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JP4883614B2 - Method for producing solid solution single crystal - Google Patents
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Description

本発明は、均一な組成及び単結晶構造を有する固溶体(混晶)を再現性良く製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a solid solution (mixed crystal) having a uniform composition and a single crystal structure with good reproducibility.

従来、均一な組成及び単結晶構造を有する固溶体(以下単に「固溶体単結晶」という。)を製造する有力な方法の一つとして、「温度勾配型帯溶融法」と称される方法が提案されている。この「温度勾配型帯溶融法」とは、融点の低い溶質成分が種結晶側で高濃度になるよう調製した原料を、種結晶とともに比較的低い温度勾配下で加熱し、種結晶に接する原料の一部のみを溶融して溶融帯を形成し、該溶融帯を順次原料側へ移動させて、種結晶の方位を引き継いだ単結晶を製造する(結晶成長を実行する)方法である。この方法は、特開2003−238287号公報に開示されている(特許文献1)。   Conventionally, a method called a “temperature gradient type zone melting method” has been proposed as one of the promising methods for producing a solid solution having a uniform composition and a single crystal structure (hereinafter simply referred to as “solid solution single crystal”). ing. This “temperature gradient type zone melting method” refers to a raw material that contacts a seed crystal by heating a raw material prepared so that a solute component having a low melting point has a high concentration on the seed crystal side together with a seed crystal under a relatively low temperature gradient. In this method, only a part of the melt is melted to form a melt zone, and the melt zone is sequentially moved to the raw material side to produce a single crystal that inherits the orientation of the seed crystal (performs crystal growth). This method is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-238287 (Patent Document 1).

特開2003−238287号公報JP 2003-238287 A

上記従来の方法では、結晶成長が進行するにつれて、成長させた結晶において、組成の均一性が悪化したり、多結晶化が生じるという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、固溶体(混晶)単結晶を再現性よく育成することを可能とする固溶体(混晶)単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
The conventional method has a problem that as the crystal growth progresses, the uniformity of the composition deteriorates or polycrystallization occurs in the grown crystal.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for producing a solid solution (mixed crystal) single crystal capable of growing the solid solution (mixed crystal) single crystal with good reproducibility. To do.

本発明者らは、まず、結晶成長時に、固体原料の溶融により生成される溶融帯内の融液が、融け残った残余の固体原料の表面(側面)を伝わって溶融帯から残余の固体原料側へ移動することにより、固体原料の表面が多く融け、固体原料の内部が融け残る結果、溶融帯の形状が変形し、これにより、成長した結晶と溶融帯との間の界面である成長界面の平坦性が損なわれる、ということ、及び、この成長界面の平坦性が損なわれることに起因して、成長結晶において、組成の均一性が悪化するとともに多結晶化が生ずる、ということに着目した。
そこで、本発明者らは、固体原料の溶融により生成される溶融帯内の融液が融け残った残余の固体原料の表面を移動することを妨げる特定物質を、固体原料の表面に付着させた状態において、結晶成長を実行させれば、結晶成長時に、固体原料の溶融により生成される溶融帯から残余の固体原料側へ融液が移動することが妨げられることにより、固体原料の内部が融ける割合と固体原料の表面が融ける割合とがほぼ同一となる結果、溶融帯の形状は保たれ、成長界面の平坦性も保たれることを見い出し、本発明を創作するに至った。
すなわち、本発明の骨子は、固体原料の溶融により生成される融液が融け残った残余の固体原料の表面(側面)上を移動することを妨げる特定物質を、固体原料の表面(側面)に付着させた状態において、この固体原料を用いて帯溶融法による結晶成長を実行することである。
The inventors firstly, during crystal growth, the melt in the molten zone generated by melting the solid raw material travels along the surface (side surface) of the remaining solid raw material remaining unmelted from the molten zone. By moving to the side, the surface of the solid raw material melts a lot and the interior of the solid raw material remains unmelted. As a result, the shape of the molten zone is deformed. We focused on the fact that the flatness of the growth interface is impaired and that the uniformity of the composition deteriorates and polycrystallization occurs in the grown crystal due to the deterioration of the flatness of the growth interface. .
Therefore, the present inventors attached a specific substance that prevents the melt in the melting zone generated by melting of the solid raw material to move on the surface of the remaining solid raw material to the surface of the solid raw material. If crystal growth is performed in this state, the inside of the solid raw material is melted by preventing the melt from moving from the melting zone generated by melting the solid raw material to the remaining solid raw material side during the crystal growth. As a result of the fact that the ratio and the ratio at which the surface of the solid material melts are almost the same, the inventors have found that the shape of the molten zone is maintained and the flatness of the growth interface is maintained, and the present invention has been created.
That is, the gist of the present invention is that the specific substance that prevents the melt produced by melting of the solid raw material from moving on the remaining solid raw material surface (side surface) is applied to the solid raw material surface (side surface). In the attached state, crystal growth is performed by the zone melting method using this solid raw material.

本発明によれば、固体原料の溶融により生成される溶融帯内の融液が融け残った残余の固体原料の表面を移動することを妨げる特定物質を、この固体原料の表面に付着させた状態において、結晶成長を実行することにより、融液が溶融帯から残余の固体原料の表面を伝わって残余の固体原料側へ移動することが妨げられる結果、溶融帯の形状の変形、及び、この変形に伴う結晶成長界面の変形を防止することができる。よって、結晶成長界面の変形に起因して生ずる、結晶成長における組成の均一性及び多結晶化を防止することができる。   According to the present invention, the specific substance that prevents the melt in the melting zone generated by melting of the solid raw material from remaining on the surface of the remaining solid raw material is attached to the surface of the solid raw material. In this case, by performing crystal growth, the molten liquid is prevented from moving from the molten zone to the residual solid raw material side through the surface of the residual solid raw material, resulting in deformation of the molten zone and this deformation. It is possible to prevent the crystal growth interface from being deformed. Therefore, it is possible to prevent compositional uniformity and polycrystallization during crystal growth caused by deformation of the crystal growth interface.

以下、本発明の実施の形態を示し、本発明をさらに詳しく説明する。
(実施の形態1)
本実施の形態に係る固溶体単結晶の製造方法では、まず、結晶成長工程に用いられる円柱状原料を作製する原料作製工程が実行され、この原料作製工程により作製された円柱状原料の表面に粉末を付着させる付着工程が実行され、最後に、この付着工程により特定物質を付着させた円柱状原料を用いて帯溶融法結晶成長工程が実行されて、固溶体単結晶が製造される。これら3つの工程について順に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be shown and the present invention will be described in more detail.
(Embodiment 1)
In the method for producing a solid solution single crystal according to the present embodiment, first, a raw material production step for producing a cylindrical raw material used in the crystal growth step is executed, and powder is formed on the surface of the cylindrical raw material produced by this raw material production step. At last, the zone melting method crystal growth step is performed using the columnar raw material to which the specific substance is adhered by this adhesion step, and the solid solution single crystal is manufactured. These three steps will be described in order.

まず第1に、原料作製工程について説明する。この原料作製工程では、まず、それぞれ純度が99.9999%のIn(インジウム)、Ga(ガリウム)、As(砒素)が用意され、In0.3Ga0.7Asの組成となるように秤量されたIn、Ga及びAsが、石英管に真空封入される。該石英管を電気炉内において約1200℃にまで加熱させることにより、In0.3Ga0.7As組成の融液が作製される。その後、該石英管は、電気炉より取り出され、水中に浸して急冷される。これにより、平均組成In0.3Ga0.7Asの円柱状多結晶体が合成される。 First, the raw material production process will be described. In this raw material manufacturing step, first, In (indium), Ga (gallium), and As (arsenic) having a purity of 99.9999% are prepared, and In, which is weighed to have a composition of In 0.3 Ga 0.7 As, Ga and As are vacuum sealed in the quartz tube. The quartz tube is heated to about 1200 ° C. in an electric furnace to produce a melt having an In 0.3 Ga 0.7 As composition. Thereafter, the quartz tube is taken out of the electric furnace, immersed in water and rapidly cooled. Thereby, a cylindrical polycrystal having an average composition of In 0.3 Ga 0.7 As is synthesized.

