JPH09110576A

JPH09110576A - 結晶成長方法

Info

Publication number: JPH09110576A
Application number: JP30781195A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kusuki; 敏弘楠木; Shigeo Kodama; 茂夫児玉; Takashi Suzuki; 貴志鈴木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 1997-04-28
Anticipated expiration: 2015-11-27
Also published as: JP3540073B2

Abstract

(57)【要約】【課題】温度差成長法やゾーン成長法などの結晶成長方
法に関し、３元以上の化合物材料を使用することなく３
元以上の化合物結晶を成長させること。【解決手段】種結晶２の隣に該種結晶２よりも融点の低
い第１の材料３と該第１の材料３よりも融点の高い第２
の材料４とを交互に１層又は複数層配置してこれらを容
器１内に収納し、該容器１を加熱雰囲気に入れて前記第
１の材料３及び前記第２の材料４の構成元素を出発材料
として結晶２ａを該種結晶表面に成長することを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶成長方法に関
し、より詳しくは、IV−IV族２元結晶又はIII-Ｖ族３元
結晶のような結晶の成長法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体をはじめ、酸化物、金属等の結晶
の機能を利用した電子素子、光学素子が多く使用されて
いる。特に、化合物半導体及びその混晶は、その組成を
変化させることによりエネルギーギャップ、屈折率、移
動度、格子定数などの特性が変化するので、これを利用
した超高速素子或いは受光・発光素子のような光素子と
して広く使用されている。これらの素子は、一般に、２
元結晶の基板の上に２元以上の化合物半導体層をエピタ
キシャル成長して作成されるが、成長された結晶の格子
定数が問題になる。

【０００３】基板結晶とその上の成長結晶の間で格子定
数の差が大きくなると、成長された結晶層には欠陥が発
生し易く、高性能の素子は実現できない。そこで、２元
の基板結晶と格子整合するような３元或いは４元の混晶
を成長させているのが現状であるが、混晶を選択する範
囲は自ずから狭くなる。従って、２元の基板結晶の格子
定数とその上に成長する結晶層の格子定数とを整合させ
ることを考えると、素子の効率向上や高速化を図った素
子設計を最適化することができなくなる。

【０００４】このような不都合を解決し、素子特性の最
適化を行えるのが３元以上の化合物半導体基板である。
そのような化合物半導体基板の組成を変えることにより
格子定数を任意に設定できれば、欠陥の少ない結晶成長
が行え、高性能な素子を実現できる。３つ以上の元素を
含む融液又は溶液を用いて３元以上の化合物半導体結晶
を成長する過程では、融液又は溶液（液相）の組成と成
長した結晶（固相）中の組成とが相違して分配係数が
「１」にならない。このため、そのような結晶方法によ
れば成長過程において、結晶中に取り込まれ易い元素の
量が融液又は溶液内で徐々に少なくるので、成長した結
晶での成長方向の組成分布は所謂ノーマルフリージング
の状態になる。この結果、均一な組成分布をもつ３元以
上の化合物半導体を厚く成長できないことになる。

【０００５】そこで、固相に析出することにより液相中
で枯渇した特定の元素をその枯渇量に応じて外部から液
相中に補給する方法が特開平4-114991号公報などに記載
されている。例えば、InGaAsの液体封止引上成長法（Ｌ
ＥＣ(liquid encapsulated czochralski) 法）では、成
長中に枯渇するGaAsをルツボ内の融液に補給する方法が
採られている。

【０００６】しかし、ＬＥＣ法によれば、融液の温度の
ゆらぎを防止するために精度良い温度管理が要求され
る。ＬＥＣ法以外の３元結晶の成長方法として温度差成
長法やゾーンメルト成長法がある。温度差法では、まず
図１８(a) に示すように、ルツボ101 内に結晶成長材料
102 と溶液104 と種結晶103 を順に隣接して封入した状
態にする。その結晶成長材料102 には溶質が含まれてい
る。また、溶液104 は、加熱炉105 の熱によって低融点
材料が溶けたものである。

【０００７】その状態から加熱炉105 内のルツボ101 の
加熱温度を上げてゆくと、溶融温度の違いから、種結晶
103 及び結晶成長材料102 の溶液104 に接している表面
部分が溶解する温度に達する。それらの種結晶103 及び
結晶成長材料102 から溶けた溶質は溶液104 内で飽和状
態になる。そして、結晶成長材料102 が溶液104 よりも
高温側になるように、図１８(b)に示すような温度勾配
を与えると、結晶成長材料102 の溶解度が高くなる。こ
の結果、溶液104 の溶質の濃度は、種結晶103 側よりも
結晶成長材料102 側の溶質の濃度が高くなって溶質濃度
勾配が生じる。しかし、その後に溶質濃度勾配が無くな
るように、溶質は低温側（種結晶103 側）に拡散する。
この溶質拡散によって、種結晶103 側の溶液104 では溶
質が過飽和状態になるので、種結晶103 に結晶が成長す
る。

【０００８】その結晶成長の結果、溶液104 中の溶質は
未飽和となるため、結晶成長材料102 表面の溶解がさら
に進む。温度勾配を維持している状態で、この種結晶10
3 表面での成長、および結晶成長材料102 の溶解は継続
する。また、成長速度と同じ速度で加熱炉105 を結晶成
長材料102 側へ移動させて温度分布を変えれば、成長面
の温度が一定になるため成長組成を均一に保つことがで
きる。

【０００９】この温度差法によれば、溶液104 から種結
晶103 に析出させる元素を結晶成長材料102 から供給す
ることになるため成長材料全体で特定元素が枯渇するこ
とはない。次に、InGaAs結晶成長を例にあげてゾーン法
を説明する。図１７は、InAs−GaAs準２元系状態図であ
る。この図からわかるように、ｘ＝0.０５（図１７中の
ａ点）のIn_xGa_1-xAs結晶を液相から析出させるために
は、融点Ｔg₁で固相と平衡を保つ液相の組成を選択しな
けらばならない。この場合の固相の組成と液相の組成値
ｘは大きく異なる。

【００１０】そこで、図１８(a) に示す結晶材料102 と
して、図１７中のａ点の組成値ｘ₁を持つ材料（又は平
均としてａ点の組成値ｘ₁を持つ２種類以上の材料の集
合体）を用いるとともに、融液104 として図１７中のｂ
点の組成値ｘ₂を持つ材料を用いる。そして、図１８
(b) に示すように、融液104 の温度を高くするととも
に、ａ点の組成値ｘ₁を持つ種結晶103 が融解しないよ
うに融液104 の種結晶103側が低温になるような温度分
布を形成する。これにより、図１７中のｂ点の組成を持
った融液104 から種結晶103 上に結晶を成長させる。

【００１１】また、融液104 のうち種結晶103 側よりも
結晶材料102 側の温度を高く分布させることにより、結
晶材料102 を固相・液相界面で融解させて結晶成長によ
り不足した原料を融液104 に補給する。その結晶成長に
ともない、成長速度と同じ速度で加熱炉105 を成長材料
側に移動させると、結晶成長と融液補給の双方が進むこ
とになる。

【００１２】なお、融液はIII-Ｖ族結晶を加熱溶融して
得られたもので、また、溶液は全体としてIII-Ｖ族結晶
の化学量論的組成を構成しない材料を加熱溶融して得ら
れたものである。ところで、例えば高周波特性又は発光
特性の改善を目的として、以上のような３元結晶の他
に、２元系混晶薄膜を用いたヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタ或いは量子井戸レーザへの適用が検討されてい
る。

【００１３】例えば、SiGeのように全率固溶系をなす２
元系単結晶は、その組成比を任意に設定して物性を制御
できるため、非常に自由度の高い電子素子の設計が可能
になる。しかし、組成比の異なる２元系結晶は、格子定
数も相違する。このため、かかる２元系混晶薄膜の結晶
性又はヘテロ界面の特性を優れたものにするために、こ
れら２元系混晶は、同一格子定数を有する２元系単結晶
を基板として、その基板上に堆積することが望ましい。

【００１４】このため、任意の一定の格子定数を有する
２元系単結晶、即ち任意に制御された組成比を有し、か
つ組成比が全体について一定である２元系単結晶の製造
方法が必要とされる。全率固溶系のように固相線と液相
線とが分離している２元系では分配係数が１と異なるた
め、チョクラルスキー法によっては均一な組成の単結晶
を製造することは難しい。かかる問題は、ゾーンメルテ
ィング法若しくはフローティング法によって解決され
る。以下、組成を均一化するための従来法について説明
する。

【００１５】図１９は全率固溶２元系相図であり、Si−
Ge２元系の液相線及び固相線、並びに溶液から析出する
２元系単結晶の組成を表している。図１９に示すよう
に、融点の低い元素と融点の高い元素とからなる組成比
ｘｓの２元系単結晶、例えばGeとSiからなる組成比ｘｓ
のSi_xsGe_1-XS２元系単結晶を成長するには、組成比ｘｓ
に対応する固相線ロの温度Ｔg₂に、その温度Ｔg₂で組成
比ｘｓの固相と平衡状態にある組成比ｘｓの溶液を保持
し、温度Ｔg₂の飽和溶液からSiGe単結晶を析出させるこ
とによりなされる。

【００１６】かかる飽和溶液から２元系単結晶を析出さ
せる単結晶製造方法では、溶液温度により一義的に単結
晶の組成比が定まるために、溶液温度を一定に制御、保
持することにより、組成比を精密に制御した結晶を容易
に製造できる。以下に、Si_xsGe_1-XS単結晶の製造の従来
方法について説明する。図２０は、従来例説明図であ
り、ブリッジマン炉を用いて飽和溶液から２元系単結晶
を製造する方法を表している。なお、図２０(a) は、単
結晶製造工程途中のアンプルの断面を表し、図２０(b)
では、その時点でのブリッジマン炉内の温度分布を表し
ている。

