JP4384774B2

JP4384774B2 - ＧａＡｓ結晶の製造用原料

Info

Publication number: JP4384774B2
Application number: JP2000028993A
Authority: JP
Inventors: 忠木原; 武晴山村; 健一田山
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2020-02-07
Also published as: US6635323B2; US20010012547A1; JP2001220298A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，例えばチョクラルスキー法（引き上げ法）の如き融液の凝固を利用してＧａＡｓ単結晶もしくはＧａＡｓ多結晶を製造するために用いられる原料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において，ＬＳＩ，レーザ，ＬＥＤなどの各種半導体デバイスが高密度化，高性能化したことにより，各種電子部品，電気製品の高機能化，小型化が実現している。特に，シリコンに比較して数倍程度も動作速度が速くて，消費電力も少なく，雑音に強いという特長を有するＧａＡｓ基板が，ＦＥＴ，ＩＣ等の高速，高周波素子などに多用されるようになってきた。このＧａＡｓ基板は，チョクラルスキー法，ブリッジマン法などといった，融液の凝固を利用した方法で成長させた単結晶インゴットを，スライス加工し種々の加工処理を経て作製される。
【０００３】
このＧａＡｓ基板を用いて例えば薄膜光素子を形成する場合，薄膜層のキャリア密度を低下させる必要がある。そのためには，ＧａＡｓ単結晶のインゴットを製造する際に，原料となるＡｓ中に存在するＡｓ酸化物を極力除去して高純度化させなければならない。またＧａＡｓ等の薄膜は素子の基板材料あるいは素子間を電気的に分離する素子分離用薄膜として重要であり，この種の薄膜を高抵抗化するには，鉄やニッケル等の遷移金属を薄膜中に添加し，これら遷移金属の形成する深い準位を利用することが知られている。しかしながら，この種の薄膜中にＡｓ酸化物が存在すると，前記薄膜の高抵抗化が防げられ，所望の特性を得る事ができなくなってしまう。更にＡｓ酸化物が混入したまま例えばチョクラルスキー法によって単結晶インゴットを製造すると，Ａｓ酸化物が不溶物として融液中に残ってしまうために，融液が凝固する際の単結晶化が妨げられ，大口径の単結晶インゴットが製造できなくなってしまう。
【０００４】
一方Ａｓは酸化しやすく，空気中に放置するとすぐに酸素と反応してＡｓ酸化物を生じてしまう。そこで，チョクラルスキー法などによってＧａＡｓ単結晶を製造する場合，原料となるＡｓは不活性ガスを封入したアンプルに入れた状態で搬入し，製造の直前でアンプルを開封してるつぼ内に投入している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来は，ＧａＡｓ半導体を製造するにあたり，ＧａＡｓの成分の１つであるＡｓが酸化しやすいので大気との接触を避けるため出荷段階でアンプルに詰めざるを得ず，コスト上昇の要因となっていた。そして，Ａｓを取り出すのにいちいちアンプルを開封しなければならず手間がかかり，開封の際にＡｓが飛散するといった問題も生じていた。更に大気中でアンプルを開封してしまうと，開封後すぐにＡｓの酸化が始まり，るつぼ内を不活性ガス雰囲気にする迄に，Ａｓ表面に亜ヒ酸（Ａｓ_２Ｏ_３）が生成してしまう。
【０００６】
るつぼに入れたＡｓを所定の条件で加熱することにより，Ａｓ表面に生成したＡｓ_２Ｏ_３を除却することも可能であるが，そうすると余計な工程が必要となるため生産性が劣ってしまう。また，加熱によって有害なＡｓ_２Ｏ_３のアモルファスの発生をまねく。更に取り除いたＡｓ_２Ｏ_３も処理しなくてはならなくなる。
【０００７】
従って本発明の目的は，アンプルなどを必要とせずにＡｓを酸化させることなく搬入できるＧａＡｓ単結晶もしくはＧａＡｓ多結晶の製造用原料を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，請求項１にあっては，融液の凝固を利用してＧａＡｓ単結晶もしくはＧａＡｓ多結晶を製造するために用いられる原料であって，Ｇａからなる固体状の容器部および蓋部と，前記容器部および蓋部によって形成される密封空間に密封されるＡｓから構成されることを特徴としている。この請求項１の製造用原料においては，請求項２に記載したように，前記密封空間内を不活性ガス雰囲気または真空にすることが好ましい。また請求項３に記載したように，前記Ｇａ及び／又はＡｓの純度は，例えば９９．９９９９重量％以上である。またＡｓは揮発性が高くＧａＡｓインゴット製造時に一部揮発することが考えられるので，請求項４に記載したように，前記ＧａとＡｓの原子数の比は，例えばＡｓ／Ｇａ≦１．５の範囲で適宜設定することが好ましい。
