JPH0729873B2 - 規則構造をもつ共晶合金系バルク半導体の製造方法 - Google Patents
規則構造をもつ共晶合金系バルク半導体の製造方法Info
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- JPH0729873B2 JPH0729873B2 JP13807886A JP13807886A JPH0729873B2 JP H0729873 B2 JPH0729873 B2 JP H0729873B2 JP 13807886 A JP13807886 A JP 13807886A JP 13807886 A JP13807886 A JP 13807886A JP H0729873 B2 JPH0729873 B2 JP H0729873B2
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- Japan
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- crystal
- eutectic alloy
- gaas
- semiconductor
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- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はヘテロ接合を有する層状または柱状の規則構造
を有する半導体に関する。
を有する半導体に関する。
Ag−Ge,Al−Zn,Al−Cuなどの金属共晶合金では各金属を
層状あるいは柱状に析出させて材料の強化に応用してい
る（例えばジェー・クリスタルグロース第50巻第720〜7
28頁、1980年（J.Crystal Growth,Vol.50（1980）720〜
728）参照）。しかし半導体共晶合金からかかる規則構
造を形成する試みは現在まで皆無である。超薄膜半導体
の層状構造は超格子として非線形伝導や共鳴現象など種
々の量子効果の半導体デバイスへの応用が期待されてお
り、MBE（Molecular Beam Epitaxy）、MOCVD（Metal−O
rganic Chemical Vapor Deposition）などの薄膜形成技
術を利用した研究が進められている（ジエー・クリスタ
ル グロース，第65巻第439〜443頁、1983年（J.Crysta
l Growth,Vol.65（1983）439〜443）およびジエー・ク
リスタル グロース、第46巻第172〜178頁、1979年（J.
Crystal Growth.Vol.46（1979）172〜178）参照）。
層状あるいは柱状に析出させて材料の強化に応用してい
る（例えばジェー・クリスタルグロース第50巻第720〜7
28頁、1980年（J.Crystal Growth,Vol.50（1980）720〜
728）参照）。しかし半導体共晶合金からかかる規則構
造を形成する試みは現在まで皆無である。超薄膜半導体
の層状構造は超格子として非線形伝導や共鳴現象など種
々の量子効果の半導体デバイスへの応用が期待されてお
り、MBE（Molecular Beam Epitaxy）、MOCVD（Metal−O
rganic Chemical Vapor Deposition）などの薄膜形成技
術を利用した研究が進められている（ジエー・クリスタ
ル グロース，第65巻第439〜443頁、1983年（J.Crysta
l Growth,Vol.65（1983）439〜443）およびジエー・ク
リスタル グロース、第46巻第172〜178頁、1979年（J.
Crystal Growth.Vol.46（1979）172〜178）参照）。
第３図はGaAs−Ge共晶系の相図である。一例として第４
図に模式的に示した共晶体（GaAs15モル％）とGe種結晶
を接合し、共晶体の溶融温度（約860℃）以上に保つた
後Ge種結晶側から冷却してゆくGe種結晶上に共晶体の融
液からGe結晶が析出し始める。このときGe結晶が析出し
ている近傍の融液の組成はGaAs側に傾き、融液の冷却に
よつてGaAs結晶が析出するための臨界状態に達しGaAs結
晶が析出して来る。層状の構造はこの結晶析出による、
融液組成の周期的変動に基づいている。ところで実際に
は通常の手法でかかる操作を行なうと、融液の対流など
自然に発生する小さな熱ゆらぎが原因となつて結晶核の
創成、結晶の析出が局所的に進み規則性の低い構造が出
現してしまう。
図に模式的に示した共晶体（GaAs15モル％）とGe種結晶
を接合し、共晶体の溶融温度（約860℃）以上に保つた
後Ge種結晶側から冷却してゆくGe種結晶上に共晶体の融
液からGe結晶が析出し始める。このときGe結晶が析出し
ている近傍の融液の組成はGaAs側に傾き、融液の冷却に
よつてGaAs結晶が析出するための臨界状態に達しGaAs結
晶が析出して来る。層状の構造はこの結晶析出による、
融液組成の周期的変動に基づいている。ところで実際に
は通常の手法でかかる操作を行なうと、融液の対流など
自然に発生する小さな熱ゆらぎが原因となつて結晶核の
創成、結晶の析出が局所的に進み規則性の低い構造が出
