JPS6230700A - 化合物半導体単結晶およびその製造方法 - 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、炭素感度のきわめて低い化合物半導体単結晶
およびこの単結晶を液体封止引上法により製造する方法
に係るもので、ある。

来の　　とその問題点 ■−■族化合物半導体たとえばガリウム砒素（Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ　）単結晶は、電子移動度が大きいので、高速集
積回路、光電子素子等の材料として広く用いられている
が、不純物として含まれる微量の炭素が浅いアクセプタ
ーとなり、電気的に活性を呈してくるので、炭素濃度を
一定値以下に制御することが特に重要である。

この液体封止引上法は２〜３０ｋｇ／ｃｊの窒素または
アルゴン等の不活性ガス加圧雰囲気中で行なわれる。引
上機チャンバー内にはヒーター、遮熱板。

ルツボ等のグラファイト製炉内部品が使用されているが
、グラファイト自体の炭素成分が遊離して直接引上単結
晶中へ混入することはほとんどない。

しかしながら前記炉内部品は、大気中でチャンバー内に
組立てられるため、空気中の酸素や水分を吸着する。チ
ャンバー内は加熱する前に真空引きをし、空気を不活性
ガス（窒素またはアルゴン等）に置換するが、これを繰
り返しても酸素や水分は炉内部品に吸着されたまま残っ
ている。

単結晶を引き上げるためにチャンバー内を加熱し、ヒー
ターの温度が５００℃以上になると、炉内部品の表面や
内部で、酸素および水分と炭素が反応して一酸化炭素（
Ｃ○）が生成するので、チャンバー内のＣＯ濃度は時間
と共に増加し、ｔｏｏ。

ｐｐｍ以下に１時には２５００ｐｐｍにも達することが
ある。

この場合、引き上げられた単結晶の炭素濃度は１．５　
Ｘ　１０”原子数７１３以上となり浅いアクセプターと
して電気的活性の影響が強くなり、高速集積回路素子製
造のデバイス工程での電気特性の制御が困難になるとい
う不利をもたらす。

この際使用したルツボ（石英、ＰＢＮ等）や酸化ホウ素
中の水分量（たとえば含水量が２０００ｐｐｍ、１００
ｐｐｍ等）はＣ○濃度にあまり影響しない。

引上単結晶中の炭素濃度を１．５　Ｘ　１０１ｆ′原子
数／口３以下にするためには、従来の方法では上述のよ
うにチャンネル内のＣ○濃度が時には２５００ｐｐｍに
も達するので好ましくなかったが、本発明はこのＣＯａ
度を一定値以下たとえば１０００ｐｐｍ以下にすること
により単結晶中の炭素濃度を所望値に抑えることができ
るということ、そしてこの具体的な方法として、引上操
作中にチャンネル内の雰囲気ガスを部分的に放出したり
新規ガスを補給することによって達成し得るという発見
に基づいている。そしてこのような加圧引上装置におい
て雰囲気ガスを置換するということは到底考えられない
ことであった。

問題点を解決するための手段 本発明者らは、上記不利にかんがみ鋭意検討を重ねた結
果、単結晶に含まれる炭素濃度を一定以下に制御するこ
とに成功し本発明に到達したものである。

本発明の要旨とするところは、結晶中に含有する炭素濃
度が１．５　Ｘ　１０”原子数／１３以下であることを
特徴とする化合物半導体単結晶であり、また液体封止引
上法によって化合物半導体単結晶を製造するにあたり、
引上機チャンバー内の一酸化炭素の濃度を制御し、引上
単結晶に含有される炭素濃度を１．５　Ｘ　１０１５原
子数／ａ１１３以下にすることを特徴とする化合物半導
体単結晶の製造方法である。

本発明の対象となる化合物半導体とは、■−■族の三元
素以上からなる化合物半導体をいうもので、ＧａＰ、Ｇ
ａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ等が例示される
。

また原料となるものはＧａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｂ等の
単体、およびＧ　ａ　Ａ　ｓ、Ｉ　ｎＡｓ、ＩｎＰ等の
多□結晶で、これらをルツボに入れ引上機にセットする
。引上機は公知のものでよい。

以下に本発明についてさらに詳細に説明する。

化合物半導体Ｑｉ結晶特にＧａＡ、ｓから作られた電界
効果型トランジスタのしきい値電圧は、通常ＧａＡｓ単
結晶棒の長さ方向あるいは断面内において著しく変動し
、極端な場合には±５０％と大幅に変化する欠点があっ
たが、本発明者はこの原因について究明した結果、Ｇ’
ａＡｓ単結晶捧のバルク内の炭素の濃度分布が変動し、
この絶対値の変動が前記しきい値の変動に著しい相関が
あることを知った。従来法による通常のＧ　ａ　Ａ　ｓ
単結晶棒の炭素濃度変動は約５Ｘ１０”原子数／ｃｎ’
−ＪｋＥＦ−であるが、これを少なくともｔ、ｏ　ｘ　
ｔｏ１″原子数／ｃｍｔと丑にすることによって、上記
しきい値電圧の変動を１０％以下に抑えることができる
ことが判った。このような炭素濃度の変動を１．ＯＸ　
１０”原子数７口３以下にするためにはＧａＡｓ単結晶
捧の炭素濃度を２．０ｘｔｏ”原子数／ａ１１３以下好
ましくは１．５　Ｘ　１０１Ｓ原子数／（至）３以下に
すると良い。