その後、該多結晶体は、別の石英管に真空封入し直される。この石英管は、温度勾配炉中で、高温部を例えば約1200℃、低温部を例えば約800℃に加熱される。これにより、高温部と低温部との間には、約40℃/cmの温度勾配(炉心管内部での計測値)が形成される。すなわち、石英管に封入された円柱状多結晶体のうち、高温部に位置する部分が約1200℃に加熱され、低温部に位置する部分が約800℃に加熱されることにより、この円柱状多結晶体には、高温部に位置する部分から低温部に位置する部分にわたって、温度(濃度)勾配が形成される。このような温度勾配が形成された状態において、石英管に封入された円柱状多結晶体は、上面(又は底面)から底面(又は上面)に向かう一方向に約1mm/hの固化速度で凝固させられる。このようにして得られた円柱状多結晶体におけるInAs濃度分布については、結晶成長の初期段階で成長した前端部(上面付近)のInAs濃度は約0.06モルとなり、この前端部から結晶の後端部(底面付近)にいくに従い、そのInAs濃度は、高濃度になっている。次に、以上のようにして得られた多結晶体からInAsモル分率0.06〜0.10の部分が、原料として切り出される。以上のような原料作製工程により、円柱状を有する多結晶体の原料が作製される。   Thereafter, the polycrystalline body is vacuum-sealed in another quartz tube. The quartz tube is heated in a temperature gradient furnace to a high temperature portion of, for example, about 1200 ° C. and a low temperature portion of, for example, about 800 ° C. As a result, a temperature gradient of about 40 ° C./cm (measured value inside the core tube) is formed between the high temperature portion and the low temperature portion. That is, of the cylindrical polycrystalline body enclosed in the quartz tube, the portion located in the high temperature portion is heated to about 1200 ° C., and the portion located in the low temperature portion is heated to about 800 ° C. In the polycrystalline body, a temperature (concentration) gradient is formed from a portion located in the high temperature portion to a portion located in the low temperature portion. In such a state where a temperature gradient is formed, the cylindrical polycrystalline body enclosed in the quartz tube solidifies at a solidification rate of about 1 mm / h in one direction from the top surface (or bottom surface) to the bottom surface (or top surface). Be made. Regarding the InAs concentration distribution in the cylindrical polycrystal obtained in this way, the InAs concentration at the front end (near the top surface) grown in the initial stage of crystal growth was about 0.06 mol, and from this front end to the rear end of the crystal As it goes to the part (near the bottom), its InAs concentration becomes higher. Next, a portion having an InAs molar fraction of 0.06 to 0.10 is cut out as a raw material from the polycrystal obtained as described above. The raw material for the polycrystalline body having a cylindrical shape is manufactured by the raw material manufacturing process as described above.

第2に、付着工程について説明する。この付着工程では、上記原料作製工程で作製された原料(多結晶体)の側面(表面)に対して、帯溶融法結晶成長工程の実行時に溶融帯内の融液が原料の表面を伝わって原料の内部よりも表面を多く融かすことを防止する特定物質が、付着させられる。本実施の形態では、特定物質として、窒化ホウ素粉末、具体的には粒径が10〜25μmの範囲内にある窒化ホウ素粉末を用いた場合を例にとり、説明する。   Secondly, the adhesion process will be described. In this adhesion step, the melt in the molten zone is transferred to the surface of the raw material when the zone melting method crystal growth step is performed on the side surface (surface) of the raw material (polycrystal) produced in the raw material production step. A specific substance that prevents melting of the surface more than inside the raw material is deposited. In this embodiment, a case where boron nitride powder, specifically, boron nitride powder having a particle size in the range of 10 to 25 μm is used as the specific substance will be described as an example.

具体的には、まず、上記のように作製した円柱状の原料の表面積に比べて十分に大きな面積を有する例えば紙が用意される。この紙の表面上に、窒化ホウ素粉末が敷き詰められる。次に、円柱状の原料が、その側面をこの紙の表面に当接させた状態で置かれた後、押圧されながら転がされる。これにより、円柱状原料の側面には、窒化ホウ素粉末が付着させられる。以上のような付着工程により、側面に窒化ホウ素粉末を付着させた原料(多結晶体)が作製される。   Specifically, first, for example, paper having an area sufficiently larger than the surface area of the columnar raw material prepared as described above is prepared. Boron nitride powder is spread on the surface of the paper. Next, the cylindrical raw material is placed with its side face in contact with the surface of the paper, and then rolled while being pressed. Thereby, boron nitride powder is adhered to the side surface of the cylindrical raw material. A raw material (polycrystal) in which boron nitride powder is adhered to the side surface is produced by the above-described adhesion process.

第3に、帯溶融法結晶成長工程について説明する。この帯溶融法結晶成長工程は、当業者にとって周知な任意の結晶製造装置を用いて実現することができる。本実施の形態では、一例として特開2003−238287号公報に開示された結晶製造装置を用いた場合について説明する。   Third, the zone melting method crystal growth step will be described. This zone melting method crystal growth step can be realized by using any crystal manufacturing apparatus well known to those skilled in the art. In this embodiment, the case where the crystal manufacturing apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-238287 is used as an example will be described.

図1は、本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法に用いられる結晶製造装置の概略を示す模式図である。図1に示す結晶製造装置100は、結晶成長用容器105内に挿入された原料を加熱して溶融させる加熱装置101と、支持棒103の一端に形成された溝に噛み合ったラックアンドピニオンに対して動力源からの動力を伝達してこの支持棒103を動作させることにより、この支持棒103の他端に取り付けられた結晶成長用容器105を移動させる駆動機構102と、駆動機構102の動作することにより結晶成長用容器105の移動を制御する制御機構104と、を含む。具体的には、加熱装置101は、中心軸方向に延びる中空部を有したドーナツ状をなしており、それぞれ固有の温度を発生するように独立に制御される例えば3つの加熱部101a〜101cを有する。結晶成長用容器105が、制御機構104の制御を受けて、この加熱装置101の中空部を、紙面上上方から下方に向かう方向(矢印方向)に移動して、相互に異なる温度を発生する3つの加熱部101c〜101aに順次対向していくことにより、原料に温度(濃度)勾配が形成される。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a crystal manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a solid solution single crystal according to Embodiment 1 of the present invention. The crystal manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1 has a heating apparatus 101 that heats and melts a raw material inserted into a crystal growth container 105, and a rack and pinion that is engaged with a groove formed at one end of a support bar 103. The drive mechanism 102 that moves the crystal growth vessel 105 attached to the other end of the support rod 103 and the drive mechanism 102 operate by transmitting the power from the power source and operating the support rod 103. And a control mechanism 104 for controlling the movement of the crystal growth vessel 105. Specifically, the heating device 101 has a donut shape having a hollow portion extending in the central axis direction, and includes, for example, three heating portions 101a to 101c that are independently controlled to generate unique temperatures. Have. Under the control of the control mechanism 104, the crystal growth vessel 105 moves the hollow portion of the heating device 101 in the direction from the upper side to the lower side (arrow direction) on the paper surface to generate different temperatures 3 By sequentially facing the two heating units 101c to 101a, a temperature (concentration) gradient is formed in the raw material.

図2は、本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法に用いられる結晶成長用容器105の断面図を示す模式図である。図2に示す結晶成長用容器は、主に、内部に円柱状の領域を有する窒化ホウ素製のルツボ201と、単結晶化を助長するヒートシンク202と、内部にルツボ201及びヒートシンク202を収容してこれらを真空封入する石英容器203と、から成っている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-sectional view of crystal growth vessel 105 used in the method for producing a solid solution single crystal according to Embodiment 1 of the present invention. The crystal growth container shown in FIG. 2 mainly contains a boron nitride crucible 201 having a cylindrical region inside, a heat sink 202 for promoting single crystallization, and a crucible 201 and a heat sink 202 inside. It consists of a quartz container 203 for vacuum-sealing them.

