JPH0235716B2 - - Google Patents
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- JPH0235716B2 JPH0235716B2 JP59143242A JP14324284A JPH0235716B2 JP H0235716 B2 JPH0235716 B2 JP H0235716B2 JP 59143242 A JP59143242 A JP 59143242A JP 14324284 A JP14324284 A JP 14324284A JP H0235716 B2 JPH0235716 B2 JP H0235716B2
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B1/00—Single-crystal growth directly from the solid state
- C30B1/02—Single-crystal growth directly from the solid state by thermal treatment, e.g. strain annealing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
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Description
【発明の詳細な説明】
<産業上の利用分野>
本発明はゲルマニウム薄膜結晶の製造方法に関
し、特に発光ダイオード、光複合素子、モノシリ
ツク複合機能集積回路などの半導体素子に利用す
るゲルマニウム薄膜結晶の製造方法に関する。[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention relates to a method for manufacturing germanium thin film crystals, and in particular to manufacturing germanium thin film crystals for use in semiconductor devices such as light emitting diodes, optical composite devices, and monolithic multifunctional integrated circuits. Regarding the method.
<従来技術>
従来、この種ゲルマニウム薄膜結晶の製造に当
つては、シルコン(シリコンの表面を酸化膜で被
覆したもの)等の誘電体基板上に、予め所望の厚
さにゲルマニウム層を堆積させた後、ゲルマニウ
ム層の一方の側から他方の側にレーザ光や電子ビ
ームを照射あるいは線状ヒータ加熱によるゾーン
溶融法によつて溶融、固化することによつて結晶
化させておつた。しかし、この方法でゲルマニウ
ムを結晶化する場合、基板上にゲルマニウム層の
みを堆積させた状態では、線状ヒータによる加熱
溶融の場合は、ヒータ温度、基板温度およびビー
ムと基板間の相対速度(移動速度)等が、またエ
ネルギビームによる加熱溶融の場合はビームパワ
ー、基板温度およびビームと基板間の相対速度等
を厳密に定めなければならない。<Prior art> Conventionally, in manufacturing this type of germanium thin film crystal, a germanium layer is deposited in advance to a desired thickness on a dielectric substrate such as silicon (silicon surface coated with an oxide film). After that, the germanium layer was crystallized by being melted and solidified by irradiating a laser beam or an electron beam from one side to the other or by a zone melting method using linear heater heating. However, when crystallizing germanium using this method, when only the germanium layer is deposited on the substrate, in the case of heating and melting with a linear heater, the heater temperature, the substrate temperature, and the relative speed (movement) between the beam and the substrate are In the case of heating and melting with an energy beam, the beam power, substrate temperature, relative speed between the beam and the substrate, etc. must be strictly determined.
これは、第7図aに示すようにゲルマニウムが
溶解した状態では基板(SiO2)との付着性が弱
いために、上記条件から少しでもずれると充分な
結晶成長が起こらないか、或いは同図bに示すよ
うにゲルマニウムが凝縮して基板から遊離してし
まい、薄膜結晶化が実現しないからである。特
に、加熱結晶化中の溶融ゲルマニウムの面積が大
きい線状ヒータによる方法では、基板面全体にわ
たる薄膜結晶化は著るしく困難となる。このよう
な凝縮を防止するため、従来から、第1図に示す
ように、タングステン等の高融点金属層1,3を
ゲルマニウム層2の上下に形成してから加熱結晶
させる方法が採用されているが、このような方法
による結晶化は、ゲルマニウムの凝縮防止には有
効ではあるが、第2図に示すように、発光素子を
構成するためゲルマニウム層2の上に、さらに他
の結晶、たとえばヒ化ガリウム層6をエピタキシ
ヤル成長させるためには、ゲルマニウム2を結晶
化後第1図に示す高融点金属層3を除去し、ゲル
マニウム層2を露出した上、第2図のようにエピ
タキシヤル成長層6を形成する必要がある。高融
点金属層3の除去には、現在、主として化学エツ
チング法が採用されているが、層3除去後のゲル
マニウム層2の表面は、充分平坦なものを得るこ
とが困難である。したがつて、エピタキシヤル成
長層6の表面も層2の表面の影響を受け、充分平
坦なものが得られず、層6に形成した素子の特性
に不均一さが現われる欠点があつた。また、第3
図のようにヒ化ガリウム層6に形成した発光素子
7から出た光信号8を、基板上に予め形成した受
光素子9で受ける構成のフオトカプラ素子では光
信号8に対して不透明な高融点金属層1が存在す
るため、有効に光信号8が受光素子9に達するに
は、層1の厚さを凝縮防止に有効な範囲で薄くす
る等の工夫が必要であり、実際に、素子9に到達
する光のパワーは、受光素子9の駆動に不充分な
場合が多かつた。また、ゲルマニウムの凝縮を防
止する他の方法として、第4図のようにゲルマニ
ウム層2の上に厚さ約1μ程度のSiO2B層10を形
成する方法も採用されているが、この方法では凝
縮防止できるゲルマニウムの面積に限度があり、