他方、本発明の方法を実施するには、化合物半導体の原
料を入れたルツボをチャンバー内にセットし、真空ポン
プでチャンバー内の空気を抜き、かわって不活性ガス（
窒素またはアルゴン等）を送入し、一定圧力を保ちなが
ら原料を加熱溶融する。温度が上昇すると前記したよう
にチャンバー内のＣＯ濃度が増加するので、不活性ガス
を部分的に放出させ、その分を新たに補給するなどの方
法で一部置換して、Ｃ○濃度を１０００　ｐｐｍ以下好
ましくは５００ｐｐｍ以下になるよう稀釈し、単結晶の
引き上げを開始する。引き上げ中も連続的にまたは断続
的に不活性ガスの放出と新規補給を繰り返し、Ｃ○濃度
を常に上記以下に制御維持する。

チャンバー内のｃｏ′ａ度が１１０００ｐｐを越えると
、引き上げられた単結晶中の炭素濃度が１．５　Ｘ　１
０１ｓ原子数／−３以上に増加するので避けなければな
らない。

実ＪＬＬ！− ＰＢＮ　（窒化夾つ素）ルツボに、多結晶Ｇ　ａ　Ａ　
ｓｌ、４ｋｇ、ＩｎＡｓ　１９０ｇ、酸化ホウ素１６０
ｇを入れ、引上機にセットし、チャンバー内をＮ２ガス
に置換し、圧力を４ｋｇ／ａＪに維持しながら加熱昇温
すると、１４２０℃に達してルツボの原料は溶融した。

溶融終了後Ｎ２ガスを徐々に補給しＣＯ濃度を５００ｐ
ｐｍ以下に制御してから、単結晶の引上を開始し。

その後ＩＱ／ｎ＋ｉｎの割合でＮ２ガスを送入しながら
チャンバー内の不活性ガスを置換し、ＣＯ濃度を常に５
００ｐｐｍ以下に維持した。こうして引き上げた単結晶
中の炭素濃度は、シード側で１．ＯＸ　１０”原子数／
ａｎ’、テール側で０．８　ｘ　１０１ｓＩＫ子数／ａ
１３であった。同様の方法で、Ｎ２ガスの補給を全く行
なわなかった場合は、チャンバー内のｃｏ濃度は増加し
、単結晶内の炭素濃度はシード側、テール側それぞれ３
．４　Ｘ　１０”、１．Ｉ　Ｘ　　１０”原子数／■３
となり、前記用途の使用に耐えぬものであった。

夫胤匹主 ＧａＡｓ半導体の原料として、　Ｇａ　６７５ｇ、Ａｓ
　７８４ｇ、Ｉｎ　９１ｇを配合し、この上に８２０３
１６０ｇを載せてルツボに入れ、引上機にセットし、チ
ャンバー内を　Ｎ２ガスで置換後、　７０ｋｇ／ｄの圧
力下で４６０℃に昇温しＢ、０３を溶融した後、６００
〜７００℃に昇温してＧａ、Ａｓ、Ｉｎを合金化した。

さらに昇温し１４２０℃に達して合金は溶融した。その
後徐々に圧力を下げて４　ｋｇ／ａＪになった後は、実
施例１と同じ手順で単結晶を引き上げた。このときの引
上単結晶中の炭素濃度はシード側で１．ＯＸ　１０”　
。

テール側で０．９　Ｘ　１０”原子数／口３であった。

上述のＣ○濃度は、ベックマン社製モデル８６７、イン
フラレッド　Ｃ○　アナライザー（Ｂｅｃｋｍａｎｎ社
製Ｍｏｄｅｌ　８６７、Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ＣＯＡｎａ
ｌｙｚｅｒ）を、炭素濃度はパーキン−エルマー社製９
８３Ｇ、インフラレッド　スペクトロメータ（Ｐｅｒｋ
ｉｎ　−Ｅ１ｍｅｒ社製９８３Ｇ　　Ｉｎｆｒａｒｅｄ
　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）およびトムソン−シーニ
スエフ社製カメ力　アイエムニス−３エフ（Ｔｈｏｍｓ
ｏｎ　−Ｃ３Ｆ社製ＣＡＭＥＣＡ　ＩＭＳ−３Ｆ）を使
用して測定した。

２ユ■羞困 本発明は、引き上げた化合物半導体単結晶中の炭素濃度
を１．５　Ｘ　１０”原子数７口３以下にしたものであ
るため、高速集積回路、光電子素子用として優れた材料
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）結晶中に含有する炭素濃度が１．５×１０＾１＾５
   原子数／ｃｍ＾３以下であることを特徴とする化合物半
   導体単結晶。 ２）液体封止引上法によって化合物半導体単結晶を製造
   するにあたり、引上機チャンバー内の不活性ガス中の一
   酸化炭素濃度を１０００ｐｐｍ以下に制御し、引上単結
   晶に含有される炭素濃度を１．５×１０＾１＾５原子数
   ／ｃｍ＾３以下にすることを特徴とする化合物半導体単
   結晶の製造方法。 ３）単結晶の引き上げ開始前または引き上げ中に、チャ
   ンバー内の不活性ガスを断続的または連続的に置換して
   、一酸化炭素濃度を制御する特許請求の範囲第２項記載
   の方法。