ヒートシンク202の外径は石英容器203の内径より小さく、ヒートシンク202と石英容器203との間にはギャップ204が形成されている。窒化ホウ素製のルツボ201内には、すなわち、ルツボ201の内部に設けられた円柱状の領域には、GaAs種結晶205、溶融帯形成材としてのInAs 206、蒸気圧調整用の微量の砒素6‘、上述した原料作製工程及び付着工程を経て得られた原料(円柱状を有し側面に窒化ホウ素粉末が付着した原料)207が、挿入されている。   The outer diameter of the heat sink 202 is smaller than the inner diameter of the quartz container 203, and a gap 204 is formed between the heat sink 202 and the quartz container 203. In the crucible 201 made of boron nitride, that is, in a columnar region provided in the crucible 201, a GaAs seed crystal 205, InAs 206 as a melting zone forming material, and a small amount of arsenic 6 for adjusting the vapor pressure. ', A raw material (a raw material having a cylindrical shape and boron nitride powder attached to the side surface) 207 obtained through the above-described raw material preparation step and attachment step is inserted.

原料207がルツボ201の内部に設けられた円柱状の領域に収容されるようにするために、原料207の外径がルツボ201の内径よりも小さく加工されていることはいうまでもない。原料207の外径を石英容器203の内径より小さくする割合は、原料207の直径に依存するが、例えば、原料207の外径が10mmの場合には、この原料の外径と石英容器203の内径との差は、0.4mm程度が適当である。これにより、円柱状原料207の側面に付着した窒化ホウ素粉末208を剥離させることなく原料207をルツボ201内に挿入することが可能となる。   It goes without saying that the outer diameter of the raw material 207 is processed to be smaller than the inner diameter of the crucible 201 so that the raw material 207 is accommodated in a cylindrical region provided inside the crucible 201. The ratio at which the outer diameter of the raw material 207 is made smaller than the inner diameter of the quartz container 203 depends on the diameter of the raw material 207. For example, when the outer diameter of the raw material 207 is 10 mm, the outer diameter of the raw material 207 A suitable difference from the inner diameter is about 0.4 mm. Thereby, the raw material 207 can be inserted into the crucible 201 without peeling off the boron nitride powder 208 adhering to the side surface of the cylindrical raw material 207.

以上のような結晶製造装置100及び結晶成長用容器105を用いて、以下のような帯溶融法結晶成長工程が実行される。
まず、原料207の結晶成長界面において所望の温度勾配(ここでは、一例として10℃/cm)が形成されるように、加熱部101c〜101aのそれぞれが制御されて、加熱装置101内部の温度分布が調整される。次に、原料207が挿入された結晶成長用容器105が、制御機構104による制御を受けた駆動機構102を介して、加熱装置101の中空部に挿入され、加熱部101cに対向する位置に配置される。
Using the crystal manufacturing apparatus 100 and the crystal growth vessel 105 as described above, the following zone melting method crystal growth step is executed.
First, each of the heating units 101 c to 101 a is controlled so that a desired temperature gradient (here, 10 ° C./cm as an example) is formed at the crystal growth interface of the raw material 207, and the temperature distribution inside the heating apparatus 101. Is adjusted. Next, the crystal growth vessel 105 in which the raw material 207 is inserted is inserted into the hollow portion of the heating apparatus 101 via the drive mechanism 102 controlled by the control mechanism 104, and is disposed at a position facing the heating unit 101c. Is done.

結晶成長用容器105に挿入されたInAs206が加熱されることにより溶融帯として形成され平衡状態に達すると、このInAsと原料207中のGaAsとの相互拡散により、InAsは、原料207中の濃度の低いInAsの方へ輸送されていく。これにより、InAs206のうち種結晶205との界面におけるInAsの濃度がだんだん低くなる結果、種結晶205の方位を受け継いだIn0.3Ga0.7組成の単結晶が成長してくる。 When InAs 206 inserted into the crystal growth vessel 105 is heated and formed as a molten zone and reaches an equilibrium state, InAs has a concentration in the raw material 207 due to mutual diffusion of this InAs and GaAs in the raw material 207. It will be transported towards lower InAs. As a result, the InAs concentration of the InAs 206 at the interface with the seed crystal 205 gradually decreases. As a result, a single crystal having an In 0.3 Ga 0.7 composition that inherits the orientation of the seed crystal 205 grows.

InAsの原料207側への輸送が進むにつれて、溶融帯が、原料207に向かう方向(上方向)へ移動するので、制御機構104は、この輸送の速度と等しい速度で、結晶成長用容器105を矢印方向(下方向)へ移動させるように、駆動機構102を制御する。これにより、原料207の結晶成長界面と、この界面に対して意図された温度を与える加熱部(101c〜101aのいずれか)とが、対向するように保たれる。この結果、原料207の結晶成長界面での温度すなわちInAs濃度が一定に保たれることにより、In0.3Ga0.7組成の単結晶が成長してくる。
以上のような帯溶融法結晶成長工程により、固溶体単結晶、すなわち、均一な組成及び単結晶構造を有する固溶体が製造される。
As the transport of InAs to the raw material 207 proceeds, the melting zone moves in the direction toward the raw material 207 (upward), so the control mechanism 104 moves the crystal growth container 105 at a speed equal to the speed of this transport. The drive mechanism 102 is controlled to move in the arrow direction (downward). Thereby, the crystal growth interface of the raw material 207 and the heating unit (any one of 101 c to 101 a) that gives an intended temperature to the interface are kept facing each other. As a result, the temperature at the crystal growth interface of the raw material 207, that is, the InAs concentration is kept constant, whereby a single crystal having an In 0.3 Ga 0.7 composition grows.
A solid solution single crystal, that is, a solid solution having a uniform composition and a single crystal structure is manufactured by the zone melting method crystal growth step as described above.

次に、本実施の形態に係る固溶体単結晶の製造方法により得られる効果について、図3〜図5を用いて説明する。
図3(a)は、本発明の実施形態1に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて結晶成長させている途中で急冷した原料における成長界面及び融解界面を観察した結果を示す模式図である。なお、図3(a)において図2におけるものと同様の構成要素については、図2におけるものと同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。
図3(b)は、図3(a)の場合と同一の温度環境の下において従来の製造方法を用いて結晶成長させている途中で急冷した原料における成長界面及び融解界面を観察した結果を示す模式図である。これらの図面には、円柱状試料、すなわち、図2に示したルツボ201に挿入された試料の縦割り断面が示されている。但し、図3(b)には、原料として側面に何の粉末も付着させていない円柱状の原料がルツボに挿入された場合の試料の縦割り断面が示されている。
Next, the effect obtained by the method for producing a solid solution single crystal according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 3A is a schematic diagram showing the results of observing the growth interface and the melting interface in a raw material that has been rapidly cooled during crystal growth using the method for producing a solid solution single crystal according to Embodiment 1 of the present invention. . 3A, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 2, and detailed description thereof is omitted.
FIG. 3 (b) shows the result of observing the growth interface and the melting interface in the raw material that was rapidly cooled during crystal growth using the conventional manufacturing method under the same temperature environment as in FIG. 3 (a). It is a schematic diagram shown. In these drawings, a longitudinal section of a cylindrical sample, that is, a sample inserted into the crucible 201 shown in FIG. 2 is shown. However, FIG. 3B shows a longitudinal section of the sample when a cylindrical raw material without any powder attached to the side surface is inserted into the crucible as the raw material.

図3(a)において(図3(b)において)、溶融帯301(1)は、成長結晶302(2)と原料207(6)との間に存在する。溶融帯301(1)の両端のうち、成長結晶302(2)に接している部分が、成長界面303(3)であり、原料207(6)に接している部分が、融解界面304(4)である。   In FIG. 3A (in FIG. 3B), the melting zone 301 (1) exists between the grown crystal 302 (2) and the raw material 207 (6). Of both ends of the melting zone 301 (1), the portion in contact with the growth crystal 302 (2) is the growth interface 303 (3), and the portion in contact with the raw material 207 (6) is the melting interface 304 (4). ).