【００１７】図２０(a) に示すように、円筒状のアンプ
ル111 内にアンプル111 の先端111a部分に種結晶112
を、種結晶112 に接して結晶材料棒114 を後端部分に挿
入し、アンプル111 の先端111a及び後端111bを封止す
る。この結晶材料棒114 は通常、組成比ｘｓのSi−Geの
焼結体として形成される。ついで、アンプル111 をブリ
ッジマン炉に挿入して結晶成長温度Ｔg₂まで昇温して、
種結晶112 と結晶材料棒114 との界面に組成比ｘｍの溶
液帯115aを形成する。かかる溶液帯115aは、種結晶112
と結晶材料棒114 との界面に結晶材料棒114 より低融点
の材料、例えばGeの薄片を挟み込むことで形成される。
即ち、原材料としてGeの薄片と結晶材料棒114 を用い
る。他の溶液帯115aの形成方法には、種結晶112 結晶材
料棒114 との界面近傍を局部的に加熱溶融した後、溶液
温度をＴg₂に降温して保持する方法もある。いずれの方
法によっても溶液帯115aの溶液は、組成ｘｍの結晶材料
棒114 と温度Ｔg₂で熱平衡し、飽和溶液となる。

【００１８】成長開始時には、図２０(b) に示すよう
に、溶液帯115a及び結晶材料棒114 は、結晶成長温度、
即ち溶液温度Ｔg₂に保持される。他方、種結晶112 は、
溶液帯115aとの界面で温度Ｔg₂に保持され、同時にアン
プル先端111aから冷却され、結晶成長のために必要な温
度勾配が与えられる。ついで、アンプル111 を先端111a
方向に移動する。このとき、SiGe結晶が溶液中から種結
晶112 上に析出するとともに、一方では結晶材料棒114
が溶液帯115a中に溶解して溶液帯115aの組成ｘｍを一定
に保持しつつ、溶液帯115aは炉に対する一定位置に留ま
る。即ち、アンプル111 に対して、溶液帯115aは後端11
1bに向けて移動する。この結果、図２０(a) に示すよう
に、種結晶112 からエピタキシャル成長した２元系単結
晶116aが製造される。このとき、図２０(b) に示すよう
に、２元系単結晶の成長面、即ち２元系単結晶と溶液帯
115aとの界面Ａの温度をＴg₂に保持することにより、常
に一定の組成ｘｓを有するSi_xsGe_1-XS単結晶が製造され
る。

【００１９】他の従来の２元系単結晶の製造方法は、溶
液帯115aを形成し移動させるためにゾーンメルティング
法又はフローティングゾーン法を用いる。これらの方法
では炉内の温度分布に代えて、溶液帯115aの部分のみを
高周波加熱等により局部的に加熱することで溶液帯115a
を形成する。ところで、上述した２元系単結晶の製造方
法では、組成比ｘｓの均質な組成を有する結晶材料棒が
必要になる。しかし、全率固溶の２元系において、均質
な組成の結晶材料棒を製造することは困難である。例え
ば、SiとGeは比重が異なるため、混合して溶融しても容
易には均一に混合された溶液にはならない。また、溶液
から析出するときの分配係数が１と異なるため、初期に
固化した部分はSiに富むために融点が高く、最後に固化
した部分はGeに富むために融点の低いものとなる。この
ため、溶液を固化して製造した結晶材料棒は、通常は不
均一な組成を有する。さらに、粉体のSi及びGeを焼結す
る方法は、不純物の汚染を生じるおそれが大きく、電子
素子材料の製造いは好ましくない。また、かかる汚染を
少なくするために、粒子の大きな粉体を用いると十分に
焼結せず、Si又はGeの粒子がそのまま残存することにな
る。

【００２０】このような不均質な結晶材料棒を用いた場
合、図２０(a) に示すように、本来は固体であるべき結
晶材料棒114 の内部に、Geに富む低融点部分が溶融し
て、液滴115 が発生する。この液滴115 が、結晶材料棒
114 の溶液帯115aとの界面に到達すると結晶材料棒114
の界面に凹凸が生じ、結晶成長条件を擾乱し、良質の結
晶を成長する障害となる。また、例えば液滴に至らなく
ても、組成が異なる部分が溶液に溶解する際に、溶液組
成の一時的な変動を招き、結晶組成の変動要因となる。

【００２１】ゾーンメルト法又はフローティングゾーン
法では、溶液帯のみ高温に加熱されるため結晶材料棒中
の組成変動の影響は比較的小さい。しかし、溶液帯と結
晶材料棒との界面、或いは、結晶成長界面における温度
勾配が大きいため、温度変動の影響を受けやすく良質の
結晶の製造が難しい。また、小さいとはいえ、溶液帯の
界面に凹凸を生じることは避けられない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した３
元結晶成長法によれば、結晶成長を行う場合に目的とす
る結晶と同一組成で均一な結晶材料102 が必要となる
が、そのような２元以上の化合物の材料を得ることは従
来では難しい状態にある。また、上記したような２元系
単結晶の製造方法では、均一な組成の結晶材料棒114 を
製造することが難しいため、結晶材料棒内の組成不均一
に起因して溶液帯と結晶材料棒との界面に凹凸を生じ、
良質の結晶の製造ができない。

【００２３】本発明は、組成が均一な結晶材料を使用せ
ずに良質の化合物結晶を成長させる結晶成長方法を提供
することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】

（手段）上記した課題は、図１，２、図５，６に例示
するように、種結晶２，１２の隣に該種結晶２，１２よ
りも融点の低い第１の材料３，１３と該第１の材料３，
１３よりも融点の高い第２の材料４，１４とを交互に１
層又は複数層配置してこれらを容器１，１１内に収納
し、該容器１，１１を加熱雰囲気に入れて前記第１の材
料３，１３及び前記第２の材料４，１４の構成元素を出
発材料として結晶２ａ，１２ａを該種結晶表面に成長す
ることを特徴とする結晶成長方法によって解決する。

【００２５】この結晶成長方法において、図１、図２に
例示するように、前記種結晶２が溶解せず、かつ前記第
１の材料３が溶解するような温度勾配を前記加熱雰囲気
に与え、前記第１の材料３を溶解して溶液３ａとすると
ともに、該溶液３ａに接する前記第２の材料４の面の少
なくとも一方を溶解して構成元素を該溶液３ａに供給
し、前記温度勾配の分布を前記種結晶２側から前記第２
の材料４側に向けて移動させて前記溶液３ａ中の複数元
素の溶解度の温度依存性を利用して前記種結晶２上に前
記結晶２ａを成長させることを特徴とする。

【００２６】この場合、前記種結晶２は２成分又は３成
分からなるIII-Ｖ族の３元化合物結晶であり、前記溶液
３ａは III族又はＶ族の元素の１、２又は３成分の元素
を含み、前記第２の材料４はIII-Ｖ族の２元化合物から
なることを特徴とする。上記した結晶成長方法におい
て、前記結晶１２ａはIII-Ｖ族の３元化合物からなり、
前記第１の材料１３と前記第２の材料１４はそれぞれ I
II族元素又はＶ族元素のいずれかが異なるIII-Ｖ族多元
化合物であって、前記第１の材料１３の全体が融解し、
前記第２の材料１４全体が融解せず、前記種結晶１２側
がその融点以下になる温度分布を前記加熱雰囲気に与
え、前記温度勾配の分布を前記種結晶１２側から前記第
２の材料１４側に向けて移動させて、前記第２の材料１
４からの溶融元素が加わった前記第１の材料１３の融液
１３ａ内の化合物が前記種結晶１２上で固相となって前
記結晶１２ａを成長することを特徴とする。

【００２７】上記した課題は、図９に例示するように、
種結晶２２及び原材料２０を封入した容器３１内に該原
材料２０と熱平衡した溶液からなる溶液帯を形成し、該
溶液帯２５を該種結晶２２に接触させた後に、該溶液帯
を該種結晶２２から離れる方向に該原材料２０を溶解し
つつ移動させ、該溶液から該種結晶２２上に２元系単結
晶２６を析出する結晶成長方法において、前記種結晶２
２は、前記溶液温度で固相をなす単結晶からなり、前記
原材料２０は、前記種結晶２２に接して設けられた前記
溶液温度で液相をなす低融点材料からなる溶液部材部２
３と、該溶液部材部２３に接して前記種結晶２２の反対
側に設けられた前記溶液温度で固相をなす高融点材料か
らなるソース部２４とから構成され、前記溶液材料部２
３を昇温して溶融し、前記溶液温度で前記ソース部２４
と熱平衡する組成を有する前記溶液帯２５を形成する工
程を有することを特徴とする結晶成長方法によって達成
する。

【００２８】この結晶成長方法において、図１０に例示
するように、前記ソース部２４に代えて、前記溶液帯２
５の移動方向に垂直に分割された前記ソース部２４の分
割面に、前記低融点材料からなる溶液形成板２７を挟ん
で構成する積層ソース部２４Ａを用いることを特徴とす
る。また、その結晶成長方法において、前記２元系単結
晶２６ａは、全率固溶系をなす第一及び第二の元素から
なり、前記第一の元素より融点の高い前記第二の元素を
前記高融点材料とすることを特徴とする。

【００２９】上記した課題は、図１２に例示するよう
に、第一の元素及び該第一の元素よりも融点の高い第二
の元素から２元系単結晶を成長させる結晶成長方法にお
いて、前記第二の元素からなるソース棒３４Ｂの一端に
種結晶３２を、前記第一の元素又は前記第一の元素と前
記第二の元素の化合物かなる溶液材料板３３Ｂを介在さ
せて設ける工程と、前記溶液材料板３３Ｂを局部的に加
熱して溶融し、前記第二の元素の飽和溶液からなる溶液
帯３５を形成する工程と、前記溶液帯３５を前記ソース
棒３４Ｂの他端に向けて移動させ、前記ソース棒３４Ｂ
から前記溶液帯３５中へ第二の元素を補給しつつ前記溶
液帯３５から前記種結晶３２上へ２元系単結晶３６を析
出させる工程とを有することを特徴とする結晶成長方法
によって解決する。