現してしまう。
本発明の目的は局所的な熱ゆらぎを抑制することによ
り、ヘテロ接合した半導体の規則構造を実現することに
ある。
り、ヘテロ接合した半導体の規則構造を実現することに
ある。
上記目的は無重力を利用して熱変動を抑制することによ
り達成される。
り達成される。
熱変動の原因としては温度差と重力によつて生ずる熱
対流融液の自由表面に沿つて温度差または濃度差が存
在する場合、表面張力の差によつて生じる流れ（マラン
ゴニー対流）確率的に生起する物理現象に基づく物理
量が平均値近くで変動することによるゆらぎ、がある。
は物理的本質に関わり回避することができない。また
は熱平衝状態に近づけることによつてその影響を小さ
くし得る。本発明は無重力を利用しての熱対流を抑制
し均質な結晶析出を促進するとともに周期性の良い規則
形状のヘテロ接合半導体を形成するものである。
対流融液の自由表面に沿つて温度差または濃度差が存
在する場合、表面張力の差によつて生じる流れ（マラン
ゴニー対流）確率的に生起する物理現象に基づく物理
量が平均値近くで変動することによるゆらぎ、がある。
は物理的本質に関わり回避することができない。また
は熱平衝状態に近づけることによつてその影響を小さ
くし得る。本発明は無重力を利用しての熱対流を抑制
し均質な結晶析出を促進するとともに周期性の良い規則
形状のヘテロ接合半導体を形成するものである。
無重力下で結晶合成をする際には溶融による外形状の変
化に留意する必要がある。すなわち液体状態での外形状
は無重力下においては主に表面張力を最小にするために
球形状になり易い。所望の外形状をした規則状構造半導
体を得るには、共晶合金に接合した種結晶により共晶
合金の融液形状を規定する方法と所望形状をしたアン
プルに封入する方法がある。第１図（ａ）は一方向凝固
の方向の両端に種結晶を配し、共晶合金を挾み込んだ種
結晶を固定して溶融したときの共晶合金を引張ることに
よつてその形成を保持する方法の模式図である。同様に
第１図（ｂ）は一方向凝固の方向に沿つて種結晶を配置
したものであり、第１図（ａ）および（ｂ）は上記の
方法に属する。第４図は上記の方法を示す模式図であ
る。この方法は10-1G以下の無重力下での結晶合成に際
して得られた空間を有効に利用できるが一方向凝固の条
件が保たれなくなつた場合は、析出結晶内部に共晶合金
の融液が残され、この融液が固化するときの体積膨張に
よりアンプルおよび析出結晶を破壊するので注意する必
要がある。
化に留意する必要がある。すなわち液体状態での外形状
は無重力下においては主に表面張力を最小にするために
球形状になり易い。所望の外形状をした規則状構造半導
体を得るには、共晶合金に接合した種結晶により共晶
合金の融液形状を規定する方法と所望形状をしたアン
プルに封入する方法がある。第１図（ａ）は一方向凝固
の方向の両端に種結晶を配し、共晶合金を挾み込んだ種
結晶を固定して溶融したときの共晶合金を引張ることに
よつてその形成を保持する方法の模式図である。同様に
第１図（ｂ）は一方向凝固の方向に沿つて種結晶を配置
したものであり、第１図（ａ）および（ｂ）は上記の
方法に属する。第４図は上記の方法を示す模式図であ
る。この方法は10-1G以下の無重力下での結晶合成に際
して得られた空間を有効に利用できるが一方向凝固の条
件が保たれなくなつた場合は、析出結晶内部に共晶合金
の融液が残され、この融液が固化するときの体積膨張に
よりアンプルおよび析出結晶を破壊するので注意する必
要がある。
なお、本発明は、人工衛星上、急降下する航空機上な
ど、周知の無重力下において実施できることは云うまで
もない。
ど、周知の無重力下において実施できることは云うまで
もない。
以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。
実施例１ 第２図（ａ）に示した、石英製真空アンプル内に封入し
たGaAs種結晶（41あるいは42）およびGe種結晶（42ある
いは41）とGaAs−Ge共晶合金43（GaAs15モル％）の接合
試料を第２図（ｃ）のような温度勾配を有する小形の電
気炉46（第２図（ｂ））で接合部分の温度T0が860℃以
上になるように加熱し、共晶合金63を溶融した。溶融10
分から１時間後に徐々に冷却し、種結晶41,42側から結
晶を析出させその組織構造を観察した。得られた組織構
造は種結晶に平行な縞状の結晶相（GaAs,Ge結晶あるい
はGaAs−Geの混合結晶）であつた。温度勾配と冷却速度
を変えて実験した結果、（１）温度勾配を大きくすると
縞状の規則性すなわち縞の周期性が良くなる、（２）冷
却速度を大きくすると縞間隔が細かくなる、ことが分つ
た。
たGaAs種結晶（41あるいは42）およびGe種結晶（42ある
いは41）とGaAs−Ge共晶合金43（GaAs15モル％）の接合
試料を第２図（ｃ）のような温度勾配を有する小形の電
気炉46（第２図（ｂ））で接合部分の温度T0が860℃以
上になるように加熱し、共晶合金63を溶融した。溶融10
分から１時間後に徐々に冷却し、種結晶41,42側から結
晶を析出させその組織構造を観察した。得られた組織構
造は種結晶に平行な縞状の結晶相（GaAs,Ge結晶あるい