図3(a)を参照すると、成長界面303の形状は、ほぼ平坦な形状となっている。融解界面304の形状は、試料の表面の周囲で僅かに変形し完全に平坦とは言えないが、試料の中心軸の周辺では、ほぼ平坦な形状となっていることが判る。これに対し、図3(b)を参照すると、両界面(成長界面3及び融解界面4)ともに、U字ないしはV字形状を示し、表面近傍が原料6側へ這い上がっていることが判る。   Referring to FIG. 3A, the growth interface 303 has a substantially flat shape. The shape of the melting interface 304 is slightly deformed around the surface of the sample and cannot be said to be completely flat, but it can be seen that the shape is almost flat around the central axis of the sample. On the other hand, referring to FIG. 3B, it can be seen that both the interfaces (growth interface 3 and melting interface 4) are U-shaped or V-shaped, and the vicinity of the surface rises toward the raw material 6 side.

本発明者らは、図3(b)に示すように、成長界面3及び融解界面4が試料の表面近傍において原料6側へ這い上がるようなU字又はV字形状を有する原因は、溶融帯1内の融液が原料6の表面を伝わって溶融帯1から原料6側へ移動する結果、原料6の表面が内部に比べて多く融けることにある(別言すれば、原料の表面を融かす割合が、原料の内部を融かす割合より著しく大きい)、ということに着目した。そこで、本発明者らは、上述したように、原料6の表面に対して何らかの物質を付着させれば、溶融帯1から原料6側へ融液が移動することが妨げられることにより、原料6の内部が融ける割合と原料6の表面が融ける割合とがほぼ同一となる結果、溶融帯1の形状は保たれ、成長界面の平坦性も保たれることを見い出した。本実施の形態によれば、原料207の表面に窒化ホウ素粉末を付着させることにより、溶融帯301内の融液が融け残った残余の原料207の表面を伝わって溶融帯301から残余の原料207側へ移動することが防止される結果、融液が原料207の内部を融かす割合と表面を融かす割合とが略同一となり、図3(a)に示すように、成長界面303及び融解界面304の平坦性が確保される。   As shown in FIG. 3 (b), the inventors of the present invention have the reason that the growth interface 3 and the melting interface 4 have a U-shape or V-shape so as to rise toward the raw material 6 near the surface of the sample. As a result of the melt in 1 flowing along the surface of the raw material 6 and moving from the melting zone 1 to the raw material 6 side, the surface of the raw material 6 is melted more than the inside (in other words, the surface of the raw material is melted). We focused on the fact that the ratio of cracking is significantly larger than the ratio of melting the inside of the raw material). Therefore, as described above, the present inventors, if any substance is attached to the surface of the raw material 6, prevents the melt from moving from the melting zone 1 to the raw material 6, thereby causing the raw material 6 As a result of the fact that the rate at which the inside melts and the rate at which the surface of the raw material 6 melts are substantially the same, it has been found that the shape of the melt zone 1 is maintained and the flatness of the growth interface is also maintained. According to the present embodiment, by attaching boron nitride powder to the surface of the raw material 207, the molten material in the molten zone 301 is transmitted through the surface of the remaining raw material 207 and remains from the molten zone 301. As a result, the rate at which the melt melts the inside of the raw material 207 is substantially the same as the rate at which the surface melts, and as shown in FIG. The flatness of 304 is ensured.

図4は、本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて製造された結晶中の軸方向InAs濃度分布を、従来技術を用いて製造された結晶中のInAs濃度分布と比較して示すグラフである。図4において、実線401が、窒化ホウ素粉末を付着させて成長させた結晶における中心軸部分の濃度分布、破線402が、窒化ホウ素粉末を付着させて成長させた結晶における表面から1mm中心軸方向に進んだ部分の濃度分布、一点鎖線404が、何の粉も付着させずに成長させた結晶における中心軸部分の濃度分布、二点鎖線403が、何の粉も付着させずに成長させた結晶における表面から1mm中心軸方向に進んだ部分の濃度分布を示す。いずれもIn0.3Ga0.7As均一組成を狙って移動速度0.22mm/hで試料を低温側へ移動させて成長させたものであるが、窒化ホウ素粉末を付着させて成長させた場合には、軸方法の組成変化についても、中心軸部分と表面から1mm中心軸方向に進んだ部分との間において濃度差もほとんどなく、均一性に優れた組成が実現している。これは、上述したような理由により、成長界面303及び融解界面304の平坦性が確保されているためである。一方、何の粉も付着させずに成長させた場合には、成長するにつれてInAs濃度が高くなっており、かつ中心軸部分404の方が、表面近傍403よりInAs濃度が高くなり、組成の均一性が劣化している。この原因は、結晶成長界面の平坦性が悪くなったためである。 FIG. 4 shows an axial InAs concentration distribution in a crystal manufactured using the method for manufacturing a solid solution single crystal according to Embodiment 1 of the present invention, and an InAs concentration distribution in a crystal manufactured using a conventional technique. It is a graph shown in comparison. In FIG. 4, the solid line 401 is the concentration distribution of the central axis portion of the crystal grown with the boron nitride powder attached, and the broken line 402 is 1 mm from the surface of the crystal grown with the boron nitride powder attached in the direction of the central axis. Concentration distribution of the advanced part, the one-dot chain line 404 is a crystal grown without attaching any powder, and the concentration distribution of the central axis part, the two-dot chain line 403 is a crystal grown without attaching any powder The density distribution of the part which advanced 1mm from the surface in the central axis direction is shown. In both cases, the sample was grown by moving the sample to the low temperature side at a moving speed of 0.22 mm / h, aiming at a uniform composition of In 0.3 Ga 0.7 As. Regarding the composition change of the method, there is almost no difference in concentration between the central axis portion and the portion proceeding in the direction of the central axis by 1 mm from the surface, and a composition with excellent uniformity is realized. This is because the flatness of the growth interface 303 and the melting interface 304 is ensured for the reasons described above. On the other hand, when grown without adhering any powder, the InAs concentration becomes higher as it grows, and the center axis portion 404 has a higher InAs concentration than the surface vicinity 403, resulting in a uniform composition. The quality has deteriorated. This is because the flatness of the crystal growth interface is deteriorated.

図5(a)は、本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて成長させた結晶の縦割り断面を観察した結果を示す模式図である。図5(b)は、図5(a)の場合と同一の温度環境の下において従来の製造方法を用いて成長させた結晶の縦割り断面を観察した結果を示す模式図である。これらの図面には、成長させた結晶を中心軸方向に縦割りした断面に対して目視又は顕微鏡により観察した結果が、模式的に示されている。   FIG. 5A is a schematic diagram showing a result of observing a longitudinal section of a crystal grown using the method for producing a solid solution single crystal according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 5B is a schematic diagram showing a result of observing a longitudinal section of a crystal grown using a conventional manufacturing method under the same temperature environment as in FIG. In these drawings, the result of observing the grown crystal vertically or visually with respect to a cross section obtained by dividing the crystal in the direction of the central axis is schematically shown.

窒化ホウ素粉末を付着させて成長させた結晶は、図5(a)に示すとおり、全領域にわたって単結晶構造を有している。一方、何の粉も付着させずに成長させた結晶については、図5(b)に示すように、途中から方位の異なる結晶粒20が成長している。この結晶粒は一旦消滅するが、さらに3mm程度成長したところで、別な結晶粒界21が成長しはじめ、ついには多結晶構造が形成されている。多結晶構造が形成されのは、結晶成長界面3が図3(b)に示すようにU字ないしはV字形の形状を有していることが原因と考えられる。このように、本実施の形態によれば、組成分布の均一性のみならず単結晶性確保に関しても、窒化ホウ素粉末を付着させて成長させた効果が明らかである。   The crystal grown by attaching boron nitride powder has a single crystal structure over the entire region, as shown in FIG. On the other hand, as for the crystal grown without adhering any powder, as shown in FIG. 5B, crystal grains 20 having different orientations grow from the middle. Although this crystal grain disappears once, when it grows about 3 mm, another crystal grain boundary 21 begins to grow, and finally a polycrystalline structure is formed. The polycrystalline structure is formed because the crystal growth interface 3 has a U-shaped or V-shaped shape as shown in FIG. As described above, according to the present embodiment, not only the uniformity of the composition distribution but also the ensuring of single crystallinity, the effect of growing by attaching the boron nitride powder is clear.