【００３０】上記した課題は、図１４に例示するよう
に、種結晶４１の隣に該種結晶４１よりも融点の低い第
１の材料４２と該第１の材料４２よりも融点の高い第２
の材料４３とを交互に１層又は複数層配置してこれらを
容器４４内に収納し、前記種結晶４１が溶融せず且つ前
記第１の材料４２の融点以上の温度で前記第１の材料４
２及び前記第２の材料４３を加熱する温度分布を持つ加
熱雰囲気中に該容器４４を入れ、これにより、前記第１
の材料４２を溶融して液体にするとともに、前記第１の
材料４２の少なくとも前記種結晶４１側の面を融解し、
前記温度分布を前記種結晶４１から前記第２の材料４３
に向けて移動することにより前記液体中の構成元素を出
発材料として該種結晶４表面に結晶４６を成長し、前記
第１の材料４２は、前記種結晶４１に接する前記液体４
５が前記結晶４６の成長により消失した時点で同時に消
失する厚さを有することを特徴とする結晶成長方法によ
り解決する。

【００３１】上記した課題は、図１４に例示するよう
に、成長しようとする化合物Ｙ_xＺ_1- _X（ｘは組成比）
よりなる結晶４６を成長するために、原子量又は分子量
がＭ_Yであって比重ｄ_Yの材料Ｙよりなる第１の材料板
４２と、原子量又は分子量がＭ _Zであって比重ｄ_Zの材
料Ｚよりなる第２の材料板４３を使用し、容器４４内に
おいて、種結晶４１の隣に、次式の関係を満たす厚さｔ
_Yの前記第１の材料板４２と厚さｔ_Z前記該第２の材料
板４３とを順に１層又は複数層交互に配置し、ｔ_Z≦（Ｍ_Z・ｄ_Y／Ｍ_Y・ｄ_Z）・((１−ｘ) ／ｘ)
・ｔ_Y 前記種結晶４１が溶融せず且つ前記材料Ｙの融点以上の
温度で前記第１の材料板４２及び前記第２の材料板４３
を加熱する温度分布を持つ加熱雰囲気中に前記容器４４
を入れ、これにより、前記第１の材料板４２を溶融して
液体４５にするとともに、前記第２の材料板４２の少な
くとも前記種結晶４１側の面を融解し、前記温度分布を
前記種結晶４１から前記第２の材料４３に向けて移動す
ることにより前記液体４５中の構成元素を出発材料とし
て該種結晶４１表面に結晶４６を成長することを特徴と
する結晶成長方法によって解決する。

【００３２】（作用）本発明によれば、温度差成長
法、ゾーン成長法において、種結晶の隣に配置する成長
材料として種類の異なる例えば２元化合物の第１及び第
２の成長材料を使用し、融点の低い第１の成長材料が種
結晶側になるようにそれらの成長材料を交互に１層又は
複数層配置するとともに、これらを加熱雰囲気に置いて
第１の成長材料を溶融して溶液又は融液に変え、低温の
種結晶上に化合物結晶を成長するようにしている。

【００３３】この場合、種結晶上に結晶が成長する一方
で、第２の成長材料の一部が溶融して第１の成長材料か
らなる溶液又は融液中に混合するので、その液体中では
多元の成長材料が育成される。その成長材料は、結晶成
長により消費されることになる。したがって、作成の困
難な３元以上の成長材料を使用することなく、組成均一
性の高い多元材料が種結晶に供給されることになるの
で、種結晶上に組成の均一な結晶を成長できる。種結晶
上に成長する多元結晶の厚さは、第１の成長材料と第２
の成長材料を複数交互に配置することにより厚くなる。

【００３４】また、別の発明によれば、種結晶の隣に配
置する成長材料として種類の異なる単元素からなる第１
及び第２の成長材料を使用し、融点の低い第１の成長材
料が種結晶側になるようにそれらの成長材料を交互に１
層又は複数層配置するとともに、これらを加熱雰囲気に
置いて第１の成長材料を溶融して融液に変え、低温の種
結晶上に２元系結晶を成長するようにしている。

【００３５】この場合にも、２元系結晶が種結晶上に成
長する一方で、第２の成長材料の一部が溶融して第１の
成長材料からなる融液中に混合するので、その融液中で
は２元の成長材料が育成される。その成長材料は結晶成
長により消費されることになる。したがって、作成の困
難な２元の成長材料を使用することなく、組成均一性の
高い２元材料を種結晶に供給することができるので、種
結晶上に組成の均一な２元結晶を成長できる。種結晶上
に成長する２元結晶の厚さは、第１の成長材料と第２の
成長材料を複数交互に配置することにより厚くなる。

【００３６】また、第２の成長材料としてソース棒を使
用し、第１の成長材料として溶液帯を使用して２元結晶
を成長する場合に、ソース棒は単元材料であるので、そ
のソース棒内の組成変動は存在せず、ソース棒と溶液と
の界面の凹凸の発生を防止できる。また、さらに別の発
明によれば、上記した２つの発明における第１の材料と
第２の材料の厚さを最適化しているために、第２の材料
が結晶中に残ることはなくなり、しかも、成長した結晶
の組成が不均一になることもない。

【００３７】

【発明の実施の形態】そこで、以下に本発明の実施形態
を図面に基づいて説明する。（第１実施形態）図１(a) は、本発明の第１実施形態と
して温度差成長法を改善した３元結晶の成長方法に使用
する半導体成長装置の概要構成図、図１(b) はその半導
体成長装置の加熱炉の温度分布を説明する断面図であ
る。

【００３８】まず、図１(a) に示すように、アンプル１
内の一端側に III族又はＶ族の元素Ａ、Ｂ、Ｃのうちの
２又は３成分からなる種結晶２を入れるとともに、その
種結晶２の隣からアンプル１内の他端に向けて出発材料
である溶液材料３と第一の成長材料４とを交互に収納し
た後に、そのアンプル１の全体を閉じた状態にする。II
I族元素としてはAl、Ga、Inがあり、Ｖ族元素としてはP
、As、Abがある（第２実施形態でも同じ）。

【００３９】溶液材料３は元素Ａ、Ｂ、Ｃのうち少なく
とも１成分からなり、また、第一の成長材料４は元素
Ａ、Ｂ、Ｃのうちの２成分からなる。溶液材料３は種結
晶２と第一の成長材料４のいずれよりも融点が低い材料
からなる。種結晶２として例えば単結晶のInGaAsを使用
し、溶液材料３として例えばInかInGa、或いはInGaリッ
チなInGaAsを使用し、第一の成長材料４として例えばGa
Asを使用する。なお、溶液材料３は、その全体がIII-Ｖ
族化合物半導体の化学量論的組成からは構成されてはお
らず、III 族又はＶ族元素がリッチな状態となってい
る。

【００４０】この状態でアンプル１を加熱炉５に入れ
る。アンプル１を筒状の加熱炉５に入れて温度を上げる
と、まず、所定温度Ｔ₁で溶液材料３が溶けて溶液３ａ
となり（図２(a))、さらに温度を上げるとその溶液３ａ
に接触している種結晶２の表面と第一の成長材料４の表
面が溶解し、ついには溶液３ａは元素Ａ、Ｂ、Ｃを含む
ようになって飽和する（図２(b))。

【００４１】そして、種結晶２が低温側になるように、
図１(b) に示すような温度勾配を与える。即ち、種結晶
２では、液晶材料３の融点と同じかそれよりも低い温度
に設定される。また、溶液材料３では、溶液材料３の融
点かそれよりも高い温度で加熱され、しかも種結晶２に
近い領域の温度が低くなるように設定される。また、第
一の成長材料４では、隣接する溶液材料３の加熱温度と
同じかそれよりも高い温度であって、しかも種結晶２に
近い領域の温度が低くなるように設定される。

【００４２】この温度勾配によると、図２(c) に示すよ
うに、温度差成長法の原理によって種結晶２上に元素
Ａ、Ｂ、Ｃよりなる３元の結晶２ａが成長する。また、
溶液３ａの温度の低い側に接する第一の成長材料４の表
面には元素Ａ、Ｂ、Ｃよりなる第二の成長材料６が析出
する。一方、溶液３ａの温度の高い側に接する第一の成
長材料４の表面では溶解が生じ、溶解した材料は溶液３
ａに供給される。

【００４３】なお、図２(c) は、図１(b) の温度勾配を
維持しながら、アンプル１又は加熱炉５の少なくとも一
方を僅かに移動して種結晶２表面での３元結晶２ａの成
長を進めた状態を示している。このような温度勾配を維
持しながら、アンプル１と加熱炉５の少なくとも一方を
さらに移動して、成長速度と同じ速度で種結晶２を低温
側に移動させて成長を続けると図２(d) のように溶液３
ａに隣接する第一の成長材料４は全て溶けて無くなる。
しかし、第一の成長材料４の表面に育成された３元素か
らなる第二の成長材料６が第一の成長材料４の代わりに
存在するので、不足した元素は第二の成長材料６から溶
液３ａ中に少しずつ溶ける。この結果、種結晶２表面に
は３元結晶２ａがさらに成長する。

【００４４】ところで、成長初期は、溶液材料３を溶解
させて溶液３ａとし、この溶液３ａの材料と第一の成長
材料４の表面から溶けた材料に基づいて３元結晶２ａを
析出させているために、その溶液材料３に含まれる１つ
の元素が徐々に減少する。例えばGaAsを第一の成長材料
４に用い、In−Gaを溶液３ａに用いてInGaAsを種結晶２
の表面に析出させる場合には、種結晶２表面でInGaAsの
結晶成長が進むにつれて溶液３ａ内のInが減少し、この
結果、成長する３元結晶２ａのIn組成も徐々に減少す
る。

【００４５】しかし、図２(d) に示す段階まで進むと、
溶液３ａの隣に成長した３元の第二の成長材料（例えば
InGaAs）６の表面が溶けて、そこから不足した元素（I
n）が途切れずに溶液３ａに供給されるので溶液３ａの
組成変動が少なくなり、組成の均一性が向上した３元結
晶成長が可能になる。アンプル１を加熱炉５に入れる場
合には、実際はアンプル１を石英製アンプルに収納する
ので、その具体例を図３に基づいて説明する。

