JP3674736B2

JP3674736B2 - 板状単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP3674736B2
Application number: JP12498397A
Authority: JP
Inventors: 武晴山村; 栄二清水
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1997-04-28
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2017-04-28
Also published as: JPH10298000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属半導体および化合物半導体を材料として転位の発生を抑制した板状単結晶およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路等を用途とするシリコンやゲルマニウム等の金属半導体あるいはＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ等の化合物半導体材料による単結晶は、従来より、気相成長法、溶液法、融液法等による単結晶成長手段によってつくられており、そのバルク単結晶については、融液からの単結晶引上げ、あるいは封管内での融液の温度傾斜凝固等単結晶を円柱状に成長させる手段によってつくられている。
【０００３】
このようなバルク単結晶としては、少数キャリアの電子や正孔の移動を妨げ半導体特性を劣化させる欠陥即ち転位のない単結晶体が必要とされ、単結晶成長時の温度勾配による熱歪の発生を極力抑制するようにしており、また、シード（種結晶）を利用して大径のバルク単結晶を成長させる引上げ法等の場合、シードからの刃状転位の伝播を防ぐため、単結晶の成長過程において細径のネッキング域を設けて結晶表面において刃状転位を解放させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように円柱状に単結晶を成長させる手段においては、図４において、ネッキング１１ａにより解放されなかった転位やその後成長中に発生した転位は除去できない。また、バルク単結晶域１１ｂは大径となるため、発生したこの刃状転位１２は結晶体の表面で解放されるまでの成長距離が長く、その間に新たな転位が分岐的に増殖する可能性が大きく、バルク単結晶１１の有効域が制限されるという問題があった。
【０００５】
即ち、従来の大径のバルク単結晶を成長させる技術においては、次のような問題点があった。
(1)単結晶の成長時、熱歪によって刃状転位が発生し、且つ、この刃状転位が増殖し易いこと。
(2)シードからの刃状転位の伝播を防ぐため、ネッキング形成を必要とすること。
(3)発生した刃状転位を結晶表面において解放させるまでに、通常長い単結晶成長距離を必要とし、また、その間に刃状転位が増殖しやすいこと。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、発生刃状転位を短い成長距離で結晶表面に解放させることにより刃状転位の伝播を極力抑制し、結果として刃状転位が少なく利用効率の高い単結晶体を得ることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、単結晶を板状に成長させて製造する方法であって、板状単結晶の成長方向に対して斜め方向に発生した転位を該板状単結晶の表面に解放して消滅させ、板面と平行でない転位の密度を１００個／ｃｍ²以下とすることを特徴とする板状単結晶の製造方法を、また、前記板状単結晶の転位の密度が単結晶の（１００）面に平行でない転位の密度とすることを特徴とする板状単結晶の製造方法を、さらに、前記板状単結晶が金属半導体又は化合物半導体であることを特徴とする板状単結晶の製造方法を、またさらに、前記板状単結晶がＧａＡｓ半導体であることを特徴とする板状単結晶の製造方法を、そしてまた、長方形断面の直方体の空間をスリットで分割したスペースを備える鋳型を用いて単結晶を板状に成長させることを特徴とする板状単結晶の製造方法を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
板状のバルク単結晶を成長させる場合、転位が発生しても、板状単結晶の成長方向に平行でない角度を持つ刃状転位は、板厚が薄いほど板厚寸法に比例した短い成長距離で結晶表面に到達して解放されるので、単結晶としては殆ど転位のないものが得られる。換言すれば、バルク単結晶を板状とし、転位線の方向と板の面方位とに角度を持たせた状態で単結晶を成長させることにより、転位を短い成長距離で結晶表面に解放させることができ、結果として転位を抑制したバルク単結晶を得ることができる。