本実施の形態では、結晶成長時に溶融帯内の融液が原料の表面を伝わって原料の内部を融かす割合より大きな割合で原料の表面を融かすことを防止する特定物質として、粉末、具体的には、窒化ホウ素粉末を用いた場合について説明してきたが、本発明は、特定物質として窒化ホウ素粉末以外の物質を用いる場合にも適用可能なものである。具体的には、実験結果によれば、特定物質として、融液に対して濡れ性の悪い物質、すなわち、融液との接触角が90°以上となる物質を用いることが好ましい。   In the present embodiment, the specific substance for preventing the melt in the melting zone from melting the raw material surface at a rate larger than the ratio of the melt in the melting zone transmitted through the raw material surface during crystal growth is used as a specific substance. Specifically, the case where boron nitride powder is used has been described, but the present invention is also applicable when a substance other than boron nitride powder is used as the specific substance. Specifically, according to the experimental results, it is preferable to use a substance having poor wettability with respect to the melt, that is, a substance having a contact angle with the melt of 90 ° or more as the specific substance.

また、本実施の形態では、最も好ましい形態として、原料の表面に付着させる特定物質の粒径が10〜25μmの範囲内にある窒化ホウ素粉末を用いる場合について説明したが、実験結果によれば、特定物質として粒径が1〜50μmの範囲内にある窒化ホウ素粉末を用いた場合にも、成長結晶において組成分布の均一性及び単結晶性を良好に確保することができる。   Further, in the present embodiment, as the most preferable form, the case where a boron nitride powder having a particle size of 10 to 25 μm within a range of a specific substance to be attached to the surface of the raw material has been described. Even when a boron nitride powder having a particle size in the range of 1 to 50 μm is used as the specific substance, the uniformity of composition distribution and single crystallinity can be satisfactorily ensured in the grown crystal.

さらに、円柱状の原料の側面に付着させる窒化ホウ素粉末の量については、実験結果によれば、成長結晶において組成分布の均一性及び単結晶性を良好に確保するためには、原料の表面積すなわち側面の全面積のうち少なくとも30%以上の部分に、窒化ホウ素粉末を付着させることが好ましい。   Further, regarding the amount of boron nitride powder to be adhered to the side surface of the columnar raw material, according to the experimental results, in order to ensure good uniformity of composition distribution and single crystallinity in the grown crystal, the surface area of the raw material, It is preferable to adhere boron nitride powder to at least 30% or more of the total area of the side surface.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1において、原料の側面に付着させる特定物質として窒化ホウ素粉末に代えてカーボン(グラファイト)粉末を用いる場合について、図6を参照して説明する。以下、本実施の形態について、上述した実施の形態1と異なる事項のみに着目して説明し、実施の形態1と同様の事項については、詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the case where carbon (graphite) powder is used instead of boron nitride powder as the specific substance attached to the side surface of the raw material in Embodiment 1 will be described with reference to FIG. Hereinafter, the present embodiment will be described by focusing on matters different from those of the first embodiment described above, and detailed description of matters similar to those of the first embodiment will be omitted.

図6は、本発明の実施の形態2に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて製造された結晶中の軸方向InAs濃度分布を示すグラフである。本実施の形態では、上述した付着工程において、窒化ホウ素の粉末に代えてカーボン粉末を実施の形態1と同様の方法により原料に付着させた後、実施の形態1と同じ成長条件で上述した帯溶融法結晶成長工程を実行することにより直径10mmの結晶を成長させる。この実施の形態2によれば、図6に示すように、組成均一性の高い結晶が得られる。中心軸方向の組成分布を示す実線602および表面から1mm中心軸に向かう方向に進んだ部分での軸方向組成分布を示す破線601ともに、良く一致して均一組成を示していることが分かる。また、実験結果によれば、本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、単結晶性についても良好に確保することができる。   FIG. 6 is a graph showing an axial InAs concentration distribution in a crystal manufactured using the method for manufacturing a solid solution single crystal according to Embodiment 2 of the present invention. In the present embodiment, after the carbon powder is deposited on the raw material by the same method as in the first embodiment in the above-described deposition step, the band described above under the same growth conditions as in the first embodiment. A crystal having a diameter of 10 mm is grown by performing a melt crystal growth process. According to the second embodiment, as shown in FIG. 6, a crystal with high composition uniformity can be obtained. It can be seen that the solid line 602 indicating the composition distribution in the central axis direction and the broken line 601 indicating the axial direction composition distribution in the portion proceeding from the surface toward the 1 mm central axis are in good agreement and show a uniform composition. Further, according to the experimental results, the single crystallinity can be satisfactorily ensured in the present embodiment as well as in the first embodiment.

なお、本実施の形態では、原料の側面に付着させる特定物質としてカーボン粉末を用いた場合について説明したが、実験結果によれば、特定物質として、窒化アルミニウム単体、カーボン粉末と窒化ホウ素粉末との混合物、カーボン粉末と窒化アルミニウム粉末との混合物、窒化ホウ素粉末と窒化アルミニウム粉末との混合物、これら3つの粉末を含む混合物等を用いた場合にも、成長結晶において組成分布の均一性及び単結晶性を良好に確保することができる。   In the present embodiment, the case where carbon powder is used as the specific substance to be attached to the side surface of the raw material has been described. However, according to the experimental results, the specific substance includes aluminum nitride alone, carbon powder and boron nitride powder. Even in the case of using a mixture, a mixture of carbon powder and aluminum nitride powder, a mixture of boron nitride powder and aluminum nitride powder, a mixture containing these three powders, etc., uniformity of composition distribution and single crystallinity in the grown crystal Can be secured satisfactorily.

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1において、円柱状の原料に代えて板状の原料を用い、原料の側面に対して、特定物質(例えば窒化ホウ素粉末)と有機溶媒との混合物を用いる場合について、説明する。以下、本実施の形態について、上述した実施の形態1と異なる事項のみに着目して説明し、実施の形態1と同様の事項については、詳細な説明を省略する。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, in Embodiment 1, a plate-shaped raw material is used instead of the columnar raw material, and a mixture of a specific substance (for example, boron nitride powder) and an organic solvent is used on the side surface of the raw material. Will be described. Hereinafter, the present embodiment will be described by focusing on matters different from those of the first embodiment described above, and detailed description of matters similar to those of the first embodiment will be omitted.

まず、原料として、板状のGaAs原料(例えば、厚さ1.8mm、幅9.6mm、長さ50mm)が用意される。
次に、実施の形態1で説明した付着工程において、特定物質としての窒化ホウ素粉末と有機溶媒との混合物が用意され、この混合物が板状のGaAs原料に塗布される。具体的には、窒化ホウ素の微粉末(粒径5〜10μm)を有機溶媒(ブチルアルコール)に溶かして練り、ペースト状にされた窒化ホウ素粉末と有機溶媒との混合物が、板状のGaAs原料に対して長手軸方向の表面に刷毛により塗布される。これにより、窒化ホウ素粉末は、単に原料の側面に対して押圧により付着した状態(実施の形態1及び実施の形態2)に比べて、ペースト状にされた有機溶媒に保持された状態で原料の側面に付着することになるので、この付着工程から次の帯溶融法結晶成長工程の間において、原料の側面から剥離することがより確実に防止される。
First, a plate-like GaAs raw material (for example, a thickness of 1.8 mm, a width of 9.6 mm, and a length of 50 mm) is prepared as a raw material.
Next, in the adhesion step described in the first embodiment, a mixture of boron nitride powder as a specific substance and an organic solvent is prepared, and this mixture is applied to a plate-like GaAs raw material. Specifically, boron nitride fine powder (particle size 5-10 μm) is dissolved in an organic solvent (butyl alcohol) and kneaded, and a mixture of paste boron nitride powder and organic solvent is a plate-like GaAs raw material. Is applied to the surface in the longitudinal axis direction by a brush. As a result, the boron nitride powder is simply retained on the side surface of the raw material by pressing (the first embodiment and the second embodiment), while being held in the paste-like organic solvent. Since it adheres to the side surface, it is more reliably prevented from peeling from the side surface of the raw material between this adhesion step and the next zone melting method crystal growth step.