【０００９】
これら請求項１〜４の製造用原料にあっては，ＡｓがＧａによって覆われているので，Ａｓは外気と接触しない。このためＡｓを酸化させることなく搬送させることが可能である。そしてこれら請求項１〜５の製造用原料は，そのままるつぼなどに投入して加熱溶融し，例えばチョクラルスキー法，ブリッジマン法などといった方法でＧａＡｓ多結晶やＧａＡｓ単結晶を成長させ単結晶インゴットを製造することができる。こうして製造されたＧａＡｓ単結晶インゴットは，Ａｓ酸化物がほとんどない高純度の半導体材料となり，製造されたＧａＡｓ単結晶インゴットをスライス加工することにより，近年の高密度化，高性能化した半導体デバイスの製造に最適な高純度のＧａＡｓ基板が得られるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図１は，本発明の実施の形態にかかるＧａＡｓ結晶の製造用原料１の分解図であり，図２は，製造用原料１の縦断面図である。
【００１１】
図示の製造用原料１は，上面が開口した容器部１０と，この容器部１０の開口部を塞ぐための蓋部１１と，容器部１０内に充填される例えば９９．９９９９重量％以上の高純度のＡｓ原料１２を備えている。容器部１０と蓋部１１は，例えば９９．９９９９重量％以上の高純度のＧａ原料で構成されている。Ａｓ原料１２は粉末などであり，容器部１０内に充填されるまで，酸化しない状態に維持しておく。
【００１２】
そして，例えばＮ_２ガスまたはＡｒガスもしくはそれらの混合ガスなどの不活性ガス雰囲気中において，容器部１０内にＡｓ原料１２を充填する。この場合，容器部１０及び蓋部１１を構成するＧａ原料とＡｓ原料１２Ａｓの原子数の比は，Ａｓ／Ｇａ≦１．５の範囲で適宜設定する。また容器部１０内へのＡｓ原料１２の充填は，例えば高純度精製されたＡｓ原料１２を容器部１０内に直接充填することができる。また，容器部１０をＡｓの高純度精製装置中に組み入れて，容器部１０内へＡｓ原料１２を充填してもよい。
【００１３】
次に容器部１０の開口部を蓋部１１によって塞ぎ，蓋部１１の周縁部と容器部１０の開口部の接触部分をテフロンコーティングしたヒーター等によって加熱して，温度を３０℃以上に上げて接触部のＧａを融解し，そのまま放冷してＧａを凝固させることによって容器部１０内を密封する。こうして得られた製造用原料１は，図２に示すように，Ｇａで構成される容器部１０と蓋部１１の内部に形成された密封空間１３内にＡｓ原料１２を収納した状態となる。また，容器部１０内へのＡｓ原料１２の充填作業を不活性ガス雰囲気中において行うことにより，密封空間１３内を不活性ガス雰囲気に保つことができるようになる。
【００１４】
またこの製造用原料１は，Ｇａの融点（２９．７゜Ｃ）以下の温度で保管し，好ましくは１０゜Ｃ以下で保管すると良い。また，外側となるＧａの変質を防ぐために，不活性ガスの雰囲気中や真空中で保管するのが望ましい。
【００１５】
図３は，この製造用原料１を用いてチョクラルスキー法によりＧａＡｓ単結晶を製造するための結晶成長装置２の構成を示した説明図である。この結晶成長装置２は，圧力容器２０において，るつぼ２１の周囲にヒータ２２が配置されており，るつぼ２１は圧力容器２０の下面から挿入された下軸２３によって昇降及び回転自在に支持されている。るつぼ２１の上方には圧力容器２０の上面から挿入された上軸２４が設けられている。上軸２４の下端には所定方位に切り出したＧａＡｓ単結晶の種結晶２５が取り付けられている。
【００１６】
また，圧力容器２０の上面には不活性ガス導入管２６が接続され，下面にはガス排出管２７が接続されている。不活性ガス導入管２６は，例えばＡｒガスやＮ_２ガスなどといった不活性ガスを圧力容器２０内に加圧供給する。ガス排出管２７にはバルブ２８が取付られており，このバルブ２８を開けて炉内ガスを外部に放出し，圧力容器２０内の圧力調整を行う。
【００１７】
さて，この図３に示した如き結晶成長装置２を用いてチョクラルスキー法によりＧａＡｓ単結晶を製造する場合，先ずるつぼ２１内に，先に図１，２で説明した製造用原料１を投入し，更に製造用原料１の上にＢ_２Ｏ_３からなる液体封止剤３０を投入する。次いで，不活性ガス導入管２６から不活性ガスを供給して圧力容器２０内を加圧し，ヒータ２２でルツボ２１内の製造用原料１を加熱する。こうして製造用原料１を構成している容器部１０及び蓋部１１（Ｇａ原料）とＡｓ原料１２は溶解してＧａＡｓ融液がルツボ２１内に形成される。このとき，液体封止材３０は，ＧａＡｓ融液の表面を覆うかたちで融解し，ＧａＡｓ融液中からＡｓが揮発することが防止される。