はGaAs−Geの混合結晶）であつた。温度勾配と冷却速度
を変えて実験した結果、（１）温度勾配を大きくすると
縞状の規則性すなわち縞の周期性が良くなる、（２）冷
却速度を大きくすると縞間隔が細かくなる、ことが分つ
た。
次に同様な試料および電気炉を用い、約30mからの自由
落下による無重力状態を利用して結晶析出の実験を行な
つた。無重力にある時間（２〜３秒）を考慮し、温度勾
配を10〜20℃/cm、冷却速度200〜400℃／分で実験を行
ない無重力下で結晶析出が行なわれた種結晶近傍（２〜
10mm）での組織構造を調べた結果、地上での同一条件に
おける結果と比べ縞状構造の周期性に著しい改善が観ら
れた。
落下による無重力状態を利用して結晶析出の実験を行な
つた。無重力にある時間（２〜３秒）を考慮し、温度勾
配を10〜20℃/cm、冷却速度200〜400℃／分で実験を行
ない無重力下で結晶析出が行なわれた種結晶近傍（２〜
10mm）での組織構造を調べた結果、地上での同一条件に
おける結果と比べ縞状構造の周期性に著しい改善が観ら
れた。
例えば定量的には温度勾配10℃/cm、冷却速度400℃／分
の場合Ge層２μｍ、GaAs層0.4μｍの比較的周期性の良
い層状構造が得られた。この周期性は地上の実験におけ
る温度勾配100℃/cm（冷却速度200〜400℃／分に対して
Ge層20〜40μｍ）で得られる規則性に相当し、地上の実
験条件にして約１桁の改善効果が得られた。
の場合Ge層２μｍ、GaAs層0.4μｍの比較的周期性の良
い層状構造が得られた。この周期性は地上の実験におけ
る温度勾配100℃/cm（冷却速度200〜400℃／分に対して
Ge層20〜40μｍ）で得られる規則性に相当し、地上の実
験条件にして約１桁の改善効果が得られた。
以上の結果をまとめると、一方向凝固させたときの結晶
析出面の移動速度が速くなると規則形状の周期は短く微
細なヘテロ接合層が得られるが、そのときの熱変動の影
響により周期の規則性が悪くなる。逆に結晶析出面の移
動速度を遅くすると規則性は向上するが周期構造の微細
化が困難になる。無重力による熱変動の抑制は地上にお
いて実現困難な微細構造を規則性良く実現する顕著な効
果を有する。
析出面の移動速度が速くなると規則形状の周期は短く微
細なヘテロ接合層が得られるが、そのときの熱変動の影
響により周期の規則性が悪くなる。逆に結晶析出面の移
動速度を遅くすると規則性は向上するが周期構造の微細
化が困難になる。無重力による熱変動の抑制は地上にお
いて実現困難な微細構造を規則性良く実現する顕著な効
果を有する。
実施例２ 実施例１と同様の方法で第１図（ｂ）のような種結晶を
配し一方向凝固を行なつた。得られた組織構造は種結晶
に平行となり、基本的な傾向、すなわち温度勾配、冷却
速度に対する規則形状構造の周期安定性と微細化のよう
すは実施例１と同様であつた。但しこの場合は、Ge結晶
とGaAs結晶の結晶化の難易（この系ではGeの方が結晶化
が容易）や結晶化初期の規則構造にその後の結晶析出構
造が影響され易く、実施例１のような種結晶の配置（す
なわち冷却方向に直交配置した種結晶の存在およびその
形状、例えば所望周期のGaAs,Ge層状構造の種結晶の採
用）が重要になることが分つた。第１図（ｂ）の試料構
成においても無重力は規則性を改善する顕著な効果を示
した。
配し一方向凝固を行なつた。得られた組織構造は種結晶
に平行となり、基本的な傾向、すなわち温度勾配、冷却
速度に対する規則形状構造の周期安定性と微細化のよう
すは実施例１と同様であつた。但しこの場合は、Ge結晶
とGaAs結晶の結晶化の難易（この系ではGeの方が結晶化
が容易）や結晶化初期の規則構造にその後の結晶析出構
造が影響され易く、実施例１のような種結晶の配置（す
なわち冷却方向に直交配置した種結晶の存在およびその
形状、例えば所望周期のGaAs,Ge層状構造の種結晶の採
用）が重要になることが分つた。第１図（ｂ）の試料構
成においても無重力は規則性を改善する顕著な効果を示
した。
以上GaAs−Ge系を例として本発明を開示したが本発明の
効果はこの系に限定されず、Si−GaAs,Si−GaP,GaAs−Z
nSe,Ge−AlAs等格子定数の近いIV,III−V,II−VI半導体
相互の共晶合金系に適用できることは、ここで述べた実
験結果およびその原理説明から明らかである。
効果はこの系に限定されず、Si−GaAs,Si−GaP,GaAs−Z
nSe,Ge−AlAs等格子定数の近いIV,III−V,II−VI半導体
相互の共晶合金系に適用できることは、ここで述べた実
験結果およびその原理説明から明らかである。
本発明に含まれる半導体規則形状構造は従来のエピタキ
シアル成長層を一層ずつ多層に重畳した層状構造と比
べ、 （１） 多層を一度の操作で積層できるため生産性が高
い （２） 液相からの結晶成長であるため結晶性が良いな
どの特徴を有し、本発明は上記特徴を有する規則構造を
高精度に作製するための方法を提供し、規則構造の周期
安定性あるいはその微細化を著しく改善する（約１
桁）。
シアル成長層を一層ずつ多層に重畳した層状構造と比
べ、 （１） 多層を一度の操作で積層できるため生産性が高
い （２） 液相からの結晶成長であるため結晶性が良いな