次に、帯溶融法結晶成長工程では、結晶成長用容器として以下に示すものが用意される。すなわち、上述した板状の原料を、板状に加工したGaAs種結晶(例えば、厚さ1.95mm、幅9.95mm、長さ10mm)と、同じく板状に加工したInAs(例えば、厚さ1.8mm、幅9.6mm、長さ15mm)とともに、深さ2mm、幅10mmの矩形状の溝を掘った半割り円柱状の窒化ホウ素製ルツボに挿入し、その上から半割りの窒化ホウ素製円柱をフタとして被せ、これら全体を窒化ホウ素製円筒に挿入した後、石英容器に真空封入して、結晶成長用容器とされる。   Next, in the zone melting method crystal growth step, the following are prepared as crystal growth containers. That is, the plate-shaped raw material described above is processed into a plate-like GaAs seed crystal (eg, thickness 1.95 mm, width 9.95 mm, length 10 mm), and InAs (eg, thickness 1.8 mm) 9.6mm wide, 15mm long), and inserted into a half-cylinder-shaped boron nitride crucible with a rectangular groove with a depth of 2mm and a width of 10mm. These are all inserted into a boron nitride cylinder and then vacuum-sealed in a quartz container to obtain a crystal growth container.

この容器が図1に示した結晶製造装置100の加熱装置101(温度勾配炉)に挿入される。加熱装置101中における容器周辺の温度が約700℃まで上がると、板状のGaAs原料に塗布された有機溶媒が炭化することにより、この炭化した有機溶媒によって窒化ホウ素粉末が原料に対して付着した状態が形成される。具体的には、炭化した有機溶媒が、GaAs原料の側面との間に窒化ホウ素粉末を挟んだ状態でこの側面に固着することにより、窒化ホウ素粉末は、この炭化した有機溶媒によって、原料の側面に圧着した状態に保たれる。なお、本実施の形態では、説明を簡単にするために、この有機溶媒を炭化させる工程が、帯溶融法結晶成長工程において実行される、すなわち、帯溶融法結晶成長工程に含まれる、として説明を行っているが、この有機溶媒を炭化させる工程は、帯溶融法結晶成長工程とは別個の工程と考えることも可能である。   This container is inserted into the heating device 101 (temperature gradient furnace) of the crystal manufacturing apparatus 100 shown in FIG. When the temperature around the container in the heating apparatus 101 rises to about 700 ° C., the organic solvent applied to the plate-like GaAs raw material is carbonized, and the boron nitride powder adheres to the raw material by the carbonized organic solvent. A state is formed. Specifically, the carbonized organic solvent is fixed to the side surface with the boron nitride powder sandwiched between the side surface of the GaAs raw material, and the boron nitride powder is then bonded to the side surface of the raw material by the carbonized organic solvent. It is kept in a state of being crimped to. In the present embodiment, in order to simplify the description, it is assumed that the step of carbonizing the organic solvent is performed in the zone melting method crystal growth step, that is, included in the zone melting method crystal growth step. However, the step of carbonizing the organic solvent can be considered as a step separate from the zone melting method crystal growth step.

この後、加熱装置101が、種結晶とInAsとの界面温度が1030℃、温度勾配が約10℃/cmとなるように加熱して、InAsを融かすことにより、溶融帯が形成される。この後、上述した実施の形態1と同様に、0.22mm/hの速度で容器を低温側へ移動させて結晶成長が実行される。   Thereafter, the heating device 101 is heated so that the interface temperature between the seed crystal and InAs is 1030 ° C. and the temperature gradient is about 10 ° C./cm to melt InAs, thereby forming a melting zone. Thereafter, as in Embodiment 1 described above, crystal growth is executed by moving the container to the low temperature side at a speed of 0.22 mm / h.

次に、本実施の形態に係る固溶体単結晶の製造方法により得られる効果について、図7を参照して説明する。図7(a)は、本発明の実施の形態3に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて結晶成長させている途中で急冷した原料における成長界面及び融解界面を観察した結果を示す模式図である。図7(b)は、図7(a)の場合と同一の温度環境下において従来の製造方法を用いて結晶成長させている途中で急冷した原料における成長界面及び融解界面を観察した結果を示す模式図である。   Next, the effect obtained by the method for producing a solid solution single crystal according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a schematic diagram showing a result of observing a growth interface and a melting interface in a raw material rapidly cooled during crystal growth using the method for producing a solid solution single crystal according to Embodiment 3 of the present invention. is there. FIG. 7B shows a result of observing a growth interface and a melting interface in a raw material rapidly cooled during crystal growth using a conventional manufacturing method under the same temperature environment as in FIG. 7A. It is a schematic diagram.

図7(a)において(図7(b)において)、溶融帯701(71)は、成長結晶702(72)と原料703(73)との間に存在する。溶融帯701(71)の両端のうち、成長結晶702(72)に接している部分が、成長界面704(74)であり、原料703(73)に接している部分が、融解界面705(75)である。   In FIG. 7A (in FIG. 7B), the melting zone 701 (71) exists between the grown crystal 702 (72) and the raw material 703 (73). Of both ends of the melting zone 701 (71), the portion in contact with the growth crystal 702 (72) is the growth interface 704 (74), and the portion in contact with the raw material 703 (73) is the melting interface 705 (75). ).

図7(a)を参照すると、結晶成長界面704および融解界面705は、ともに僅かに凹型になっているが、ほぼ平坦な界面が形成されていると言える。一方、窒化ホウ素粉末と有機溶媒との混合物図7(b)を参照すると、結晶成長界面74および融解界面75の歪みは、実施の形態1で用いた円柱試料を用いた場合(図3(b)参照)よりも顕著で、かつ成長結晶の幅も成長につれて細くなっている。これは、試料(原料)が板状であったので、側面への融液の潜り込みが、円柱の試料(原料)を用いた場合よりも顕著であったこと、及び、板状試料(原料)は、円柱状試料(原料)に比べて体積が少なくなった分だけ、その側面がより融け易くなったためと思われる。   Referring to FIG. 7A, the crystal growth interface 704 and the melting interface 705 are both slightly concave, but it can be said that a substantially flat interface is formed. On the other hand, referring to FIG. 7B, a mixture of boron nitride powder and an organic solvent. The distortion of the crystal growth interface 74 and the melting interface 75 is obtained when the cylindrical sample used in the first embodiment is used (FIG. 3B). ))), And the width of the grown crystal becomes narrower as it grows. This is because the sample (raw material) was plate-like, and the penetration of the melt into the side surface was more noticeable than when a cylindrical sample (raw material) was used, and the plate-like sample (raw material). This is probably because the side surface is more easily melted as the volume is smaller than that of the columnar sample (raw material).

なお、本実施の形態では、板状の原料に窒化ホウ素粉末と有機溶媒との混合物を塗布する場合について説明したが、このような混合物を塗布する原料の形状に特に限定はなく、例えば、実施の形態1及び実施の形態2で説明した円柱状の原料にこのような混合物を塗布した場合にも、成長結晶において組成分布の均一性及び単結晶性を確保できることはいうまでもない。   In this embodiment, the case where a mixture of boron nitride powder and an organic solvent is applied to a plate-shaped raw material has been described. However, the shape of the raw material to which such a mixture is applied is not particularly limited. It goes without saying that even when such a mixture is applied to the columnar raw material described in Embodiments 1 and 2, uniformity of composition distribution and single crystallinity can be secured in the grown crystal.

また、本実施の形態では、窒化ホウ素粉末と有機溶媒との混合物を原料に塗布する場合について説明したが、窒化ホウ素粉末及びその他の物質(カーボン粉末及び窒化アルミニウム等のうち一方又は両方)と有機溶媒との混合物を用いることも可能である。この場合にも、原料が加熱装置(温度勾配炉)に入れられて加熱された場合に、有機溶媒が炭化し、この炭化した有機溶媒によって窒化ホウ素粉末及びカーボン粉末が原料に対して付着した状態が形成される。   In this embodiment, the case where a mixture of a boron nitride powder and an organic solvent is applied to a raw material has been described. However, boron nitride powder and other substances (one or both of carbon powder and aluminum nitride) and organic It is also possible to use a mixture with a solvent. Also in this case, when the raw material is put into a heating device (temperature gradient furnace) and heated, the organic solvent is carbonized, and the boron nitride powder and the carbon powder are attached to the raw material by the carbonized organic solvent. Is formed.