広い面積にわたる結晶化が困難であつた。 This is because, as shown in Figure 7a, when germanium is dissolved, its adhesion to the substrate (SiO 2 ) is weak, so if the conditions deviate even slightly from the above conditions, sufficient crystal growth will not occur, or, as shown in Figure 7a. This is because germanium condenses and becomes liberated from the substrate as shown in b, and thin film crystallization cannot be achieved. In particular, in a method using a linear heater in which the area of molten germanium during heating crystallization is large, it becomes extremely difficult to crystallize a thin film over the entire substrate surface. In order to prevent such condensation, conventionally, as shown in Fig. 1, a method has been adopted in which layers 1 and 3 of a high-melting point metal such as tungsten are formed above and below a germanium layer 2 and then heated and crystallized. However, although crystallization by such a method is effective in preventing condensation of germanium, as shown in FIG. In order to epitaxially grow the gallium oxide layer 6, after crystallizing the germanium 2, the high melting point metal layer 3 shown in FIG. 1 is removed to expose the germanium layer 2, and then epitaxial growth is performed as shown in FIG. Layer 6 needs to be formed. At present, chemical etching is mainly used to remove the high melting point metal layer 3, but it is difficult to obtain a sufficiently flat surface of the germanium layer 2 after the layer 3 is removed. Therefore, the surface of the epitaxially grown layer 6 is also affected by the surface of the layer 2, making it impossible to obtain a sufficiently flat surface, resulting in the disadvantage that non-uniformity appears in the characteristics of the elements formed on the layer 6. Also, the third
As shown in the figure, a photocoupler element configured to receive an optical signal 8 emitted from a light emitting element 7 formed on a gallium arsenide layer 6 with a light receiving element 9 formed in advance on a substrate uses a high melting point metal that is opaque to the optical signal 8. Due to the existence of layer 1, in order for the optical signal 8 to effectively reach the light receiving element 9, it is necessary to reduce the thickness of layer 1 within a range that is effective for preventing condensation. The power of the arriving light was often insufficient to drive the light receiving element 9. Another method for preventing germanium condensation is to form a SiO 2 B layer 10 with a thickness of about 1 μm on the germanium layer 2 as shown in FIG. There is a limit to the area of germanium that can prevent condensation.
Crystallization over a wide area was difficult.
<解決しようとする問題点>
本発明は、ゲルマニウム薄膜結晶作成における
上述の欠点を除去するためになされたものであつ
て、ゲルマニウム薄膜結晶化時の諸条件に対する
許容度が大きく、ゲルマニウム薄膜結晶が高い再
現性をもつて、基板全面にわたつて結晶成長させ
ることができ、表面の平坦性が良好なゲルマニウ
ム薄膜結晶を作成できるゲルマニウム薄膜結晶の
製造方法を提供することを目的とする。<Problems to be Solved> The present invention was made in order to eliminate the above-mentioned drawbacks in the production of germanium thin film crystals. An object of the present invention is to provide a method for producing a germanium thin film crystal that can grow crystals over the entire surface of a substrate with high reproducibility and can produce a germanium thin film crystal with good surface flatness.
<問題点を解決するための手段>
上記問題点を解決するために、本発明の手段の
1は、誘電体基板上に、窒化硼素、窒化アルミニ
ウム、酸化ベリリウムおよび炭化シリコンからな
る群から選んだ少くとも一からなる第1の層を堆
積させる工程と、上記第1の層上にゲルマニウム
からなる第2の層を堆積させる工程と、上記第2
の層上に窒化硼素、窒化アルミニウム、酸化ベリ
リウムおよび炭化シリコンからなる群から選んだ
少くとも一からなる第3の層を堆積させる工程
と、上記第1、第2および第3の層を堆積した誘
電体基板の全体又は第2の層に沿つて誘電体基板
を部分加熱する工程とからなることを特徴とす
る。<Means for Solving the Problems> In order to solve the above-mentioned problems, one of the means of the present invention is to apply a material selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide, and silicon carbide on a dielectric substrate. depositing a first layer of germanium on the first layer; depositing a second layer of germanium on the first layer;
depositing a third layer consisting of at least one selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide and silicon carbide on the layer; and depositing the first, second and third layers. The method is characterized by comprising a step of partially heating the dielectric substrate along the entire dielectric substrate or the second layer.
