JPS6136196A

JPS6136196A - ＧａＡｓ単結晶及びその製造方法

Info

Publication number: JPS6136196A
Application number: JP15676284A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yamanaka; 秀記山中; Yasuo Tsukuda; 佃　康夫
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1984-07-27
Filing date: 1984-07-27
Publication date: 1986-02-20

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、安定な半絶縁性基板となり得る低転位半絶縁
性ＧａＡｓ半導体単結晶、及びかがる単結晶をインジウ
ム及び窒素をダブルドーピングすることによって製造す
る方法に関するものである。

〔従来の技術〕′ 液体封止引上法（」０法〕により製造されたＧａＡｓ半
導体単結晶については、現在２′φ、３″φの直径をも
つ（１００）ウェー八が市販されている。しかし、これ
らの単結晶はＳｌに比べて高温での機械的強度が小さく
、断面積５ｃｒｎ２以上でかつ転位密度（ＥＰＤ）≦２
０００ｃＩｎ−２の単結晶を工業的に安定に生産するこ
とは困難である。ＥＦＤ　≦２　ｏｏｃｍ−”のいわゆ
る無転位クラスの大型単結晶は三温度帯水平ブリッジマ
ン（ＨＩ３）法を用い、Ｓｉ乞Ｌ５Ｘ１０１８〜５．５
ＸＩＯ１８（１）−３ドープしたＧａＡａ結晶において
のみ得られる。

転位と半絶縁性ＧａＡｓ半導体単結晶を用いたデバイス
（１０）の歩留、安定性との相関関係は、充分に解明さ
れていないが、より一層の安定したデバイスを得るには
、大型円形の低転位半絶縁性ＧａＡｓ半導体単結晶の要
請が強くなった。

低転位ＧａＡｓ半導体単結晶を得るには、（ａ）固液界
面近傍の温度勾配を小さくすること、（ｂ）固液界面の
形状が水平または、メルトに対して凸であること、（Ｃ
）ネッキングの技術が重要であることは、１０００年半
ば頃からよく知られている。しかしながら、これらの条
件を満たすことは、非常に難しく、制御しにくい。

ＬＥＯ法によるＧａＡ　ｓ低転位化技術についてはＧａ
ＡｓにＳやＴｅヲドーピングすることにより、比較的容
易に低転位が得られることが報造された。いわゆる「不
純物硬化法」が特に有望視されている。更にＮ　ＧａＡ
ｓ中に添加すべき不純物の具体例として燐。

（Ｐ）、アルミニウム０．１）、酸素（０）、窒素（Ｎ
）、硼素（Ｂ）硫黄（Ｓ）、亜鉛（Ｚｎ）が提案されて
いる。しかし、ＳｉＳ、５ｅＳＴｏＳＺｎ等ＹＧａＡｓ
にドープする場合、まだ半絶縁性のものが得られていな
い。

ＧａＡｓに対して電気的に中性な■族元素、Ｖ族元素の
不純物Ｚ添加して、半絶縁性単結晶を作成する研究がジ
ー・ヤコプ（Ｇ、　Ｊａｃｏｂ　）等によって行われて
いる。（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　０ｒ７ｓｔａｌ　Ｇｒ
ｏｗｔｈ　６１（１９８３）４１７）。彼らは、Ｉ”　
、Ｓｌ）　ｓ　Ｎ等の各別のドープあるいは、工Ｎ＋Ｓ
ｂのダブルドープを実施しているが、いずれも小口径（
１５〜２０龍）で、かつ、単結晶領域が小さい等の問題
があった。この不純物をドープすることによって低転位
にする技術について、一般的にいえることは、析出物等
の微小欠陥が増加するか、成長方向、および面内に均一
にドープすることが極めて困難で、強いストリエーショ
ンが発生したり、結晶の途中で多結晶になる等の問題が
あり、工業的効果が期待されないことである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

１−Ｖ族化合物半導体単結晶の製造に際し、先述のいわ
ゆる「−不純物硬化法」によって低転位化を実現する方
法では、通常、不純物が１以外の偏析係数を持つため、
不純物を単結晶インゴット内に均一に分布させることが
できない。また、単体の不純物ドープによって、低転位
化を実現するには、高濃度にドープしなければならない
。これらの理由によって、単結晶の歩留り、（大口径、
長尺化）を悪くさせている。また、この半導体に対して
電気的に中性でない元素の不純物添加は半絶縁性をはば
む。

〔問題点を解決するための手段〕本発明は、上記従来技術の欠点な解決するもので、大型
（２＃φ以上）でかつ、低転位の半絶縁性ＧａＡｓの単
結晶を再現性よく実現できる製造方法を提供するもので
ある。