特定物質(例えば、窒化ホウ素粉末、カーボン粉末又はこれらの混合物等)が敷き詰められた紙面上に対して原料の側面を押圧させた状態で回転させて、この原料の側面に特定物質を付着させる実施の形態1及び実施の形態2に比べて、本実施の形態によれば、原料の側面に特定物質と有機溶媒とを含む混合物を塗布しているので、原料の側面に容易にかつ確実に特定物質を付着させることができる。加えて、この特定物質は、このような塗布の後にあっては、有機溶媒によって原料の側面に付着した状態に保たれ、結晶成長が開始した後にあっては、原料の側面に固着した炭化した有機溶媒によって原料の側面に圧着した状態に保持される。よって、実際に結晶成長が進行している時点において現に、原料の表面積すなわち側面の全面積のうちの30%以上の部分に特定物質が付着した状態が確実に保たれるので、成長結晶において組成分布の均一性及び単結晶性をより確実に確保することができる。   Rotating the specified material (for example, boron nitride powder, carbon powder, or a mixture thereof, etc.) on the paper surface while pressing the side surface of the raw material, and attaching the specific material to the side surface of the raw material Compared with Embodiment 1 and Embodiment 2, according to the present embodiment, since the mixture containing the specific substance and the organic solvent is applied to the side surface of the raw material, it is easily and reliably specified on the side surface of the raw material. A substance can be deposited. In addition, the specific substance is kept attached to the side surface of the raw material by an organic solvent after such coating, and after the start of crystal growth, the specific substance is carbonized fixed to the side surface of the raw material. It is held in a state where it is pressed against the side surface of the raw material by an organic solvent. Therefore, at the time when the crystal growth is actually progressing, the state in which the specific substance adheres to the portion of 30% or more of the surface area of the raw material, that is, the total area of the side surface is surely maintained. Uniformity of distribution and single crystallinity can be ensured more reliably.

(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1において、円柱状の原料に代えて板状の原料を用い、原料の表面に付着させる特定物質として窒化ホウ素粉末に代えて窒化アルミニウム粉末を用いる場合について、説明する。以下、本実施の形態について、上述した実施の形態1〜実施の形態3と同様の事項については、詳細な説明を省略する。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, a case where a plate-like raw material is used instead of a columnar raw material and an aluminum nitride powder is used instead of boron nitride powder as a specific substance to be attached to the surface of the raw material in Embodiment 1 will be described. To do. Hereinafter, with respect to the present embodiment, detailed description of matters similar to those of the above-described first to third embodiments is omitted.

まず、原料として、板状のSi原料が用意される。次に、上記実施の形態1で説明した付着工程では、板状のSi原料の表面積に比べて十分に大きな面積を有する例えば紙が用意される。この紙の上に、窒化アルミニウム粉末(例えば粒径約50μm)が敷き詰められる。この後、板状のSi原料の4つの長手軸側面について、その側面がこの紙の表面に当接した状態で押圧されることにより、この原料の4つの長手軸表面に窒化アルミニウムが付着させられる。   First, a plate-like Si raw material is prepared as a raw material. Next, in the attaching step described in the first embodiment, for example, paper having an area sufficiently larger than the surface area of the plate-like Si raw material is prepared. An aluminum nitride powder (for example, a particle size of about 50 μm) is spread on the paper. Thereafter, the four longitudinal axis side surfaces of the plate-like Si raw material are pressed in a state where the side surfaces are in contact with the surface of the paper, thereby attaching aluminum nitride to the four longitudinal axis surfaces of the raw material. .

次に、帯溶融法結晶成長工程では、板状のSi0.5Ge0.5結晶を成長させるために、原料としての上述した板状のSi原料、種結晶としてのSi単結晶、及び、溶融帯形成材としてのGeを用いて、実施の形態3で説明したものと同様の手法により結晶成長用容器が用意される。この後、種結晶Siと溶融帯形成材Geとの接合面が約1100℃となり、この温度領域での温度勾配が10℃/cmとなるように、加熱装置101(温度勾配炉)の加熱条件及び結晶成長用容器の挿入位置が調節される。この初期条件で温度安定になるまで3時間保持され、結晶成長用容器が、0.27mm/hで低温側へ一定速度で移動させられる。 Next, in the zone melting method crystal growth step, in order to grow a plate-like Si 0.5 Ge 0.5 crystal, the above-described plate-like Si raw material as a raw material, a Si single crystal as a seed crystal, and a molten zone forming material Using this Ge, a crystal growth vessel is prepared by the same method as described in the third embodiment. Thereafter, the heating condition of the heating device 101 (temperature gradient furnace) is such that the joint surface between the seed crystal Si and the molten zone forming material Ge is about 1100 ° C., and the temperature gradient in this temperature region is 10 ° C./cm. And the insertion position of the crystal growth vessel is adjusted. The temperature is maintained for 3 hours until the temperature becomes stable under this initial condition, and the crystal growth vessel is moved to the low temperature side at a constant speed at 0.27 mm / h.

図8は、本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて製造された結晶中の軸方向のSiGe濃度分布を示すグラフである。図8において、中心軸方向の組成分布84および表面から1mm中心軸に向かう方向に進んだ部分の軸方向組成分布85ともに良く一致し、均一性に優れたSi0.5Ge0.5結晶が得られていることが分かる。なお、実験結果によれば、成長結晶では、種結晶の方位を引き継いだ単結晶が終端まで成長している。以上のように、本実施の形態でも、成長結晶において組成分布の均一性だけでなく単結晶性をも良好に確保することができる。 FIG. 8 is a graph showing an axial SiGe concentration distribution in a crystal manufactured using the method for manufacturing a solid solution single crystal according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 8, both the composition distribution 84 in the central axis direction and the axial composition distribution 85 in the portion proceeding from the surface toward the 1 mm central axis agree well, and a Si 0.5 Ge 0.5 crystal having excellent uniformity is obtained. I understand that. According to the experimental results, in the grown crystal, a single crystal that has inherited the orientation of the seed crystal has grown to the end. As described above, also in this embodiment, it is possible to ensure not only the uniformity of the composition distribution but also the single crystallinity in the grown crystal.

以上説明したように、本発明に係る固溶体単結晶の製造方法によれば、固体原料の溶融により生成される溶融帯内の融液が融け残った残余の固体原料の表面を移動することを妨げる特定物質(好ましくは、融液に対して濡れ性の悪い特定物質、すなわち、融液に対して90°以上の接触角を有する特定物質)を、固体原料の表面に付着させた状態において、結晶成長を実行することにより、融液が溶融帯から融け残った残余の固体原料の表面を伝わって残余の固体原料側へ移動することが妨げられる結果、溶融帯の形状の変形、及び、この変形に伴う結晶成長界面の変形を防止することができる。よって、結晶成長界面の変形に起因して生ずる、結晶成長における組成の均一性及び多結晶化を防止することができるので、固溶体単結晶(すなわち、均一な組成及び単結晶構造を有する固溶体)を再現性よく製造することができる。   As described above, according to the method for producing a solid solution single crystal according to the present invention, the melt in the melting zone generated by melting the solid raw material is prevented from moving on the surface of the remaining solid raw material remaining unmelted. In a state where a specific substance (preferably, a specific substance having poor wettability with respect to the melt, that is, a specific substance having a contact angle of 90 ° or more with respect to the melt) is attached to the surface of the solid raw material, By performing the growth, the melt is prevented from moving from the melting zone to the remaining solid raw material side through the surface of the remaining solid raw material, resulting in deformation of the melting zone and this deformation. It is possible to prevent the crystal growth interface from being deformed. Therefore, it is possible to prevent the compositional uniformity and polycrystallization in the crystal growth caused by the deformation of the crystal growth interface, so that a solid solution single crystal (that is, a solid solution having a uniform composition and a single crystal structure) can be obtained. It can be manufactured with good reproducibility.