また、本発明の他の手段は誘電体基板上に、窒
化硼素、窒化アルミニウム、酸化ベリリウムおよ
び炭化シリコンからなる群から選んだ少くとも一
からなる第1の層を堆積させる工程と、上記第1
の層上にゲルマニウムからなる第2の層を堆積さ
せる工程と、上記第2の層上にゲルマニウムの融
点近傍の温度でゲルマニウムと合金を形成しない
高融点金属からなる第3の層を堆積させる工程
と、上記第1、第2および第3のの層を堆積した
誘電体基板の全体又は第2の層に沿つて誘電体基
板を部分加熱する工程となることを特徴とする。 Further, another means of the present invention includes the step of depositing, on the dielectric substrate, a first layer consisting of at least one selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide, and silicon carbide;
depositing a second layer made of germanium on the layer; and depositing a third layer made of a high melting point metal that does not form an alloy with germanium at a temperature near the melting point of germanium on the second layer. and a step of partially heating the dielectric substrate on which the first, second, and third layers are deposited or along the second layer.
また、本発明のもう1つの手段は誘電体基板上
に、ゲルマニウムの融点近傍の温度でゲルマニウ
ムと合金を形成しない高融点金属からなる第1の
層と、上記第1の層上にゲルマニウムからなる第
2の層を堆積させる工程と、上記第2の層上に窒
化硼素、窒化アルミニウム、酸化ベリリウムおよ
び炭化シリコンからなる群から選んだ少くとも一
からなる第3の層を堆積させる工程と、上記第
1、第2および第3の層を堆積した誘電体基板の
全体又は第2の層に沿つて誘電体基板を部分加熱
する工程となることを特徴とするものである。 Another means of the present invention is to provide a first layer on a dielectric substrate made of a high melting point metal that does not form an alloy with germanium at a temperature near the melting point of germanium, and a first layer made of germanium on the first layer. depositing a second layer on the second layer; depositing a third layer comprising at least one selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide, and silicon carbide; This method is characterized in that it is a step of heating the entire dielectric substrate on which the first, second, and third layers are deposited or partially heating the dielectric substrate along the second layer.
<作用>
本発明のゲルマニウム薄膜結晶の製造方法で
は、ゲルマニウムの凝縮を抑え、薄膜の結晶化を
充分に行わせる必要がある。このためには、次の
〜の要件を満足しなければならないと考えら
れる。<Function> In the method for producing a germanium thin film crystal of the present invention, it is necessary to suppress condensation of germanium and sufficiently crystallize the thin film. For this purpose, it is considered that the following requirements must be satisfied.
表面張力の大きい材料の薄膜(以下、保護膜
と呼ぶ)でゲルマニウム層をサンドイツチ状に
挟むこと。 Sandwiching the germanium layer between thin films of material with high surface tension (hereinafter referred to as protective films) in the form of a sandwich.
