JPS63270379A - 化合物半導体単結晶の製造方法および装置 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、垂直凝固法による化合物半導体単結晶の製造
方法および装置に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

従来の垂直凝固法による化合物半導体単結晶の製造方法
は垂直温度勾配付き徐冷法によるものである　（Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　ＣｒｙｓｔａＩ　Ｇｒｏｗｔｈ　７４
（１９８６）　４９１〜５０６）。この方法は、原料と
して既に合成された多結晶を用い、それをルツボに入れ
て溶融させた後、融液をルツボ下端に配置した種子結晶
と接触させて種子付けを行い、下端より徐々に冷却して
上方に向かって化合物半導体単結晶を成長させていくと
いうものである。この方法では、原料の溶融、種子付け
の際、■族元素の事態による飛散を防止するため、ルツ
ボを収納した成長容器の下部低温帯に■族元素を配置し
、これを加熱して■族元素の蒸気圧を単離圧以上となる
ように調節しており、またこれにより融液組成のずれを
防止している。

しかし従来の垂直凝固法による単結晶の製造方法は、原
料として化合物半導体多結晶を用いるものであるため、
多結晶を他の方法、例えば水平ブリッジマン法とか、高
圧容器内で液体封止剤を用いて直接合成する方法などに
より予め製造しておく必要がある。したがって単結晶を
得るには、別な装置で多結晶製造と単結晶製造の２段階
の工程を経なければならず、製造工程が煩雑で、不純物
混入の機会が増加する等の欠点がある。またこのため製
造コストが高くなる欠点がある。

〔問題点の解決手段とその作用〕

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決した垂
直凝固法による化合物半導体単結晶の製造方法を提供す
るもので、その方法は、垂直配置された成長容器内に、
下部に細い管状部を有する筒形のルツボを同軸配置し、
上記管状部に液止め栓と種子結晶を前者を上にして挿入
した状態で、上記ルツボ内で化合物半導体融液を合成し
、その後、上記種子結晶を下から押し上げ、液止め栓を
上記融液内に放出して融液面に浮上させることにより上
記種子結晶と融液を接触させ、種子付けを行った後、下
端より化合物半導体の単結晶を成長させることを特徴と
するものである。

液止め栓は、耐熱性があり、化合物半導体融液より比重
の小さいＢＮまたはＰＢＮなどの材料で作られる。この
ような液止め栓をルツボ下部の管状部に挿入することに
より液漏れを防止し、ルツボ内で化合物半導体融液の合
成を行えるようにする。融液合成後は、上記液止め栓を
その下部に挿入した種子結晶で融液中に押し出すと、液
止め栓が浮上し、種子結晶と融液が接触するから、種子
付けおよび結晶成長が行えることになる。

本発明はまた、上記製造方法の実施に好適な化合物半導
体単結晶の製造装置を提供するもので、その構成は、圧
力容器内に垂直配置された成長容器と、下部に液止め栓
および種子結晶が挿入される細い管状部を有する筒形の
ルツボと、このルツボを上記成長容器内の上部に垂直に
、かつ成長容器に対して相対的に上下動可能に支持する
支持体と、上記成長容器内の下部に垂直に設置され、上
端が上記ルツボの管状部に挿入される押し上げ棒とを備
え、上記ルツボを成長容器に対して相対的に下降させる
と、上記押し上げ棒が上記管状部内の液止め栓および種
子結晶を押し上げるようになっていることを特徴とする
ものである。

この装置は、ルツボ下部の管状部に液止め栓および種子
結晶を挿入した状態で、化合物半導体融液の合成を行い
、その後、成長容器を静止させたままルツボを支持体と
共に下降させるか、またはその逆にルツボを支持体によ
って静止させたまま成長容器を上昇させると、押し上げ
棒により液止め栓が融液内に押し出され、種子結晶と融
液が接触するようになるので、この状態で種子付け、結
晶成長を行えるものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図および第２図は本発明の一実施例を示す。

図において、１１は圧力容器、１３はその中心に垂直に
配置された成長容器、１５はその中に同軸配置された筒
形のルツボである。ルツボ１５はＰＢＮ製で、その下部
は細い管状部１５ａとなっている。

また１７は成長容器１３の上端開口部に擦り合わせ嵌合
された気密蓋、１９は成長容器１３の中間部に擦り合わ
せ嵌合されたルツボ支持台、２１はｆｉ１７にルツボ支
持台１９を吊り下げる吊り具である。吊り具２１はルツ
ボ１５のまわりに周方向に間隔をあけて多数設けられて
いる。ルツボ支持台１９は断熱材よりなるが、ポーラス
な材料で作るか、上下方向に穴をあける等して、上下方
向に通気性を持たせである。蓋１７は圧力容器１１の天
板を貫通する上部軸２３に支持されて上下動および回転
可能になっている。

また２５は成長容器１３内の底部に設置されたＶ族元素
収納用の下部容器、２７は下部容器２５の中心に垂直に
立設された押し上げ棒である。押し上げ棒２７の上端は
ルツボの管状部１５ａに挿入されるようになる。２９は
成長容器支持台で、これは圧力容器１１の底板を貫通す
る下部軸３１に支持されて上下動および回転可能になっ
ている。成長容器支持台２９の中には測温用のサーモカ
ンプル３３が設置されている。