本発明に係る固溶体単結晶の製造方法は、特定の材料の製造に限定されるものではなく、広く一般の固溶体単結晶の製造に適用できるものである。特に、InAs-GaAs系やSi-Ge系などの半導体の固溶体は、レーザダイオードや集積回路素子作製用基板に用いられる際に、高品質化や組成均一化が要求される。よって、本発明に係る固溶体単結晶の製造方法は、InAs-GaAs系やSi-Ge系などの半導体の固溶体の製造に特に好適である。   The method for producing a solid solution single crystal according to the present invention is not limited to the production of a specific material, and can be widely applied to the production of general solid solution single crystals. In particular, solid solutions of semiconductors such as InAs-GaAs and Si-Ge are required to have high quality and uniform composition when used for laser diode and integrated circuit device fabrication substrates. Therefore, the method for producing a solid solution single crystal according to the present invention is particularly suitable for producing a solid solution of a semiconductor such as InAs-GaAs or Si-Ge.

本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法に用いられる結晶製造装置の概略を示す模式図。The schematic diagram which shows the outline of the crystal manufacturing apparatus used for the manufacturing method of the solid solution single crystal which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法に用いられる結晶成長用容器105の断面図を示す模式図。The schematic diagram which shows sectional drawing of the container 105 for crystal growth used for the manufacturing method of the solid solution single crystal which concerns on Embodiment 1 of this invention. (a)本発明の実施形態1に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて結晶成長させている途中で急冷した原料における成長界面及び融解界面を観察した結果を示す模式図。(b)図3(a)の場合と同一の温度環境の下において従来の製造方法を用いて結晶成長させている途中で急冷した原料における成長界面及び融解界面を観察した結果を示す模式図。(A) The schematic diagram which shows the result of having observed the growth interface and the fusion | melting interface in the raw material quenched rapidly during the crystal growth using the manufacturing method of the solid solution single crystal which concerns on Embodiment 1 of this invention. (B) A schematic view showing the result of observing the growth interface and the melting interface in a raw material that has been rapidly cooled during crystal growth using a conventional manufacturing method under the same temperature environment as in FIG. 本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて製造された結晶中の軸方向InAs濃度分布を、従来技術を用いて製造された結晶中のInAs濃度分布と比較して示すグラフ。An axial InAs concentration distribution in a crystal manufactured using the method for manufacturing a solid solution single crystal according to Embodiment 1 of the present invention is shown in comparison with an InAs concentration distribution in a crystal manufactured using a conventional technique. Graph. (a)本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて成長させた結晶の縦割り断面を観察した結果を示す模式図。(b)図5(a)の場合と同一の温度環境の下において従来の製造方法を用いて成長させた結晶の縦割り断面を観察した結果を示す模式図。(A) The schematic diagram which shows the result of having observed the longitudinal section of the crystal grown using the manufacturing method of the solid solution single crystal which concerns on Embodiment 1 of this invention. (B) A schematic view showing the result of observing a longitudinal section of a crystal grown using a conventional manufacturing method under the same temperature environment as in FIG. 本発明の実施の形態2に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて製造された結晶中の軸方向InAs濃度分布を示すグラフ。The graph which shows the axial direction InAs density | concentration distribution in the crystal manufactured using the manufacturing method of the solid solution single crystal which concerns on Embodiment 2 of this invention. (a)本発明の実施の形態3に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて結晶成長させている途中で急冷した原料における成長界面及び融解界面を観察した結果を示す模式図。(b)図7(a)の場合と同一の温度環境下において従来の製造方法を用いて結晶成長させている途中で急冷した原料における成長界面及び融解界面を観察した結果を示す模式図。(A) The schematic diagram which shows the result of having observed the growth interface and the fusion | melting interface in the raw material quenched rapidly during the crystal growth using the manufacturing method of the solid solution single crystal which concerns on Embodiment 3 of this invention. (B) The schematic diagram which shows the result of having observed the growth interface and the fusion | melting interface in the raw material rapidly cooled in the middle of the crystal growth using the conventional manufacturing method in the same temperature environment as the case of FIG. 7 (a). 本発明の実施の形態1に係る固溶体単結晶の製造方法を用いて製造された結晶中の軸方向のSiGe濃度分布を示すグラフ。The graph which shows the SiGe density | concentration distribution of the axial direction in the crystal manufactured using the manufacturing method of the solid solution single crystal which concerns on Embodiment 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 結晶製造装置
101 加熱装置
102 駆動機構
103 支持棒
104 制御機構
105 結晶成長用容器
201 ルツボ
202 ヒートシンク
203 石英容器
205 種結晶
206 InAs(溶融帯形成材)
207 原料
208 窒化ホウ素粉末(特定物質)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Crystal manufacturing apparatus 101 Heating apparatus 102 Drive mechanism 103 Support rod 104 Control mechanism 105 Crystal growth container 201 Crucible 202 Heat sink 203 Quartz container 205 Seed crystal 206 InAs (melting zone forming material)
207 Raw material 208 Boron nitride powder (specific substance)

Claims (6)

固体原料の溶融により生成される融液に対して90°以上の接触角を有する特定物質を前記固体原料の表面に付着させる工程と、
前記特定物質を付着させた前記固体原料を用いて帯溶融法による結晶成長を実行することにより、固溶体単結晶を製造する成長工程と、
を含むことを特徴とする固溶体単結晶の製造方法。
Attaching a specific substance having a contact angle of 90 ° or more to the melt produced by melting the solid raw material to the surface of the solid raw material ;
A growth process for producing a solid solution single crystal by performing crystal growth by a zone melting method using the solid raw material to which the specific substance is attached;
A process for producing a solid solution single crystal comprising:
前記付着工程は、前記固体原料の表面を前記特定物質が敷き詰められた面に対して押圧することにより、前記固体原料の表面に前記特定物質を付着させる押圧工程を含む、請求項1に記載の固溶体単結晶の製造方法。   The said adhesion process includes the press process which adheres the said specific substance to the surface of the said solid raw material by pressing the surface of the said solid raw material with respect to the surface where the said specific substance was spread. A method for producing a solid solution single crystal. 前記付着工程は、前記特定物質と有機溶媒とを含む混合物を前記固体原料の表面に塗布する塗布工程を含み、
前記成長工程は、該固体原料の溶融により融液が生成される前に、前記混合物を塗布した固体原料を加熱して前記有機溶媒を炭化させることにより、
炭化した該有機溶媒が、前記表面に固着して、前記特定物質が前記表面に圧着した状態を保持する炭化工程を含む、請求項1に記載の固溶体単結晶の製造方法。
The attaching step includes an application step of applying a mixture containing the specific substance and an organic solvent to the surface of the solid raw material,
In the growth step, before the melt is generated by melting the solid raw material, the solid raw material coated with the mixture is heated to carbonize the organic solvent,
The method for producing a solid solution single crystal according to claim 1, further comprising a carbonization step in which the carbonized organic solvent is fixed to the surface and maintains the state where the specific substance is pressure-bonded to the surface.
前記特定物質は、窒化ホウ素、カーボン、窒化アルミニウム、又は、これらのうち少なくとも2つを含む混合物である、請求項1から請求項3のいずれかに記載の単結晶固溶体の製造方法。   The method for producing a single crystal solid solution according to any one of claims 1 to 3, wherein the specific substance is boron nitride, carbon, aluminum nitride, or a mixture containing at least two of them. 前記付着工程は、前記固体原料の表面積のうち少なくとも30%以上の部分に前記特定物質を付着させる、請求項1から請求項4のいずれかに記載の単結晶固溶体の製造方法。   5. The method for producing a single crystal solid solution according to claim 1, wherein in the attaching step, the specific substance is attached to at least 30% or more of a surface area of the solid raw material. 前記付着工程は、1〜50μmの範囲に属する粒径を有する粉末状の特定物質を前記固体原料の表面に付着させる、請求項1から請求項のいずれかに記載の単結晶固溶体の製造方法。 The method for producing a single crystal solid solution according to any one of claims 1 to 5 , wherein, in the attaching step, a powdery specific substance having a particle size in the range of 1 to 50 µm is attached to the surface of the solid raw material. .
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