【００４６】本例では、内径２０mm、外径２４mm、長さ
１４mmの円筒状のアンプル１を使用し、その中に２mm厚
のIn_0.1G_0.9As 単結晶よりなる種結晶２を入れ、その上
に、In_0.9Ga_0.1よりなる２mm厚さの溶液材料３とGaAsよ
りなる２mm厚さの第一の成長材料４を順に２層ずつ交互
に重ねる。次に、内径２５mm、外径２８mmの円筒状の石
英製アンプル７の１つの開放端からアンプル１をその中
に入れ、続いて真空ポンプにより石英製アンプル内を５
×１０^-7Torr以下に減圧する。そして、石英製アンプル
７の開放端を溶接によって閉塞すると図３(a) のように
なる。なお、図３(a) 中で符号７ａは溶接部を示してい
る。

【００４７】続いて、図３(b) に示す温度勾配を有する
図１(a) の加熱炉５、例えば電気加熱炉の中に石英製ア
ンプル７を入れ、種結晶２内から種結晶２と溶液材料３
の境界にかけて１０℃／cmの温度勾配をつけた熱分布と
し、その境界の温度が約８００℃になるようにするとと
もに、その境界及び種結晶２から遠くなるにつれて温度
が僅かずつ増えるような温度分布とする。この温度分布
で溶液材料３が溶解して溶液３ａとなり、また種結晶２
及び第一の成長材料４は溶液３ａに接する表面が溶解す
る。

【００４８】そして、石英製アンプル７を低温側の方向
（図中矢印方向）に２．５μｍ／min の速度で移動させ
る。なお、石英製アンプル７を固定して加熱炉５をその
逆方向に同じ速度で移動させてもよい。このような移動
状態を続けて、図２に示すような成長を２６時間行った
ところ種結晶２表面に直径２０mm、長さ４mmのIn_xGa
_1-xAs結晶２ａが成長した。成長した結晶の固相成長
は、成長界面から２mm厚まではｘが０．１から０．０９
まで徐々に減少したが、その後の成長では０．１と一定
であった。

【００４９】ところで、上記した例では、溶液材料３と
第一の成長材料４のそれぞれが交互に２層ずつ重ねられ
ているが、図４(a) に示すように交互に複数層重ねても
よい。これによれば、より長尺の結晶成長を行うことが
できる。さらに、複数の溶液材料３の組成を変えること
により、成長方向に意図的に組成分布を与えることがで
き、また、ドーピングも可能である。

【００５０】ところで、溶液材料３と第一の成長材料４
を交互に複数層重ね、温度勾配を一定にすると、その試
料が長尺過ぎるために、種結晶２と反対側の端部の温度
が高くなり過ぎるので、図４(b) に示すように結晶成長
領域、例えば種結晶２の次から４層目までにのみ温度勾
配をかけ、その他の溶液材料３及び第一の成長材料４で
は平坦な温度分布となるようにすると、過熱が回避され
る。（第２実施形態）図５(a) は、本発明の第２実施形態と
してゾーン法を改善した３元結晶の成長方法に使用する
半導体成長装置の概要構成図、図２(b) はその半導体成
長装置の加熱炉の温度分布を説明する断面図である。

【００５１】まず、アンプル１１内において、その一端
側に３元混晶の種結晶１２を入れ、その隣から他端に向
けて出発材料である第一のIII-Ｖ族２元材料１３と第二
のIII-Ｖ族２元材料１４とを交互に収納した後に、その
アンプル１２の全体を閉じた状態にする。種結晶１２及
び後述する成長結晶は第一のIII-Ｖ族２元材料１３より
も融点が高く、また、第一のIII-Ｖ族２元材料１３は第
二のIII-Ｖ族２元材料１４よりも融点が低い材料からな
る。第一のIII-Ｖ族２元材料１３と第二のIII-Ｖ族２元
材料１４は、 III族元素又はＶ族元素のいずれかが異な
っている。種結晶１２として例えば単結晶のInGaAsを使
用し、第一のIII-Ｖ族２元材料１３として例えばInAsを
使用し、第二のIII-Ｖ族２元材料１４として例えばGaAs
を使用する。

【００５２】この状態で、加熱炉１５に入れる。アンプ
ル１１を筒状の加熱炉１５に入れて温度を上げゆくと、
まず、図６(a)に示すように、第一のIII-Ｖ族２元材料
１３の融点で第一のIII-Ｖ族２元材料１３が溶けて融液
１３ａとなる。さらに第一のIII-Ｖ族２元材料１３の加
熱温度を例えば図１７に示す種結晶１２の融点Ｔa まで
上げると、図６(b) に示すように、融液１３ａに接して
いる種結晶１２表面と第二のIII-Ｖ族２元材料１４表面
が融解し、ついには融液１３ａの組成は例えば図１７の
ｂ点のものになる。

【００５３】このことを考慮して、種結晶１２を温度Ｔ
a 以下、第一のIII-Ｖ族２元材料１３を温度Ｔa 又はそ
れ以上の温度で加熱するとともに、種結晶１２が温度Ｔ
a で低温側になり第二のIII-Ｖ族２元材料１４が高温側
になるように、図５(b) に示すような温度勾配を与え
る。その条件により、第二のIII-Ｖ族２元材料１４のう
ち種結晶１２側の第一面の元素が融液１３ａ中に溶解す
る。

【００５４】これにより、融液１３ａ中における特定の
元素（例えばGa）の濃度は、種結晶１２側の領域よりも
第二のIII-Ｖ族２元材料１４側の領域の方、即ち温度の
高い方が高くなる。そこで、融液１３ａ内においては、
その特定の元素は濃度分布の差によって種結晶１２側
（低温側）に拡散し、ついには種結晶１２寄りの温度Ｔ
a の領域で過飽和になるので図６(c) に示すように種結
晶１２に３元結晶１２ａが成長する。また、同様な現象
によって、第二のIII-Ｖ族２元材料１４のうちの種結晶
１２と反対側の第二の面にはIII-Ｖ族３元材料１６が析
出する。

【００５５】それら３元結晶１２ａ、III-Ｖ族３元材料
１６の成長により、融液１３ａ内の温度の高い側の領域
では特定の元素が未飽和になるため、第二のIII-Ｖ族２
元材料１４の種結晶１２側の第一の面はさらに融解す
る。このような温度の勾配を維持しながら、アンプル１
１又は加熱炉１５の少なくとも一方を移動して、成長速
度と同じ速度で種結晶１２を低温側に移動させて成長を
続けると図６(d) のように融液１３ａに挟まれている第
二のIII-Ｖ族２元材料１４は全て溶ける。

【００５６】一方、第二のIII-Ｖ族２元材料１４の表面
に析出した３III-Ｖ族３元材料１６が第二のIII-Ｖ族２
元材料１４の代わりに存在するので、その表面から３元
材料が徐々に溶け出して融液１３ａに供給されるので、
種結晶１２の表面にさらに３元結晶１２ａが成長する。
成長初期は、第一のIII-Ｖ族２元材料１３を溶解させて
融液１３ａとし、この融液１３ａの材料と第二のIII-Ｖ
族２元材料１４の表面から溶けた材料から３元結晶１２
ａを析出させるために、その溶液１３ａに含まれる１つ
の元素が徐々に減少する。例えば第二のIII-Ｖ族２元材
料１４としてGaAsを用い、融液１３ａとしてIn−Asを用
いてInGaAsの３元結晶１２ａを析出させる場合には、結
晶成長が進むにつれて融液１３ａのIn組成は減少し、こ
のため、析出する３元結晶１２ａのIn組成も徐々に減少
する。

【００５７】しかし、図６(d) の段階まで進むと、第二
のIII-Ｖ族２元材料１４の代わりに成長したIII-Ｖ族３
元材料（例えばInGaAs）１６の表面から不足した元素
（In）が次々に供給されるので溶液１３ａの組成変動が
少なくなるため、組成の均一性が向上した結晶成長が可
能になる。アンプル１１を加熱炉１５に入れる場合に
は、実際はアンプル１１を石英製アンプルに収納するの
で、その具体例を図７(a) に基づいて説明する。

【００５８】本例では、内径２０mm、外径２４mm、長さ
１４mmの円筒状のアンプルを使用し、その中に２mm厚の
InGaAs単結晶よりなる種結晶１２を入れ、その上に、In
Asよりなる１mm厚さの第一のIII-Ｖ族２元材料１３とGa
Asよりなる２mm厚さの第二のIII-Ｖ族２元材料１４を順
に２層ずつ交互に重ねる。次に、内径２５mm、外径２８
mmの円筒状の石英製アンプル１７の開放された一端から
アンプル１１をその中に入れ、続いて真空ポンプにより
石英製アンプル内を５×１０^-7Torr以下に減圧する。そ
して、石英製アンプル１７の開放端を溶接によって閉塞
して溶接部１７ａを形成する。

【００５９】続いて、図７(b) に示すような温度勾配を
有する加熱炉１５、例えば電気加熱炉の中に石英製アン
プル１７を入れてアンプル１１を９４２℃で加熱する
と、InAsよりなる第一のIII-Ｖ族２元材料１３が融解し
て融液１３ａとなり、さらに温度を上げると、融液１３
ａに接触しているInGaAsよりなる種結晶１２表面とGaAs
よりなる第二のIII-Ｖ族２元材料１４表面が融解し、さ
らに昇温して１１７０℃まで達すると融液１３ａの組成
はIn_0.37Ga_0.63Asになる（図１７のｂ点）。

【００６０】融解が生じた結果、種結晶１２の厚さは
１．２mmとなり、また、第二のIII-Ｖ族２元材料１３の
うち種結晶１２に近い側の１層目が０．４mmに減少し、
種結晶１２に遠い２層目側が１．２mmに減少した（図６
(b))。次に、種結晶１２と融液１３ａの境界の温度を１
１７０℃に保ち、その境界から種結晶１２内までの範囲
で１０℃／cmの温度勾配をつけるとともに、種結晶１２
及びその境界から遠くなるにつれて温度が少しずつ上が
るような温度分布とする。

【００６１】そして、石英製アンプル１７を低温側の方
向（図中矢印方向）に３０μｍ／min の速度で移動させ
る。なお、加熱炉をその逆方向に同じ速度で移動させて
もよい。このような移動状態を続けて、図６に示すよう
な成長を１時間行ったところ、種結晶１２に直径２０m
m、長さ１．６mmのIn_xGa_1-xAsの３元結晶１２ａが成
長した。この成長した３元結晶１２ａでは、単結晶１２
との界面から厚さ１．６mmの領域で組成比ｘが０．０５
と一定であった。