本発明の半絶縁性単結晶は、偏析係数が１以上の中性元
素（窒素）と、偏析係数が１以下の中性元素インジウム
をダブルドープすることによって、インゴットの成長方
向にわたって、不純物濃度ノ総和を均一にし、しかも、
単一のドープ量をできるだけ少量にしたことを特徴とす
るものである。

ドープするＩｎ及びＮ　Ｏ）量は、それぞれ１．０Ｘ１
０１８〜１、ＯＸ　１０２０ｃｒｎ−’の濃度となるよ
うにする。Ｉｎ及びＮの濃度が低いときは低転位化に効
果が少なく１多すぎるときは双晶、多結晶化、ドーパン
トの析出などの問題が生ずる。

〔実施例〕

以下本発明ケ図面を用いて詳細に説明する。第１図は、
液体カプセル引上法により本発明の実施、砒、　　か・例の無転位半絶縁性銅化Ｑ　ＩＪウム単結晶を製造する
装置を示す。

本装置は、耐圧容器ｌ内に設置されたカーボンヒータ２
）カーボンるつぼ３及びｐＢＮるつぼ４を具備する。る
つぼ３は下部駆動部９により上下移動と回転運動ができ
るようになっている。また装置上端には、単結晶シード
を保持したまま上下移動及び回転運動をすることができ
る上部駆動部１０が設けられている。

本発明の方法は次の通り行う。まず、耐圧容器１内に約
５〜〆０気圧の高圧不活性ガスを充満する。

石６化ガリウム及び２化ガリウムに対する偏析係数が１
以上の中性元素（窒素）と偏析係数が１以下の中性元素
（インジウム〕とをＰＢＮるつぼ４内に入れる。窒素は
化合物の形態、例えばＧａＮの形態で添す加きるのが好ましい。各ドープ元素の濃度は１．０×１
０１ｅ〜１．０　ＸＩＯ”　ｃｙｎ−”とし、かつ合計
濃度ハロ×１１０１８ｆ１　’−’以上となるようにす
る。Ａ８の蒸発を防止する目的で酸化ポロン（Ｂ２０３
）を適量加える。

カーボンヒータ２によりるつぼ中の原料を約１２４０°
Ｃ〜約１２８０°Ｃまで加熱し、溶解する。ＧａＡｓの
融液５の上にＢ２Ｏ３の融液層６が形成される。温度を
約り２４０℃〜約１２４５℃まで除々に下げ、上部駆動
く部１０に取り付けた％ｌ　ＯＯ＞方位のＧａＡｓ単結晶
シード８を回転しながら、降下させ、Ｂ２Ｏ３融液層６
ケ貫通してＧａＡｓ融液５に接触させる。次いでＧａＡ
ｓ単結晶シード８を３〜１６回／分の速度で回転させな
がら約２朋〜１０酊／時の速度で引上げる。

かかる方法により得られるＧａＡｓ単結晶はその定径部
が］、５　ｃｍ２以上の断面〔結晶成長方向と垂直〕と
１００１１ＩＩ１以上の長さン有し、単結晶のほぼ全域
にわたって転位密度は１００１００Ｏ”以下であり、さ
らに薄い外層部以外はぼ全域にわたって転位密度は２０
０ｃｍ−”以下である。ざらに中性元素をドープしてい
るため半絶縁性である。

実施例１第１図の装置を用い以下の実験を行った。

２９ｇの９９．９９９９％Ｉｎと、２’１５ｍｇの９９
．９９９％（）ａＮと、水分量１１００ＰＰ以下のＢ２
Ｏ３約２００ｇとを入れた。カーボンと一夕２により１
２７０℃に加熱し、ＧａＡｓ融液５の上にＢ２Ｏ３融液
の層６を形成した。上部駆動部１０に＜１００〉方向に
取付けたＧａＡ３単結晶シード８を回転しながら降下さ
せ、ＧａＡｓ融液層５と接触させた。次いでＧａＡｓ単
結晶シード８を６回／分の速度で回転しながら約６闘／
分の速度で引き上げた。このようにして直径約５２１１
１１、定径部長約１００１１１のＧａＡｓ単結晶７を得
た。このときの固液界面温度勾配は約３５℃／Ｃであっ
た。