また３５は成長容器１３の外でルツボ１５を包囲するよ
うに設置された主加熱ヒーター、３７はその端子、３９
は給電用導体、４１は成長容器１３の外で下部容器２５
を包囲するように設置された副加りさヒーター、４３は
その端子、４５は給電用４体である。さらに４７は断熱
材、４９は圧力容器内面に配にした冷却管である。

上記構成の装置による化合物半導体単結晶の製造は次の
ようにして行われる。まずルツボ下部の管状部１５ａに
液止め栓５１および種子結晶５３を前者が上になるよう
に挿入すると共に、ルツボ１５内に■族元素（ＧａＡｓ
の場合はＧａ）　５５を入れる。

また下部容器２５内に■族元素（ＧａＡｓの場合はＡｓ
）５７を入れ、る。

ルツボ１５内および圧力容器ｌｌ内の残留酸素を取り除
くため、上部軸２３を上昇させ、成長容器１３から蓋１
７を引き抜いた状態で、圧力容器１１内を真空引きする
。その後、不活性ガス（アルゴンまたは窒素）を充填し
、圧力容器１１内を３〜１００Ｋｇ／ｃｍ”の圧力にす
る０次いで上部軸２３を下降させ、第１図のように成長
容器１３に１ｉ１７を嵌合すると共に、種子結晶５３の
下端に押し上げ棒２７の上端が突き当たるようにする。

次に、主加熱ヒーター３５を加熱し、■族元素５５を溶
融させ、ＧａＡｓ合成の場合であれば約１２３８℃に保
つ。また副加熱ヒーター４１も加熱し、Ｖ族元素５７を
約６１７℃にして、成長容器１３内のＶ族元素の蒸気圧
を１気圧以上にする。この状態で化合物半導体の合成反
応を進行させる。

化合物半導体の合成が終了したら、上部軸２３を徐々に
下降させる。すると、ルツボ１５が下降し、相対的に押
し上げ棒２７が種子結晶５３と液止め栓５１を押し上げ
るから、液止め栓５１が管状部１５ａから抜は出し、化
合物半導体融液中に放出される。液止め栓５１は化合物
半導体融液より比重が小さいので、第２図に示すように
液止め栓５１は化合物半導体融液５９の液面に浮上し、
融液５９と種子結晶５３の接触が得られることになる。

このときの温度分布は、種子結晶５３と融液５９の接触
部で化合物半導体の融点となるようにし、それより上に
行くに従って徐々に高い温度となるようにしである。

次に種子付けを行うため、上記接触部の温度を約１０℃
上げ、種子結晶５３の一部を再溶融させて融液５９にな
じませる。その後は、従来の垂直凝固法と同様で、上方
に向かって徐々に温度を低下させて行き、単結晶を成長
させる。冷却速度は３〜２０’Ｃ／ｈｒの範囲で制御さ
れる。成長方向の温度勾配は、種子結晶と融液の接触部
で２０〜ｂ肩部で２０〜１００℃／ｃｍ　％胴部で２〜
ｂるようにする。

以上のようにして本発明によれば、化合物半導体融液の
合成から単結晶の成長までを同一ルツボ内で行うことが
できる。なお上記の方法では単結晶成長の際、主加熱ヒ
ーターの温度分布を変化させたが、主加熱ヒーターの温
度分布は一定とし、ルツボ１５を成長容器１３と共に下
降させて行く方法も採用できる。

第３図は本発明の他の実施例を示す、同図において第１
図と同一部分には同一符号を付しである。

この実施例は、ルツボ１５内に■族元素５５と■族元素
５７を入れ、ルツボ１５内で直接合成反応により化合物
半導体多結晶原料を合成してから化合物半導体融液を作
るものである。

図示のようにルツボ１５内に■族元素５５とＶ族元素５
７を入れてから、内部の残留酸素を取り除くため前記実
施例と同様に真空引きしたあと、不活性ガスで置換し、
１００気圧程度に加圧する。

まず始めに成長容器１３を１ｉ１７を嵌合させたまま下
降させ、ルツボ１５が主加熱ヒーター３５より下に位置
するようにする。この状態で主加熱ヒーター３５を加熱
し、ＧａＡｓの場合であれば８１７〜１２３８℃の範囲
内の一定の温度に保つ。その後、成長容器１３を上昇さ
せ、ルツボ１５を急速に主加熱ヒーター３５内に挿入す
る。これによってルツボ１５内の■族元素５５とＶ族元
素５７の反応が起こり、直接合成が進行する。このとき
未反応の■族元素が蒸散するのを抑えるため、下部容器
２５内に入れた■族元素５７を副加熱ヒーター４１によ
り加熱しくＧａＡｓの場合は６１７℃以上）、Ｖ族元素
の蒸気圧を保つようにする。直接合成反応は急激に行わ
せる。これによりルツボ１５内に化合物半導体多結晶が
生成される。その後、この多結晶原料を溶融するため、
融点＋１０℃程度の温度に加熱し、化合物半導体融液を
作成する。