【００６２】ところで、上記した例では、第一のIII-Ｖ
族２元材料１３と第二のIII-Ｖ族２元材料１４のそれぞ
れが交互に２層ずつ重ねられているが、図８(a) に示す
ように交互に複数層重ねてもよい。これによれば、より
長尺の結晶成長を行うことができる。さらに、第一のII
I-Ｖ族２元材料１３と第二のIII-Ｖ族２元材料１４の組
成を変えることにより、成長方向に意図的に組成分布を
与えることができ、また、ドーピングも可能である。

【００６３】このように第一のIII-Ｖ族２元材料１３と
第二のIII-Ｖ族２元材料１４を交互に３層以上重ねる場
合に、温度勾配が一定であると、アンプル１１が長尺な
ために端部の温度が高くなり過ぎる。そこで、図８(b)
に示すように結晶成長領域、例えば種結晶１２の次から
４層目までの領域にのみ温度勾配をかけ、その他の領域
では温度変化を無くするようにすると、種結晶１２の無
い側の端部での過熱が回避される。（第３実施形態）図９は、本実施形態の原理を説明する
断面工程図であり、図９(b) 〜(e) はアンプルの断面
を、図９(a) は成長炉内の温度分布を表している。

【００６４】本発明の第一の構成では、図９に示すよう
に、アンプル２１内に種結晶２２、溶液材料部２３及び
ソース部２４がこの順序で密着して封入される。溶液材
料部２３及びソース部２４は、ともに二元系単結晶の原
材料である第一の元素及び第二の元素からなる。溶液材
料部２３は二元系単結晶の組成よりも低融点元素である
第一の元素に富み、結晶成長温度Ｔg₃で液相をなす。他
方、ソース部２４は二元系単結晶の組成よりも高融点の
第二の元素に富み、結晶成長温度Ｔg₃で固体をなす。

【００６５】従って、図９(a) に示すように、アンプル
２１内の原材料２０部分を結晶成長温度Ｔg₃に保持する
ことで、図９(c) に示すように、溶液材料部２３は溶融
して溶液帯２５を形成する。この溶液帯２５は、ソース
部２４の一部を溶解して高融点の第二元素を補給しつつ
その幅を広げ、組成比ｘｍの溶液帯２５となってソース
部２４と熱平衡状態に達する。

【００６６】ついで、アンプル２１を成長炉（不図示）
に対して相対的に先端２１ａ方向に移動する。これによ
り、図９(d) に示すように、溶液帯２５はソース部２４
を溶融しつつ後端２１ｂ方向に移動し、同時に種結晶２
２上に単結晶２６が成長する。本構成では、ソース部２
４は結晶成長温度Ｔg₃で溶融しない組成の材料から形成
される。従って、ソース部２４内部にその一部が溶融し
て形成される液滴が発生しない。その結果、溶液帯２５
とソース部２４との固相液相界面は結晶成長の間中平滑
に保たれ、結晶成長条件が擾乱されないから、組成の均
質な二元系結晶が製造される。

【００６７】かかるソース部２４は高融点の第二の元
素、例えばGe−Si系においては、Si単体とすることもで
きる。この方法では、ソース部２４の組成分布を極めて
均一に又は高純度にすることができる。かかるソース部
２４は高融点の第二の元素、例えばGe−Si系においては
Si単体にすることもできる。この方法では、ソース部２
４の組成分布を極めて均一に又高純度にすることができ
る。

【００６８】他方、溶液材料部２３は、結晶成長温度Ｔ
g₃において確実に溶融するように、低融点の第一の元
素、例えばGe−Si系においてはGeを、組成比ｘｍよりも
十分多く含有する組成にすることが好ましい。このよう
に溶液材料部２３に低融点の元素を多量に含ませること
は、次に説明するように長尺の単結晶２６を製造するた
めにも好ましい。これらの理由から、溶液材料部を低融
点の第一の元素、例えばGe−Si系においてはGe単体とす
ることがより好ましい。

【００６９】単結晶と同一組成のソース部を用いる従来
の方法では、単結晶の成長により溶液帯から消費される
溶液中の元素は、単結晶と同一組成のソース部の溶解に
より消費量と同量が補給され、その結果、一定幅の溶液
帯が保持される。これに対して、本構成では、上述のよ
うにソース部２４は、成長する単結晶２６の組成比ｘｓ
よりも高融点の第二の元素を多く含有する。したがっ
て、結晶成長中にソース部２４から溶液帯２５中に補給
される低融点の第一の元素の量は、結晶成長で消費され
る第一の元素の量よりも少ない。このため、溶液帯２５
に含まれる低融点の第一の元素の絶対量は結晶成長とと
もに減少する。他方、溶液帯２５は結晶成長温度Ｔg₃で
常に組成比ｘｍを保持するから、図９(d) に示すよう
に、溶液帯２５は結晶成長とともにその幅が縮小し、図
９(e) に示すように、最後は溶液帯２５も固化して消失
する。

【００７０】即ち、本構成により製造しうる結晶の長さ
は、溶液材料部２３の低融点の第一の元素の絶対量及び
ソース部２４の組成比に依存する。従って、溶液材料部
２３は低融点の第一の元素を多く含む組成、例えば第一
の元素単体とすることが、長い単結晶を製造するために
好ましい。なお、図９(e) に示すように、結晶成長終了
時にソース部２４の一部を残すことにより、結晶終了後
に単結晶２６の端面に接する溶液を固化するための急冷
を不要とし、また、溶液を結晶成長終了まで安定に保持
することができる。これにより高温において急激な熱的
又は機械的衝撃を単結晶２６ａに与えることが回避さ
れ、結晶品質の劣化を防止できる。なお、結晶成長終了
時にソース部２４の一部を残すことは、本実施形態にお
いて必ずしも必要ではない。

【００７１】本実施形態の第二の構成は、長尺単結晶を
製造するための第一の構成の改良に関する。第二の構成
では、図１０(a) に示すように、ソース部２４をアンプ
ル２１の軸に垂直に分割し、分割面に溶液形成板２７を
挟持させた積層ソース部２４Ａを形成する。この溶液形
成板板２７は、少なくとも結晶成長温度Ｔg₃で液体にな
る低融点材料からなる。このソース部２４及び溶液形成
板２７はそれぞれ第一の構成で示したソース部２４及び
溶液材料部２３と同じ材料から構成され、Si及びGeにす
ることが材料組成の均一性及び純度の観点から好まし
い。

【００７２】かかる構成では、アンプル２１を結晶成長
温度Ｔg₃に保持したとき、図１０(b) に示すように、種
結晶２２に接して形成される溶液帯２５ａの他に、溶液
形成板２７が溶融することで積層ソース部２４Ａの各分
割部分に溶液帯２５ｂ〜２５ｄが形成される。これらの
溶液帯２５ａ、２５ｂは、図１０(c) に示すように、ア
ンプル２１をその先端２１ａ方向に移動することによ
り、溶液帯２５ａ，２５ｂの後端２１ａ側に接するソー
ス部２４ａ〜２４ｄを溶解しつつアンプル２１に対して
後端２１ａ方向に移動し、溶液帯２５ａ，２５ｂの先端
２１ｂ側に二元系結晶２６ａ〜２６ｄを析出する。この
とき、種結晶２２に接した溶液帯２５ａからは二元系単
結晶２６ａが析出する。他方、ソース部２４ａ〜２４ｄ
に挟まれた溶液帯２５ｂ〜２５ｄからは単結晶又は多結
晶の二元系結晶２６ｂ〜２６ｄが析出する。

【００７３】このソース部２４ａ〜２４ｄに挟まれた溶
液帯２５ｂ〜２５ｄから析出した二元系結晶２６ｂ〜２
６ｄは、各溶液帯２５ｂ〜２５ｄの温度で定まる組成を
有する。通常は、各融液帯２５ｂ〜２５ｄの温度は、結
晶成長温度Ｔg₃よりも僅かに高温に保持される。従っ
て、これらの二元系結晶２６ｂ〜２６ｄは、結晶成長温
度Ｔg₃における結晶の平衡組成比ｘｓより僅かに多くの
高融点の第二の元素を含有する。

【００７４】他方、種結晶２２に接した溶液帯２５ａか
ら析出した二元系単結晶２６ａは、結晶成長温度Ｔg₃に
おける平衡組成比ｘｓを有する。この溶液帯２５ａは、
ソース部２４ａの組成がｘｓより高融点の第二の元素を
多く含むために、二元系単結晶２６ａの成長とともに低
融点の第一の元素が減少し、溶液帯２５ａの幅が短くな
る。

【００７５】しかし、溶液帯２５ａが移動してソース部
２４ａの端に到達し、二元系結晶２６ｂを溶解し始める
と、二元系結晶２６ｂの組成比は二元系単結晶２６ａの
組成比ｘｓに極めて近いため、それ以後は溶液帯２５ａ
の幅は殆ど変化しない。このため、溶液帯２５ａの消失
時点が大幅に延長される。従って、単一の溶液帯２５ａ
を用いる場合に較べ、長尺の二元系単結晶２６ａを製造
できる。また、この二元系結晶２６ｂは、溶液帯２５ｂ
から析出して形成されるため、非常に均質な組成を有す
る。従って、溶液の急冷により又は粉体の焼結により製
造したソース部２４に比較して、均質な組成のソース部
として機能するから、二元系単結晶２６ａの均質性を優
れたものにできる。

【００７６】さらに、図１０(a) に示すように、結晶長
をより長くするために、溶液形成板２７を複数個設けて
もよい。また、溶液帯２５ａ〜２５ｄに挟まれるソース
部２４ａ〜２４ｃの幅を、各溶液帯２５ａ〜２５ｄが消
失することなく通過できる長さに設定してもよい。この
場合、二元系単結晶２６ａの成長に直接関与する溶液帯
２５ａが、組成変動の激変する領域を通過するのは、最
初のソース部の通過時のみに留まるから、成長中の擾乱
が少なく良質の結晶が製造される。

