浸漬されてお
り、この保護パイプ２２内には、Ｗ−Ｒｅ熱電対２３が
挿入されている。この熱電対２３は、装置外に設置され
た制御手段２４に電気的に接続されている。また、この
制御手段２４は、パイプ支持部材２１を上下方向に移動
させる駆動部（図示せず）にも電気的に接続されてい
る。さらに、この制御手段２４は、ルツボ支持軸１７の
熱電対１６にも電気的に接続されている。

【００３２】上記構成を有する成長装置を用いて化合物
半導体単結晶の成長を行う場合、あらかじめ図２に示す
固液界面直上の温度分布の情報を制御手段２４にメモリ
させておく。成長を開始したとき、熱電対２３により管
状体１９の下端部の温度を監視し、熱電対１６により化
合物半導体融液温度を監視する。この管状体１９の下端
部温度の情報および化合物半導体融液温度の情報は制御
手段２４に送られ、そこであらかじめメモリされた温度
分布の情報と照合しながらパイプ支持部材２１を移動さ
せる信号を駆動部に送信する。この信号に基づいてパイ
プ支持部材２１を上下方向に移動させる。

【００３３】このようにすることにより、管状体の下端
部と化合物半導体材料の固液界面との距離をより正確に
一定に保持しつつ、固液界面直上の温度分布を維持し
て、より正確に熱の流れに起因する温度変動を抑制する
ことができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明した如く本発明の化合物半導体
単結晶の成長方法は、溶融状態の化合物半導体材料中に
それより高い熱伝導率を有する物質を収容した管状体を
浸漬し、管状体の下端部と化合物半導体材料の固液界面
との距離を一定に保持しながら成長を行うので、熱の流
れに起因する温度変動を抑制して結晶欠陥の少ない品質
の高い化合物半導体単結晶を歩留りよく得ることができ
るものであり、大口径や長尺の化合物半導体単結晶に対
応できるものであり、生産性の向上にも寄与するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の化合物半導体単結晶の成長装置の一実
施例を示す概略図。

【図２】図１に示す成長装置の軸方向の位置と温度との
関係を示すグラフ。

【図３】本発明の化合物半導体単結晶の成長装置の他の
実施例を示す概略図。

【符号の説明】

１０…ＰＢＮルツボ、１０ａ…種子結晶収容部、１１…
化合物半導体原料、１２…Ｂ₂ Ｏ₃ 融液、１３…種子結
晶、１４…成長した化合物半導体単結晶、１５…ルツボ
支持部材、１６，２３…熱電対、１７…ルツボ支持軸、
１８…ヒータ、１９…熱伝導用パイプ、２０…液状の金
属、２１…パイプ支持部材、２２…保護パイプ、２４…
制御手段。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒容器に化合物半導体材料を装填し、
   前記円筒容器下部に種子結晶を配置し、前記化合物半導
   体材料を溶融し、溶融状態の化合物半導体材料を下方か
   ら徐々に冷却して単結晶を成長させる化合物半導体単結
   晶の成長方法において、溶融状態の前記化合物半導体材
   料中に前記化合物半導体材料より高い熱伝導率を有する
   物質を収容した管状体を浸漬し、前記管状体の下端部と
   化合物半導体材料の固液界面との距離を一定に保持しな
   がら成長を行うことを特徴とする化合物半導体単結晶の
   成長方法。
2. 【請求項２】 前記管状体に前記物質の温度を検知する
   温度検知手段を設置し、前記温度検知手段により得られ
   た温度情報に基づいて、前記管状体の下端部と化合物半
   導体材料の固液界面との距離を一定に保持するように前
   記管状体を移動させながら成長を行う請求項１記載の化
   合物半導体単結晶の成長方法。