【０００９】
本発明の単結晶成長手段については、従来の縦型温度傾斜凝固法（ＶＧＦ法）や温度分布に段階的な勾配をもたせて融液容器を移動させる垂直または水平ブリッジマン法等の技術を利用することができるが、直方体の空間をスリットで分割したスペースを備える鋳型を用いることにより、比較的容易に板状単結晶を得ることができる。
【００１０】
図１は、一部を切除して示す本発明の板状単結晶の製造装置の略斜視図である。
【００１１】
この製造装置Ａにおいては、鋳型１は、長方形断面の長尺の黒鉛材を組み合わせ、２つの上下方向に長い長方形断面の有底のキャビティ２を平行に形設してある。この鋳型１を収裝するるつぼ３は、円筒容器状につくられ、内部に不活性ガスを導入できるようにされており、さらに、ヒーターを備える図示しない成長炉にセットし、上下移動できるようにしてある。
【００１２】
なお、鋳型１は所望の板状単結晶の材質や寸法に応じて黒鉛材その他の材料を用いて成形あるいは組立加工されるものであり、るつぼ３の材質としては成長させる板状単結晶と反応したり濡れたりせず、好ましくは熱伝導率が低いものが用いられる。るつぼ３を上下移動せず、加熱温度域を上下移動させるようにしてもよい。
【００１３】
単結晶形成時には、鋳型１のキャビティ２内に予めシード４を収裝し、このシード４の上部に成長用原料５を接触状態に配置する。
【００１４】
シード４は単結晶で、結晶方位は任意であり、転位はいくらあってもよい。成長用原料５としては、単結晶もしくは多結晶原料から切り出した板材をそのままシード４に接触させるように配置してもよいし、鋳型１のキャビティ２内に前記成長用原料５の融体を流し込んでシード４と馴染ませた状態に固化させたもの、または、前記成長用原料５を流し込んだ融体状態のままで利用するようにしてもよい。
【００１５】
このようにシード４と成長用原料５を仕込んだ鋳型１をセットしたるつぼ３をさらに成長炉にセットし、下方向にるつぼ３を移動させるか、または、成長炉の加熱温度域を上方向に移動させるかにより、成長用原料５を融解しながら板状のバルク単結晶をシード４の単結晶にならった状態で一方向に成長させることができる。
【００１６】
このような製造装置Ａにより、図２に示したように、シード４に近接した転位解放域７ａを介して図示矢印方向に成長した無転位域７ｂからなる板状のバルク単結晶６が得られる。板状単結晶においては、結晶の（１００）面に平行な転位を除いて、発生転位を板状体の平面乃至側面で早期に解放し消滅させることができる。即ち、単結晶における転位の方向は、例えば、化合物半導体の単結晶においては結晶面（１００）に対して３５．３°の傾きを有しているように、バルク単結晶６の成長方向を規制することにより、転位方向を制御し、早期に転位を解放することができる。
【００１７】
図２の転位解放域部分を拡大して示した図３において、シード４から板状のバルク単結晶６の両平面方向に角度をもって即ち斜めに成長する転位８ａは、両平面に至って解放されて消滅する。両平面に平行で且つ結晶成長方向（図示矢印方向）に対して角度をもって即ち斜めに成長する転位８ｂについても同様に両平面の側端縁に至って解放されて消滅する。即ち、両平面方向に角度をもって成長する転位８ａにおいては、その角度が直角に近い方向の転位ほど早期に結晶表面に解放され、両平面に平行に且つ結晶成長方向に対する角度をもって成長する転位８ｂについては、その角度が直角に近い方向の転位となるほど、早期にバルク単結晶６の側端面で解放されることになる。つまり、転位８ａ，８ｂの成長方向がバルク単結晶６の長手方向に対して直角に近いほど転位８ａ，８ｂは短い成長距離で解放されるのて効率的に無転位のバルク単結晶６を得ることができる。
【００１８】
本発明の単結晶成長方法によれば、シード４に連なる成長用原料５を一方向に融解したのち、徐冷する等の方法で固化させることにより、長手方向（結晶成長方向）に関して、その融解した部分から１ｍｍ先以降の結晶の（１００）面のＥＰＤ（エッチングピット検出法）による転位密度を１００個／ｃｍ² 以下とすることができる。なお、このようにして得られた、バルク単結晶は、例えば、ＧａＡｓ半導体の場合、（１００）面を＜１１０＞方向にへき開し、チップとして使用する。
【００１９】
【実施例１】
図１に示した装置を用いた。鋳型１は日本カーボン製ヒドロカーボンで作製し、２つのキャビティ２の寸法はそれぞれ縦１ｍｍ、横１０ｍｍおよび深さ１００ｍｍとした。前記鋳型１の底部には、予め、ＥＰＤによる転位密度が１０万個／ｃｍ² で、結晶面（１００）、成長方位＜１１０＞、厚さ１ｍｍ、幅１０ｍｍおよび長さ２０ｍｍのＧａＡｓ単結晶によるシードをセットした。そして、シードを含めた全体長さが１００ｍｍになるまで、成長用原料としてＧａＡｓ融液を流し込み、次いで、るつぼ３の上部を１３００℃に、且つ、底部を１２００℃に加熱し、シード部の２０ｍｍを残し、成長用原料の８０ｍｍを融解した後、１０℃／ｃｍの温度勾配中を１０ｍｍ／時の速度でるつぼ３を下動して融液を固化させた。