【００７７】なお、上述の第一、第二の構成の作用をSi
−Ge系について説明したが、全率固溶する二元系であれ
ばよく、さらには一方の元素又は双方の元素をコングル
エントな中間化合物に代えて適用してもよい。さらに、
本発明において、成長温度Ｔg₃は必要な組成比ｘｓを決
定するものであり、必ずしも一定温度である必要はな
く、必要に応じて成長途中に変動するものであっても差
し支えない。

【００７８】次に、組成比ｘｓが０．９０であるSi_0.90
Ge_0.10単結晶の製造について説明する。図１１は、図１
０に示す装置をより具体的に表した断面図であり、図１
１(a)はブリッジマン炉断面を、図１１(b) はその垂直
軸に沿った炉内温度分布を示している。

【００７９】まず、図１１(a) に示すように、内径２０
mm、外径２２mm、長さ５０mmの石英管からなるアンプル
２１内に、種結晶２２として厚さ５mmのシリコン単結晶
板と、溶液材料部２３として厚さ１mmのゲルマニュウム
円板と、積層ソース部２４Ａとを順に挿入し、さらに真
空封入する。積層ソース部２４Ａは、厚さ２mmのシリコ
ン単結晶円板からなるソース部２４ａ〜２４ｃと厚さ１
mmのゲルマニウム円板からなる溶液形成板２７ａ〜２７
ｃとを交互に重畳し、さらに終端２１ｂに最も近いソー
ス部２４ｄとして厚さ５mmのシリコン単結晶円板を重畳
して構成される。これらの部材は、図１１(a) に示すよ
うに、アンプル２１内の先端２１ａ及び後端２１ｂ部分
に設けられたカーボンブロック３０により押止めされ、
互いに密着して固定される。

【００８０】結晶成長には、図１１(a) に示すように、
内壁にヒータ２８が設けられた管状の炉体２９を有する
ブリッジマン炉を用いた。部材を封止したアンプル２１
を、炉体２９内に吊り下げ、さらに昇温する。図１１
(b) に示すように、炉体２９内の温度分布は、炉入口は
低温に保たれ、炉中央から下方にかけての温度分布は下
方に僅かに高温となる温度勾配が与えられる。また、入
口から一定距離下方に離れた位置Ａにおいて成長温度Ｔ
g₄となるように温度勾配が与えられる。

【００８１】初めに、アンプル２１は、溶液材料部２３
が位置Ａに位置するように吊り下げられる。従って、溶
液材料部２３、ソース部２４ａ〜２４ｄ及び溶液成形板
２７ａ〜２７ｃは、成長温度Ｔg₄以上の温度に加熱され
る。その結果、図１０(b) に示すように、溶液材料部２
３及び溶液形成板２７ａ〜２７ｃは溶融し、溶液帯２５
ａ〜２５ｄを形成する。この溶液帯２５ａ〜２５ｄは、
種結晶２２及びソース部２４ｃ〜２４ｄを溶解してその
幅を広げ、熱平衡の組成に達して一定幅を維持する。こ
のとき、炉内温度は下方に高温となる温度勾配を有する
ため、各溶液帯２５ａ〜２５ｄは主としてその下方に接
するソース部２４ａ〜２４ｃの溶解は僅かに留まる。こ
のとき、ソース部２４ｃ〜２４ｄはシリコン単体の棒か
ら構成されるため、組成の均一性は非常に優れ、ソース
部２４ｃ〜２４ｄ内部に液滴を生じることはない。

【００８２】ついで、図１１(a) に示すように、炉体２
９を２mm／時の速度で下方に移動する。その結果、図１
１(b) に示すように、位置Ａも下方に移動するから、こ
の成長温度Ｔg₄を保持する位置Ａはアンプル２１を上か
ら下に走査するようにアンプル２１の後端方向に向けて
移動する。この位置Ａの移動に追従して、図１０(c)に
示すように、溶液帯２５ａ〜２５ｂはアンプル２１の後
端２１ｂ方向に移動し、各溶液帯２５ａ〜２５ｂのアン
プル１の先端２１ａ側の固相液相界面に二元系結晶２６
ａ〜２６ｄを析出する。

【００８３】このうち、もっとも先端２１ａに近い二元
系結晶２６ａは、溶液温度が成長温度Ｔg₄に保持された
溶液帯２５ａから析出し、成長温度Ｔg₄における平衡組
成を有する組成比ｘｓを有し、かつ種結晶２２上に析出
した二元系単結晶２６ａとなる。本例では、成長温度Ｔ
g₄を１３５０℃とし、組成比ｘｍ＝０．７５の溶液帯２
５ａから組成比ｘｓ＝０．９０のSi_0.90Ge_0.10単結晶を
製造した。他の溶液帯２５ｂ〜２５ｄから析出する二元
系結晶２６ｂ〜２６ｄは、成長温度Ｔg₄よりも僅かに高
温の各溶液帯２５ｂ〜２５ｄと平衡する組成比、即ち組
成比ｘｓ＝０．９０よりも僅かに大きな組成比を有する
単結晶として成長した。

【００８４】図１０(d) は、アンプル１を２mm／時の速
さで結晶成長開始位置から略３mm移動したときの状況を
表している。図１０(d) に示すように、溶液帯２５ａ〜
２５ｄの間に挟まれたソース部２４ａ〜２４ｃは、溶液
帯２５ａ〜２５ｃの通過により消失し、二元系結晶２６
ｂ〜２６ｃに変換されている。各溶液帯２５ａ〜２５ｃ
は、この変換された二元系結晶２６ｂ〜２６ｃをソース
源とし、さらに続けて、種結晶２２上に析出する単結晶
２６ａを含めて、二元系結晶２６ａ〜２６ｄを成長す
る。なお、アンプル２１の後端２１ｂに最接近する溶液
帯２５ｄはGeを消耗して消失している。また、最後端の
ソース部２４ｄは幅が広いために溶液帯２５ｄが通過す
ることはない。

【００８５】さらに、アンプル２１の移動が進行する
と、図１０(e) に示すように、種結晶２２上に析出する
組成比ｘｓ＝０．９０のSi_0.90Ge_0.10単結晶２６ａは、
変換された二元系結晶２６ｂをソース源として成長を続
ける。一方、溶液帯２５ａ〜２５ｃは、Geを消耗して最
高端に位置するものから順次消失する。最後の溶液帯２
５ａの消失によりアンプル１内の全原料が固化し、結晶
成長は終了する。

【００８６】これにより、略１２mm長の結晶組成が均一
なSi_0.90Ge_0.10単結晶を製造することができた。本例で
は、結晶成長終了時には全原料が固化しているため、そ
の後の冷却過程で単結晶に欠陥が導入される危険が少な
いという利点がある。（第４実施形態）本実施形態の構成は、第３実施形態の
第一の構成をフローティングゾーン法に適用したもの
で、融点の低い第一の元素、例えばGeと融点の高い第二
の元素、例えばSiとの二元系単結晶の製造方法に関す
る。

【００８７】以下、SiとGeよりなる二元系の実施形態を
説明する。本実施形態では、図１２(a) 〜(c) に示すよ
うに、垂下されたSiからなるソース棒３４Ｂの下端にGe
よりなる溶液材料板３３Ｂを挟んで種結晶３２が設けら
れている。ついで、溶液材料板３３Ｂ近傍を高周波コイ
ルを用いて誘導加熱し、溶液材料板３３Ｂを溶融し、Si
とGeとの混合溶液からなる溶液帯３５を形成する。つい
で、溶液帯３５を上方に移動することで、種結晶３２上
にSi−Ge単結晶３６が成長する。

【００８８】本構成では、ソース棒３４Ｂは単体元素で
作られているから、ソース棒３４Ｂの組成変動は実用上
無視することができる。このため、第３実施形態の第一
の構造と同様に、溶液帯３５とソース棒３４Ｂとの界面
の凹凸の発生を防止でき、品質の優れた単結晶が製造さ
れる。次に、組成比ｘｓが０．９０であるSi_0.90Ge_0.10
結晶の製造について説明する。

【００８９】図１２(a) に示すように、ソース棒３４Ｂ
として直径２０mm、長さ５０mmのSi単結晶棒を垂下す
る。そのSi単結晶棒の下端に溶液材料板３３Ｂとして直
径２０mm、長さ５mmのSi_0.5Ge_0.5多結晶円板を密着し、
さらにその下端に種結晶３２として直径２０mm、長さ５
０mmのSi単結晶棒を下方から押圧し、密着して設けた。
まず、溶液材料板３３Ｂをその周囲か取り巻く高周波コ
イル３１により加熱し、溶融して溶液帯３５を形成す
る。ついで、図１２(b) に示すように、溶液帯３５の温
度分布を均一にするため、種結晶３２及びソース棒３４
Ｂを反対方向に垂直軸廻りにそれぞれ３回転／分で回転
しながら、溶液帯３５を温度１３５０℃に昇温する。こ
の結果、溶液帯３５は種結晶３２及びソース棒３４Ｂを
溶融し、組成比がSi_0.75Ge_0.25の厚さ６．３５mmの溶液
帯３５となり平衡した。

【００９０】ついで、種結晶３２及びソース棒３４Ｂを
下方に２mm／時の速さで移動し、即ちコイル３１を相対
的に上方に移動することにより、溶液帯３５の下方、種
結晶３２上に析出した組成がSi_0.90Ge_0.10の長さ１０mm
の二元系単結晶３６が成長した。（第５実施形態）上記した第１〜第３の実施形態では、
種結晶に結晶を成長させるために、種結晶に隣接して２
つの成長材料を交互に配置している。

【００９１】それら２つの成長材料のうち溶液又は融液
となる第一の成長材料の厚さと、溶液又は融液に原料を
供給する第二の成長材料の厚さを適正に設定することは
重要である。即ち、第二の成長材料が厚すぎると、成長
した結晶中に第二の成長材料の分子又は原子が残っしま
う。これに対して第二の成長材料が薄すぎると、溶液又
は融液への材料の供給が途中で停止するために均一な組
成をもつ２元結晶又は３元結晶を種結晶上に成長できな
くなる。