この単結晶の前端部、中央部及び後端部から（１００）
ウェーハを切り出し、溶融ＫＯＨによりエツチングｌし
て、エッチビット密度（ＥＰＤ）　’＆測測定た。

結果を第２図に示す。図中（ａ）　（１））及び（Ｃ）
の曲線はそれぞれ前端部、中央部及び後端部のＩＣＰ［
］の面面分布を示す。

ウェーハの周辺５　Ｍｍを除き、前端部、中央部、後端
部のすべてにおいて転位密度は、２００ｍ−”以下であ
った。また、前端部、中央部、後端部にいくにつれて転
位密度が若干、増加していることがわわる。また、これ
らのウェーハについて、リーク電流を測定したところ、
すべて８μλ±０．２μへの面内分布を示した。

質量分析（ＳＳＭＳ　、　Ｓ工ＭＳ　）の結果から、第
１表のように、工ｎ、　Ｎが含まれていることがわかっ
た。

第　　１　　表以上詳述したように、本発明のＩｎ及びＮのダブルドー
ピング法により、成長方向と垂直な断面が１５　ｃｍ２
以上で定径部がｌ　Ｑ　（Ｊｆ＋以上と大型で、転位密
度が１ｏｏｏｃｒｎ−２以下、好ましくは２００ｃｍ−
２以下の半絶縁性就化ガリウム単結晶が得られる。この
ように本発明は、大型円形かつ低転位ＧａＡｓが要求さ
れる半導体レーザ５ＧａＡｓ工０、オプトエレクトロニ
クスＧａＡｓ工０用の安価かつ高品質の単結晶基板の製
造を可能とする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するための装置の概略断面
図であり、第２図は本発明の実施例の低転位半絶縁性名
代ガリウム単結晶の転位密度を示すグラフ（横軸は単結
晶ウェーハの半径方向の距離を示す。）である。１：耐圧容器、２＝カーボンヒータ、３：力−ボンるつ
ぼ、４：ＰＢＮるつぼ、５　：　（＋ａＡｓ融液、６：
Ｂ２Ｏ３融液、７　：ＧａＡｓ単結晶シード、８：下部
駆動部、９：上部駆動部。せ　Ｓ　ミ手続補正書（方式）Ｉｇａ　Ｑ・１２□１９８事件の表示昭和５９年特許願第１５６７６２号発明　の　名　称　ＧａＡｓ単結晶及びその製造方法補
正をする者名　称　　１５０８）　　日立金属株式会社代表者河野
　典夫代　　　理　　　人補正の対象明細書補正の内容明細書の浄１（内容に変更なし）手続補正書昭和　６０年　２月　２０日ｎＲ和５９年　特許願　第１５６７６２号発明の名称　
Ｇａ　Ａｓ単結晶及びその製造方法補正をする者事件との関係　　特許出願人

Claims

【特許請求の範囲】

（１）低転位半絶縁性ＧａＡｓ単結晶であつて、前記Ｇ
ａＡｓに対する偏析係数が１以下のインジウムと、前記
ＧａＡｓに対する偏析係数が１以上の窒素とを含有し、
前記インジウムと窒素との合計濃度が前記単結晶の結晶
成長方向にわたつて６×１０＾１＾８ｃｍ＾−＾３以上
であり、実質的に単結晶全域にわたる転位密度が１００
０ｃｍ＾−＾２以下である単結晶。
（２）特許請求の範囲第１項に記載の単結晶において、
前記インジウムは結晶成長方向に１．０×１０＾１＾８
〜１．０×１０＾２＾０ｃｍ＾−＾３の濃度であり、前
記窒素は結晶成長方向に１．０×１０＾１＾８〜１．０
×１０＾２＾０ｃｍ＾−＾３の濃度であることを特徴と
する単結晶。
（３）特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の単結晶
において、前記転位密度が２００ｃｍ＾−＾２以上であ
ることを特徴とする単結晶。
（４）液体カプセル引上法によつて低転位半絶縁性Ｇａ
Ａｓ単結晶を製造する方法であつて、前記ＧａＡｓに対
する偏析係数が１以下のインジウムと、前記ＧａＡｓに
対する偏析係数が１以上の窒素とを、合計濃度が前記単
結晶の結晶成長方向にわたつて６×１０＾１＾８ｃｍ＾
−＾３以上となるようにドープし、もつて実質的に単結
晶全域にわたる転位密度を１０００ｃｍ＾−＾２以下と
する方法。
（５）特許請求の範囲第４項に記載の方法において、前
記インジウム及び窒素をそれぞれ１．０×１０＾１＾８
〜１．０×１０＾２＾０ｃｍ＾−＾３の濃度となるよう
にドープすることを特徴とする方法。
（６）特許請求の範囲第４項又は第５項に記載の方法に
おいて、窒素をＧａＮとしてドープすることを特徴とす
る方法。
（７）特許請求の範囲第４項乃至第６項のいずれかに記
載の方法において、引上方向を＜１００＞方位とするこ
とを特徴とする方法。