【００１８】
その後，上軸２４の下端に取り付けた種結晶２５を例えば３〜１０ｒｐｍで回転させながら徐々に下降させて，ルツボ２１内のＧａＡｓ融液の表面に接触させる。このとき，ＧａＡｓ融液の入っているルツボ２１は，例えば１０〜４０ｒｐｍの回転速度で回転させる。こうしてＧａＡｓ融液と種結晶２５との種付けを終えた後，種結晶２５を回転させながら所定の速度で引き上げ，ＧａＡｓ単結晶を育成する。引き上げ終了後，所定の条件で冷却をおこない，ＧａＡｓ単結晶を得ることができる。
【００１９】
従って本発明の実施の形態の製造用原料１にあっては，Ａｓ原料１２が容器部１０及び蓋部１１（Ｇａ原料）によって覆われているので，例えば結晶成長装置２などに製造用原料１を搬入する場合などにおいて，Ａｓ原料１２は外気と接触せず，Ａｓ原料１２を酸化させる心配がない。そして，この製造用原料１をそのままるつぼ２１に投入して加熱溶融することにより，ＧａＡｓ多結晶やＧａＡｓ単結晶のインゴットを製造することができる。こうして製造されたＧａＡｓ単結晶インゴットは，Ａｓ酸化物がほとんどない高純度の半導体材料となり，近年の高密度化，高性能化した半導体デバイスの製造に最適な高純度のＧａＡｓ基板が得られるようになる。
【００２０】
以上，本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。例えばＧａ原料は必ずしも容器部１０や蓋部１１の形状にしなくても良く，いずれにしてもＧａの内部にＡｓが密閉された状態で収納されていればよい。例えば図４に示す他の実施の形態にかかる製造用原料２のように，Ａｓ３５の周囲をＧａ３６によって単に隙間無く覆うことにより，Ｇａ３６の内部にＡｓ３５を密閉して収納した構成としても良い。
【００２１】
また本発明の製造用原料は，例えばブリッジマン法などのような融液の凝固を利用してＧａＡｓ単結晶を製造する他の方法にも適用することができる。また，本発明の製造用原料は，例えばＶＧＦ法やＶＢ法などで用いられるＧａＡｓ多結晶の製造用原料として利用しても良い。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１〜４によれば，Ａｓをアンプルに詰めて出荷する必要が無くなるので，作業の軽減及び低コスト化を実現でき，またアンプル開封の手間も省けるので，ＧａＡｓ単結晶の製造も容易となる。また，製造用原料を構成するＡｓとＧａの量を予め調整しておくことにより，所望の量のＧａＡｓ単結晶を製造でき，原料の無駄が省けるようになる。更にこの請求項１〜４の製造用原料を用いることにより，Ａｓ酸化物がほとんどない高純度のＧａＡｓ単結晶を製造でき，近年の高密度化，高性能化した半導体デバイスの製造に最適な高純度のＧａＡｓ基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる製造用原料の分解図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる製造用原料の縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる製造用原料を用いてチョクラルスキー法によりＧａＡｓ単結晶を製造するための結晶成長装置の構成を示した説明図である。
【図４】本発明の他の実施の形態にかかる製造用原料の断面図である。
【符号の説明】
１製造用原料
２結晶成長装置
１０容器部（Ｇａ原料）
１１蓋部（Ｇａ原料）
１２Ａｓ原料
１３密封空間
２０圧力容器
２１るつぼ
２２ヒータ
２３下軸
２４上軸
２５種結晶
２６不活性ガス導入管
２７ガス排出管
２８バルブ
３０液体封止材

Claims

融液の凝固を利用してＧａＡｓ単結晶もしくはＧａＡｓ多結晶を製造するために用いられる原料であって，
Ｇａからなる固体状の容器部および蓋部と，
前記容器部および蓋部によって形成される密封空間に密封されるＡｓから構成されることを特徴とする，ＧａＡｓ結晶の製造用原料。
前記密封空間内を不活性ガス雰囲気または真空にしたことを特徴とする，請求項１のＧａＡｓ結晶の製造用原料。
前記Ｇａ及び／又はＡｓの純度が９９．９９９９重量％以上であることを特徴とする，請求項１又は２のいずれかのＧａＡｓ結晶の製造用原料。
前記ＧａとＡｓの原子数の比が，Ａｓ／Ｇａ≦１．５であることを特徴とする，請求項１，２又は３のいずれかのＧａＡｓ結晶の製造用原料。