【００９２】そこで以下に、必要とされる第一の材料と
第二の材料のそれぞれを適正な厚さに設定した場合の結
晶成長について説明する。化学量論的組成を保っている
融液を用いる結晶成長法において、ＹとＺはそれぞれ原
子又は分子とすると、Ｙ_xＺ_1-X結晶を成長するために
必要とされるＹとＺの量は次のように計算される。な
お、組成比ｘは、Ｙ及びＺの総原子数をＹの総原子数で
割った値、またはＹ及びＺの総分子数をＹの総分子数で
割った値である。

【００９３】Ｙの総原子数（又は分子数）は、次の式
（１）の関係がある。（ｔ_Y・Ｓ・ｄ_Y／Ｍ_Y）・Ａ＝（ｔ_YZ・Ｓ・ｘ・ｄ_YZ ／Ｍ_YZ）・Ａ …（1) Ｚの総原子数（又は分子数）は、次の式（１）の関係が
ある。（ｔ_Z・Ｓ・ｄ_Z／Ｍ_Z）・Ａ＝（ｔ_YZ・Ｓ・（１−ｘ）・ｄ_YZ ／Ｍ_YZ）・Ａ …（2) ここに、ｔ_Yは、Ｙの元素を有する第一の材料の厚さ
で、ｔ_Zは、Ｚの元素を有する第二の材料の厚さで、ｔ
_YZは、種結晶上に成長する結晶の厚さで、Ｓはアンプル
の断面積、ｄ_Yは、Ｙの元素を有する第一の材料の比重
で、ｄ_Zは、Ｚの元素を有する第二の材料の比重で、ｄ
_YZは、種結晶上に成長した結晶の比重で、Ｍ_Yは、Ｙの
元素を有する第一の材料の原子量（又は分子量）で、Ｍ
_Zは、Ｚの元素を有する第二の材料の原子量（又は分子
量）で、Ｍ_YZは、種結晶上に成長した結晶の分子量、Ａ
はアボガドロ数である。

【００９４】従って、式(1) 及び(2) より原理的には次
の式(3) が成立し、この式を満たすようにｔ_Yとｔ_Zの
厚さを設定する。ｔ_Z＝（Ｍ_Z・ｄ_Y／Ｍ_Y・ｄ_Z）・((１−ｘ) ／ｘ) ・ｔ_Y …(3) 次に、第一の材料としてInAs板、第二の材料としてGaAs
板を使用してIn_XGa_1- _XAsを結晶成長する場合について
説明する。

【００９５】InAs板の厚さを１mmにした場合に、上記し
た式(3) を満たすGaAs板の厚さｔ_Zを図１３に示す。そ
のような図１３の関係を満たすようにGaAsの厚さｔ_Zを
設定することにより、原理的には、InAsとGaAsを交互に
複数重ねてInGaAsの成長を無限に継続することができ
る。図１４(b) は、GaAs種結晶４１の隣にInAsよりなる
第一の材料４２ａ，４２ｂ，４２ｃとGaAsよりなる第二
の材料４３ａ，４３ｂ，４３ｃを交互に３層ずつ配置
し、これを石英アンプル４４に入れ、そして、図１４
(a) に示すような温度分布を有する加熱炉（不図示）に
入れる。その温度分布によって、結晶成長開始時には図
１４(b) に示すように、第一の材料４２ａ，４２ｂ，４
２ｃと第二の材料４３ａ，４３ｂ，４３ｃの温度は、In
Asの融点Ｔg₅以上に高く且つ一定に設定される。

【００９６】これにより、図１４(c) に示すように、第
一の材料４２ａ，４２ｂ，４２ｃが融解して融液４５
ａ，４５ｂ，４５ｃに変わるとともに、融液４５ａ，４
５ｂ，４５ｃに接する第二の材料４３ａ，４３ｂ，４３
ｃの両面でGaAsが融解する。この結果、GaAsが溶け込ん
だ融液４５ａ，４５ｂ，４５ｃはInGaAsよりなる三元融
液となる。

【００９７】その後に、図１４(d) に示すように、第一
の材料４２ａから種結晶４１に向く方向（以下、前方と
いう）に石英アンプル４４を移動させると、種結晶４１
の表面に単結晶のIn_xGa_1-xAs結晶４６が成長するとと
もに、最前の融液４５ａ中の組成を一定にするように融
液４５ａの後方の第二の材料４３ａからGaAsが溶け出
し、これにより第二の材料４３ａは薄くなる。この時、
最前の融液４５ａにはInAs成分は補給されないので、そ
の融液４５ａも薄くなる。また、中央の融液４５ｂは飽
和状態になるので最前の第二の材料４５ａのGaAsが後方
へ溶解することはない。

【００９８】そして、第一の材料４２ａと第二の材料４
３ａが式(3) を満たしていると、図１４(d) に示すよう
に、最前の融液４５ａが無くなると同時に第二の材料４
３ａが消失し、In_xGa_1-xAs結晶４６には二番目の融液
４５ｂが接触して結晶成長が進むことになる。このよう
な過程が繰り返され、図１４(e),(f) に示すように、最
後の融液４５ｃに到達しての融液４５ｃが消失した時点
で結晶成長は終了する。

【００９９】以上の結晶成長過程において、成長界面の
位置は殆ど移動しないので成長したIn_xGa_1-xAs結晶４
６の組成はほぼ一定となる。なお、第二の材料４３ａ，
４３ｂ，４３ｃの後方には第２実施形態に示したような
結晶は成長しない。これは、第一の材料４２ａ，４２
ｂ，４２ｃと第二の材料４３ａ，４３ｂ，４３ｃの温度
が均一になるような温度分布にしているので、融液４５
ｂ，４５ｃが飽和状態になった時点で第二の材料４３
ｂ，４３ｃの溶融が止まるからである。

【０１００】以上のように第二の材料４３ａ，４３ｂ，
４３ｃの厚さを決定すると、第二の材料４３ａ，４３
ｂ，４３ｃを構成するGaAs化合物が成長した結晶内に残
ることはなくなり、成長する結晶の結晶性が向上する。
また、第二の材料４３ａ，４３ｂ，４３ｃを構成する化
合物が全て溶解するので、融液の組成が変動することも
ない。

【０１０１】そして、InAsよりなる第一の材料４２ａ，
４２ｂ，４２ｃとGaAsよりなる第二の材料４３ａ，４３
ｂ，４３ｃを、それぞれほぼ１００％の均一組成をもつ
InGaAs結晶の成長に寄与させることができるので、材料
の無駄がなくなる。さらに、結晶成長の最終端において
第二の材料４３ａ，４３ｂ，４３ｃの残留物がなくなる
ので、成長した結晶４６と第二の材料４３ａ，４３ｂ，
４３ｃとの格子不整合による歪みが生じることはなく、
成長した結晶にクラックは発生しない。

【０１０２】次に、InAsとGaAsを１組使用して固相組成
０．１のInGaAs結晶を成長する例を図１５(a) 〜(c) に
基づいて説明する。まず、図１５(a) に示すように、Ga
As種結晶５１とInAs板５２とGaAs板５３を内径１５mmの
石英アンプル５４内に順に真空封止する。InAs板５２の
厚さを２mm、GaAs板５３の厚さを７mmとする。

【０１０３】式(3) によると、GaAs板５３の厚さは７．
３１３mmとなるが、これよりも僅かに薄くして結晶成長
過程においてGaAs板５３を確実になくすようにする。そ
の後に、石英アンプル５４を縦型成長炉５５に入れてそ
の中でArガスで３気圧に加圧する。次に、図１５(b) の
実線で示すような温度分布になるように徐々に温度を上
げる。その温度分布は、成長開始時に、種結晶５１とIn
As板５２の界面でInAsの融点よりも僅かに低温に設定す
るとともに、InAs板５２及びGaAs板５３の温度をInAsの
融点以上の１１２２℃に設定する。また、種結晶５１と
InAs板５２の界面から種結晶５１内に向けて加熱温度は
２０℃／cmの割合で徐々に低くなるような温度分布にす
る。これにより、種結晶５１の表面からGaAsが殆ど溶け
出さないようにする。

【０１０４】この状態を１時間保持した後に、石英アン
プル５４を下方へ１mm／hourの速さで１０時間移動させ
て結晶成長を終了する。これにより、図１５(c) に示す
ような外径１５mm、長さ８mmの均一組成を持つIn_0.1Ga
_0.9As単結晶５６が成長する。成長した結晶内部と最終
端にはGaAsの残留がなく、結晶性の良いInGaAsが成長さ
れている。

【０１０５】なお、種結晶５１として、成長しようとす
る結晶に格子定数が近いInGaAsを用いる方が好ましい。
図１６(a) は、石英アンプル５４内にInAs板５２とGaAs
板５３を２層ずつ交互に配置した場合を示している。こ
の場合も図１６(b) に示すように前の例と同じような温
度分布と同じ製造過程を経てIn_0.1Ga_0.9As単結晶５６が
成長する。成長中の石英アンプル５４の移動時間は１８
時間である。

【０１０６】これにより、図１６(c) に示すような外径
１５mm、長さ１６mmの組成が均一のInGaAs結晶が成長す
る。なお、具体例としてIII-Ｖ族化合物半導体を結晶成
長する場合について説明したが、第３実施形態に示した
Si−Geのような偏析する２元系結晶を成長する場合にも
同様な関係が成立する。

【０１０７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、種結
晶の隣に種類の異なる第１及び第２の成長材料を使用
し、融点の低い第１の成長材料が種結晶側になるように
それらの成長材料を交互に１層又は複数層配置するとと
もに、これらを加熱雰囲気に置いて第１の成長材料を溶
融して溶液又は融液に変えるとともに、温度分布の調整
によって、第２の成長材料の一部を溶融させて溶液又は
融液に供給して成長材料を育成し、その成長材料を種結
晶上に結晶成長するようにした。

【０１０８】したがって、作成の困難な２元又は３元以
上の成長材料を使用することなく、組成均一性の高い多
元材料が種結晶に供給されることになるので、種結晶上
に組成の均一な結晶を成長できる。種結晶上に成長する
２元又は多元の結晶の厚さは、第１の成長材料と第２の
成長材料を複数交互に配置することにより厚くできる。