【００２０】
得られたバルク単結晶板材について、ＥＰＤにより転位密度を測定した。その結果、融解しなかった部分の転位密度は変わらなかったが、融解した部分から、長手方向に１ｍｍ先以降の結晶の（１００）面について、転位密度は１００個／ｃｍ² 以下であった。
【００２１】
【実施例２】
実施例１と同様に鋳型を作製してるつぼ内にセットし、同様のＧａＡｓ単結晶板をシードとしてセットし、成長用原料としてＧａＡｓ融液を流し込んだ。また同様にシード上部の成長用原料を長手方向に８０ｍｍ融解した後、るつぼを１０℃／時の速度で移動し融液を冷却して固化させた。
【００２２】
得られたバルク単結晶板材についてＥＰＤにより転位密度を測定した。その結果、融解しなかったシード部分の転位密度は変わらなかったが、融解した部分から、長手方向に１ｍｍ先以降の結晶の（１００）面については転位密度は１００個／ｃｍ² 以下になった。
【００２３】
【実施例３】
実施例１と同様に鋳型を作製した。鋳型に、シードを用いずに、転位密度１０万個／ｃｍ² で、結晶面（１００）、成長方位＜１１０＞、長さ１００ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＧａＡｓ単結晶板をセットした。鋳型を前記ヒドロカーボン製のるつぼにセットし、るつぼの上部を１３００℃に、底部を１２００℃に加熱して下部の２０ｍｍを残し、上部の８０ｍｍを融解した後、１０℃／ｃｍの温度勾配中を１０ｍｍ／時の速度でるつぼを下動して融液を固化させた。
【００２４】
得られたバルク単結晶板材についてＥＰＤによる転位密度を測定した。その結果、融解しなかった部分の転位密度は変わらなかったが、融解した部分から長手方向に１ｍｍ先以降の結晶の（１００）面について転位密度は１００個／ｃｍ² 以下になった。
【００２５】
【実施例４】
実施例３と同様に鋳型を作製し、同様のＧａＡｓ単結晶板をセットし、シードを用いず、同様の加熱により、下部の２０ｍｍを残し、上部を長手方向に８０ｍｍを融解したのち１０℃／時の速度で冷却して元の形に固化させた。
【００２６】
得られたバルク単結晶板材についてＥＰＤによる転位密度を測定した。その結果、融解しなかった部分の転位密度は変わらなかったが、融解した部分から長手方向に１ｍｍ先以降の結晶の（１００）面について転位密度は１００個／ｃｍ² 以下になった。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、従来の円柱状バルク単結晶の場合のようにネッキングを必要とせず、転位の発生があっても極めて短い成長距離で消滅させることができるので、効率的に無転位のバルク単結晶を得ることができる。本発明は、金属半導体又は化合物半導体に効果的に適用でき、特に、ＧａＡｓ半導体の場合において的確に適用できるという効果を奏する。長方形断面のキャビティを備える鋳型を用いることにより単結晶を板状に成長させることが容易になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による板状単結晶の製造装置を示す部分切除斜視図である。
【図２】図１の製造装置による板状のバルク単結晶の略斜視図である。
【図３】図２の要部拡大斜視図である。
【図４】従来の製造装置によるバルク単結晶の略斜視図である。
【符号の説明】
Ａ製造装置
１鋳型
２キャビティ
３るつぼ
４シード
５成長用原料
６バルク単結晶
７ａ転位解放域
７ｂ無転位域
８ａ，８ｂ転位

Claims

単結晶を板状に成長させて製造する方法であって、板状単結晶の成長方向に対して斜め方向に発生した転位を該板状単結晶の表面に解放して消滅させ、板面と平行でない転位の密度を１００個／ｃｍ²以下とすることを特徴とする板状単結晶の製造方法。
前記板状単結晶の転位の密度が単結晶の（１００）面に平行でない転位の密度とすることを特徴とする請求項１記載の板状単結晶の製造方法。
前記板状単結晶が金属半導体又は化合物半導体であることを特徴とする請求項１又は２記載の板状単結晶の製造方法。
前記板状単結晶がＧａＡｓ半導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の板状単結晶の製造方法。
長方形断面の直方体の空間をスリットで分割したスペースを備える鋳型を用いて単結晶を板状に成長させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の板状単結晶の製造方法。