どの特徴を有し、本発明は上記特徴を有する規則構造を
高精度に作製するための方法を提供し、規則構造の周期
安定性あるいはその微細化を著しく改善する（約１
桁）。
第１図は種結晶と共晶合金との接合構成例、第２図
（ａ）は実施例１に用いたアンプル（試料）の構造図、
（ｂ）はその実験図、（ｃ）は電気炉の温度分布を示す
図、第３図はGaAs−Ge系の平衡状態図、第４図は規則構
造半導体の従来の作製方法の一例を示した図である。 21……Ge（あるいはGaAs種結晶）、22……析出Ge（ある
いはGaAs）結晶、23……Ge結晶、24……GaAs−Ge共晶合
金、25,42……石英製アンプル、31,43……GaAs−Ge共晶
合金、32,33,41,42……種結晶（GeあるいはGaAs）、44
……隔壁、45……緩しよう材、46……電気炉。
（ａ）は実施例１に用いたアンプル（試料）の構造図、
（ｂ）はその実験図、（ｃ）は電気炉の温度分布を示す
図、第３図はGaAs−Ge系の平衡状態図、第４図は規則構
造半導体の従来の作製方法の一例を示した図である。 21……Ge（あるいはGaAs種結晶）、22……析出Ge（ある
いはGaAs）結晶、23……Ge結晶、24……GaAs−Ge共晶合
金、25,42……石英製アンプル、31,43……GaAs−Ge共晶
合金、32,33,41,42……種結晶（GeあるいはGaAs）、44
……隔壁、45……緩しよう材、46……電気炉。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 窪田 重雄 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 加藤 重雄 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (1)
- 【請求項１】互いに全率固溶し合わない少なくとも２種
類以上の半導体物質が該各半導体物質１種類または２種
類以上の共晶組成で層状もしくは柱状に規則配列した共
晶合金系半導体の規則構造の製造方法において、10-1G
以下の無重力下で該共晶合金系半導体の均一融液の温度
を徐々に下げ方向性凝固させることを特徴とする規則構
造をもつ共晶合金系バルク半導体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13807886A JPH0729873B2 (ja) | 1986-06-16 | 1986-06-16 | 規則構造をもつ共晶合金系バルク半導体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13807886A JPH0729873B2 (ja) | 1986-06-16 | 1986-06-16 | 規則構造をもつ共晶合金系バルク半導体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62297294A JPS62297294A (ja) | 1987-12-24 |
| JPH0729873B2 true JPH0729873B2 (ja) | 1995-04-05 |
Family
ID=15213441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13807886A Expired - Lifetime JPH0729873B2 (ja) | 1986-06-16 | 1986-06-16 | 規則構造をもつ共晶合金系バルク半導体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0729873B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03254832A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-13 | Japan Steel Works Ltd:The | 微重力落下カプセル |
| JPH03254833A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-13 | Japan Steel Works Ltd:The | 微重力落下カプセル |
| JPH03254831A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-13 | Japan Steel Works Ltd:The | 微重力落下カプセル |
| CN105586502B (zh) * | 2015-12-24 | 2017-08-25 | 中国计量科学研究院 | 一种基于金属碳共晶体或包晶体的高温固定点制备方法和制备装置 |
-
1986
- 1986-06-16 JP JP13807886A patent/JPH0729873B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62297294A (ja) | 1987-12-24 |
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