【０１０９】また、第２の成長材料としてソース棒を使
用し、第１の成長材料として溶液帯を使用して２元結晶
を成長する場合に、ソース棒は単元材料であるので、そ
のソース棒内の組成変動は存在せず、ソース棒と溶液と
の界面の凹凸の発生を防止できる。また、別の発明によ
れば、上記した第１の材料と第２の材料の厚さを最適化
しているために、第２の材料が結晶中に残ることを防止
し、成長した結晶の組成の均一性を高くすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に使用する結晶成長装置
の概要構成図と加熱温度分布図である。

【図２】本発明の第１実施形態の結晶成長の過程を示す
断面図である。

【図３】本発明の第１実施形態に使用する結晶成長装置
のより具体的な例を示す断面図とその加熱温度分布図で
ある。

【図４】本発明の第１実施形態に使用する結晶成長装置
の更に別な具体例を示す断面図とその加熱温度分布図で
ある。

【図５】本発明の第２実施形態に使用する結晶成長装置
の概要構成図と加熱温度分布図である。

【図６】本発明の第２実施形態の結晶成長の過程を示す
断面図である。

【図７】本発明の第２実施形態に使用する結晶成長装置
のより具体的な例を示す断面図とその加熱温度分布図で
ある。

【図８】本発明の第２実施形態に使用する結晶成長装置
の更に別な具体例を示す断面図とその加熱温度分布図で
ある。

【図９】本発明の第３実施形態の結晶成長方法における
加熱炉内温度分布図と、その温度分布下での結晶成長過
程を示す断面図である。

【図１０】本発明の第３実施形態の結晶成長方法におい
て、複数の溶液材料部とソース部を複数交互に配置する
場合の結晶成長過程を示す断面図である。

【図１１】本発明の第３実施形態の結晶成長方法に使用
する装置をより具体的に示した断面図と、その装置内の
温度分布図である。

【図１２】本発明の第４実施形態の結晶成長方法を示す
断面図である。

【図１３】本発明の第５実施形態の結晶成長方法におい
て、InGaAs結晶を成長する際に使用するGaAs板とInAs板
の膜厚の一例を示す図である。

【図１４】本発明の第５実施形態の結晶成長方法におけ
る加熱炉内温度分布図と、その温度分布下での結晶成長
過程を示す断面図である。

【図１５】本発明の第５実施形態によりInGaAs結晶を成
長する場合の加熱炉内温度分布図と、その温度分布下で
の結晶成長過程を示す断面図である。

【図１６】本発明の第５実施形態によりInGaAs結晶を長
く成長する場合の加熱炉内温度分布図と、その温度分布
下での結晶成長過程を示す断面図である。

【図１７】結晶成長の固相と液相の関係の一例を示すIn
As−GaAs準２元系状態図である。

【図１８】従来のIII-Ｖ族化合物半導体結晶成長に使用
する装置の一例を示す概要構成図とその装置の炉内温度
分布図である。

【図１９】シリコン・ゲルマの全率固溶二元系図であ
る。

【図２０】従来のシリコン・ゲルマ結晶成長に使用する
装置の一例を示す概要構成図とその装置の炉内温度分布
図である。

【符号の説明】

１アンプル２種結晶層３溶液材料層４成長材料層５加熱炉６第二の成長材料層６ａ３元の結晶７石英製アンプル１１アンプル１２種結晶層１３第一のIII-Ｖ族２元材料層１４第二のIII-Ｖ族２元材料層１５加熱炉１６ III-Ｖ族３元材料層１６ａ３元の結晶２０原材料２１アンプル２２種結晶２３溶液材料部２４、２４ａ〜２４ｄソース部２５、２５ａ〜２５ｄ溶液帯２６、２６ａ〜２６ｄ単結晶（２元系結晶）２７、２７ａ〜２７ｄ溶液形成板２８ヒータ２９炉体３０カーボンブロック４１、５１種結晶４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、５２第一の材料４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、５３第二の材料４４、５４アンプル４５ａ、４５ｂ、４５ｃ融液４６、５６結晶５５加熱炉

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ３０Ｂ 29/40 ５０１Ｃ３０Ｂ 29/40 ５０１Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】種結晶の隣に該種結晶よりも融点の低い第
１の材料と該第１の材料よりも融点の高い第２の材料と
を交互に１層又は複数層配置してこれらを容器内に収納
し、該容器を加熱雰囲気に入れて前記第１の材料及び前記第
２の材料の構成元素を出発材料として結晶を該種結晶表
面に成長することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】前記種結晶が溶解せず、かつ前記第１の材
料が溶解するような温度勾配を前記加熱雰囲気に与え、
前記第１の材料を溶解して溶液とするとともに、該溶液
に接する前記第２の材料の面の少なくとも一方を溶解し
て構成元素を該溶液に供給し、前記温度勾配の分布を前記種結晶側から前記第２の材料
側に向けて移動させて前記溶液中の複数元素の溶解度の
温度依存性を利用して前記種結晶上に前記結晶を成長さ
せることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項３】前記種結晶は２成分又は３成分からなるII
I-Ｖ族の３元化合物結晶であり、前記溶液は III族又は
Ｖ族の元素の１、２又は３成分の元素を含み、前記第２
の材料はIII-Ｖ族の２元化合物からなることを特徴とす
る請求項２記載の結晶成長方法。
【請求項４】前記結晶はIII-Ｖ族の３元化合物からな
り、前記第１の材料と前記第２の材料はそれぞれ III族
元素又はＶ族元素のいずれかが異なるIII-Ｖ族多元化合
物であって、前記第１の材料の全体が融解し、前記第２の材料全体が
融解せず、前記種結晶側がその融点以下になる温度分布
を前記加熱雰囲気に与え、前記温度勾配の分布を前記種結晶側から前記第２の材料
側に向けて移動させて、前記第２の材料からの溶融元素
が加わった前記第１の材料の融液内の化合物が前記種結
晶上で固相となって前記結晶を成長することを特徴とす
る請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項５】種結晶及び原材料を封入した容器内に該原
材料と熱平衡した溶液からなる溶液帯を形成し、該溶液
帯を該種結晶に接触させた後に、該溶液帯を該種結晶か
ら離れる方向に該原材料を溶解しつつ移動させ、該溶液
から該種結晶上に２元系単結晶を析出する結晶成長方法
において、前記種結晶は、前記溶液温度で固相をなす単結晶からな
り、前記原材料は、前記種結晶に接して設けられた前記
溶液温度で液相をなす低融点材料からなる溶液部材部
と、該溶液部材部に接して前記種結晶の反対側に設けら
れた前記溶液温度で固相をなす高融点材料からなるソー
ス部とから構成され、前記溶液材料部を昇温して溶融し、前記溶液温度で前記
ソース部と熱平衡する組成を有する前記溶液帯を形成す
ることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項６】前記ソース部に代えて、前記溶液帯の移動
方向に垂直に分割された前記ソース部の分割面に、前記
低融点材料からなる溶液形成板を挟んで構成する積層ソ
ース部を用いることを特徴とする請求項５記載の結晶成
長方法。
【請求項７】前記２元系単結晶は、全率固溶系をなす第
一及び第二の元素からなり、前記第一の元素より融点の高い前記第二の元素を前記高
融点材料とすることを特徴とする請求項５又は６記載の
結晶成長方法。
【請求項８】第一の元素及び該第一の元素よりも融点の
高い第二の元素から２元系単結晶を成長させる結晶成長
方法において、前記第二の元素からなるソース棒の一端に種結晶を、前
記第一の元素又は前記第一の元素と前記第二の元素の化
合物かなる溶液材料板を介在させて設ける工程と、前記溶液材料板を局部的に加熱して溶融し、前記第二の
元素の飽和溶液からなる溶液帯を形成する工程と、前記溶液帯を前記ソース棒の他端に向けて移動させ、前
記ソース棒から前記溶液帯中へ第二の元素を補給しつつ
前記溶液帯から前記種結晶上へ２元系単結晶を析出させ
る工程とを有することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項９】種結晶の隣に該種結晶よりも融点の低い第
１の材料と該第１の材料よりも融点の高い第２の材料と
を交互に１層又は複数層配置してこれらを容器内に収納
し、前記種結晶が溶融せず且つ前記第１の材料の融点以上の
温度で前記第１の材料及び前記第２の材料を加熱する温
度分布を持つ加熱雰囲気中に該容器を入れ、これによ
り、前記第１の材料の溶融して液体にするとともに、前
記第１の材料の少なくとも前記種結晶側の面を融解し、前記温度分布を前記種結晶から前記第２の材料に向けて
移動することにより前記液体中の構成元素を出発材料と
して該種結晶表面に結晶を成長し、前記第１の材料は、前記種結晶に接する前記液体が前記
結晶の成長により消失した時点で同時に消失する厚さを
有することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１０】成長しようとする化合物Ｙ_xＺ_1-X（ｘ
は組成比）よりなる結晶を成長するために、原子量又は
分子量がＭ_Yであって比重ｄ_Yの材料Ｙよりなる第１の
材料板と、原子量又は分子量がＭ_Zであって比重ｄ_Zの
材料Ｚよりなる第２の材料板を使用し、容器内において、種結晶の隣に、次式の関係を満たす厚
さｔ_Yの前記第１の材料板と厚さｔ_Z前記該第２の材料
板とを順に１層又は複数層交互に配置し、ｔ_Z≦（Ｍ_Z・ｄ_Y／Ｍ_Y・ｄ_Z）・((１−ｘ) ／ｘ)
・ｔ_Y 前記種結晶が溶融せず且つ前記材料Ｙの融点以上の温度
で前記第１の材料板及び前記第２の材料板を加熱する温
度分布を持つ加熱雰囲気中に前記容器を入れ、これによ
り、前記第１の材料板を溶融して液体にするとともに、
前記第２の材料板の少なくとも前記種結晶側の面を融解
し、前記温度分布を前記種結晶から前記第２の材料に向
けて移動することにより前記液体中の構成元素を出発材
料として該種結晶表面に結晶を成長することを特徴とす
る結晶成長方法。