このあとはルツボ１５を下降させ、液止め栓５１を融液
中に押し出して種子付けを行うことになるが、これ以降
の工程は前記実施例と同じであるので説明を省略する。

第４図は本発明のさらに他の実施例を示す。この実施例
は、化合物半導体融液５９と種子結晶５３を接触させた
後、単結晶の成長を行う際に、融液５９に垂直方向の磁
界を印加するようにしたものである。このため圧力容器
１１の外に同軸状に円筒コイル６１を設置し、ルツボ１
５内に垂直磁場を発生させる。なお圧力容器１１はステ
ンレス製とし、主加熱ヒーター３５は二重スパイラル巻
きの無誘導型として、垂直磁場を乱さないようにする。

磁界の強さは５００〜５０００Ｇａｕｓｓ程度とする。

垂直磁界を印加すると、融液５９の流れは、磁界にクロ
スする方向つまり径方向の流れがローレンツ力により抑
制されるため、垂直方向の流れだけとなる。その結果、
熱移動は、径方向には熱伝導のみとなり、垂直方向には
熱対流による移動が存在するため、下方の低温部へ向け
ての熱移動が生じ易くなり、下端から熱が奪い去られる
ことになる。このため径方向の温度分布は、第５図に示
すようにＡ−Ａ’線の断面でみると、ヒーター３５に近
い外周面で温度が高く、中心に行くほど温度が低（なる
形となる。その結果、固液界面６３の形状は融液５９に
対して若干凸形となり、熱歪を抑制した状態で、低欠陥
高純度の化合物半導体単結晶を成長させることができる
。また融液の熱振動も抑制されるため、温度の揺らぎに
起因する成長縞の発生も抑制することができる。

なお上記各実施例では、種子結晶をルツボの管状部に裸
で挿入したが、種子結晶を押し上げ棒で押し上げる際、
種子結晶にキズが付かないようにするため、第６図に示
すように種子結晶５３は例えばＰＢＮ製の保護ケース７
１に入れた状態で管状部１５ａに挿入するとよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、化合物半導体の合
成、種子付け、単結晶成長を同一装置内で一貫したプロ
セスで行うことができるから、工程が短縮され、生産性
が向上すると共に、不純物混入の機会が減り、高純度、
高品質の化合物半導体単結晶を製造できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る化合物半導体製造装置
を示す断面図、第２図は同装置で種子付けを行う状態を
示す要部断面図、第３図および第４図はそれぞれ本発明
の他の実施例を示す断面図第５図は第４図の装置で化合
物半導体単結晶を成長させる過程を示す説明図、第６図
は種子結晶の挿入方法の一例を示す断面図である。 １１〜圧力容器、１３〜成長容器、１５〜ルツボ、１５
８〜管状部、１７〜蓋、１９〜ルツボ支持台、２１〜吊
り具、２５〜下部容器、２７〜押し上げ棒、２９〜成長
容器支持台、３５〜主加熱ヒーター、４１〜副加熱ヒー
ター、５１〜液止め栓、５３〜種子結晶、５５〜蓋族元
素、５７〜■族元素、５９〜化合物半導体融液、６１第
２図 第４図 第５図 第６図 手続主甫正書（自発） 昭和６３年　１月潟日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）垂直配置された成長容器内に、下部に細い管状部
   を有する筒形のルツボを同軸配置し、上記管状部に液止
   め栓と種子結晶を前者を上にして挿入した状態で、上記
   ルツボ内で化合物半導体融液を合成し、その後、上記種
   子結晶を下から押し上げ、液止め栓を上記融液内に放出
   して融液面に浮上させることにより上記種子結晶と融液
   を接触させ、種子付けを行った後、下端より化合物半導
   体の単結晶を成長させることを特徴とする化合物半導体
   単結晶の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の方法であって、化合
   物半導体融液の合成は、ルツボ内にIII族元素を入れ、
   成長容器下部にＶ族元素を配置して、ルツボ内で溶融し
   たIII族元素に気化したＶ族元素を反応させることによ
   り行うもの。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の方法であって、化合
   物半導体融液の合成は、ルツボ内にIII族元素とＶ族元
   素を入れ、加熱加圧して直接合成反応により化合物半導
   体多結晶原料を作成し、その後、その多結晶原料を溶融
   させることにより行うもの。
4. （４）圧力容器内に垂直配置された成長容器と、下部に
   液止め栓および種子結晶が挿入される細い管状部を有す
   る筒形のルツボと、このルツボを上記成長容器内の上部
   に垂直に、かつ成長容器に対して相対的に上下動可能に
   支持する支持体と、上記成長容器内の下部に垂直に設置
   され、上端が上記ルツボの管状部に挿入される押し上げ
   棒とを備え、上記ルツボを成長容器に対して相対的に下
   降させると、上記押し上げ棒が上記管状部内の液止め栓
   および種子結晶を押し上げるようになっていることを特
   徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。