一般に液体物質が固体上に存在する場合、こ
の液体物質が凝縮した状態、つまり玉状でまと
まるか、或いは固体表面に広がつて、つまり固
体表面に良く濡れて存在するかの区別は、良く
知られているようにその固体の表面張力と液体
物質の表面張力の大小関係による。第7図の挿
入図に示すように、液体物質20と固体21の
濡れの程度は接触角θの大きさとして評価する
ことができる。接触角θが大きいほど、濡れの
程度が小さく、玉状の凝縮状態に近いというこ
とができる。完全な凝縮状態では接触角θは
180度となる。第7図のグラフは、種々の固体
物質上におけるゲルマニウムの接触角を測定し
た結果であり、本発明において保護膜として用
いる窒化硼素、窒化アルミニウム、酸化ベリリ
ウム及び炭化シリコンと、高融点金属であるタ
ングステンは他の代表的な誘電体(SiO2)よ
り濡れが大きい、すなわち凝縮し難いことが示
されている。ここで、定性的に考察するに、凝
縮し易く濡れが悪い状態とは、(1)固体21の表
面の露出部分の面積が大きく固体21の表面原
子は他の物質と結合されずに宙ぶらりんで未結
合表面電子の状態、即ち固体21が固有の固体
表面エネルギー或いは表面張力を持つ状態にあ
り、(2)液体物質20は自らの単位面積当たりの
液体表面エネルギーを最小にするため表面張力
の作用で玉状の形態を保つている状態である。
従つて、単位表面積当たりに換算して固体表面
エネルギーが液体表面エネルギーよりも大きい
場合には、この固体及び液体物質の全体系とし
て、固体21の表面の露出部分の面積が液体物
質の表面積よりも大きいほうが全エネルギーは
小さくなる。すなわち、この液体物質は凝縮状
態となる。逆に、凝縮し難く濡れ易い状態と
は、単位面積当たりに換算して固体表面エネル
ギーのほうが液体表面エネルギーよりも大きい
状態であり、固体21の表面の露出部分の面積
が広がるのではなく、固体21の表面は液体物
質20に覆われ固体液体原子間の結合が生じる
ことによつて未結合状態時よりも固体表面(界
面)エネルギーは下がり、代わりに液体物質2
0が広がつて系全体のエネルギーは液体表面エ
ネルギーで規定される値に近くなる。 In general, when a liquid substance exists on a solid, it is well known whether the liquid substance is in a condensed state, that is, clumped together in a bead shape, or spread out, that is, well wetted on the solid surface. It depends on the magnitude relationship between the surface tension of the solid and the surface tension of the liquid substance. As shown in the inset of FIG. 7, the degree of wetting between the liquid substance 20 and the solid 21 can be evaluated as the contact angle θ. It can be said that the larger the contact angle θ, the smaller the degree of wetting, and the closer to a bead-like condensed state. In a completely condensed state, the contact angle θ is
It becomes 180 degrees. The graph in Figure 7 is the result of measuring the contact angle of germanium on various solid materials, and shows the contact angles of germanium on various solid materials, including boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide, and silicon carbide, which are used as protective films in the present invention, and tungsten, a high melting point metal. has been shown to have greater wettability, that is, less condensation, than other typical dielectrics (SiO 2 ). Considering this qualitatively, a state where condensation is easy and wettability is poor is defined as (1) the area of the exposed part of the surface of the solid 21 is large, and the surface atoms of the solid 21 are not bonded with other substances and are suspended in the air; The state of unbonded surface electrons, that is, the state in which the solid 21 has a unique solid surface energy or surface tension; (2) the liquid substance 20 uses the action of surface tension to minimize its own liquid surface energy per unit area. It is in a state where it maintains a ball-like shape.
Therefore, when the solid surface energy is larger than the liquid surface energy in terms of unit surface area, the area of the exposed part of the surface of the solid 21 is larger than the surface area of the liquid substance as a whole system of solid and liquid substances. The larger the value, the smaller the total energy. That is, this liquid substance becomes condensed. Conversely, a state in which it is difficult to condense and easily wet is a state in which the solid surface energy is larger than the liquid surface energy in terms of unit area, and the exposed area of the surface of the solid 21 does not expand, but the solid The surface of 21 is covered with the liquid substance 20 and bonds between solid and liquid atoms occur, so that the solid surface (interfacial) energy is lower than in the unbonded state, and instead the liquid substance 2
0 spreads, and the energy of the entire system approaches the value defined by the liquid surface energy.
従つて、溶融したゲルマニウムの凝縮を起こ
さないようにするためにはゲルマニウム表面エ
ネルギー言い換えると表面張力の大きな固体を
保護層として接触させることが重要である。 Therefore, in order to prevent condensation of molten germanium, it is important to contact germanium with a solid having a high surface energy, in other words, a high surface tension, as a protective layer.
表面エネルギーの大きさとは、上述したよう
に表面原子が結合を求める傾向の強さを表す量
であり、物質原子の結合の強さそのものに直接
関係した量である。結合強度を表す巨視的に測
定可能な物理定数としては凝集エネルギー
(cohesive energy)がある。第8図に種々の
物質の、主として結晶状態における凝集エネル
ギーを示す。横軸は見やすくするために物質の
イオン度を取つており、周期律表で同一周期か
らなる物質を線で結んである。第8図から明ら
かなように、窒化硼素、酸化ベリリウム等本発
明に使用される物質はいずれも大きい凝集エネ
ルギーすなわち表面エネルギー(表面張力)を
持つている。また、タングステン等の高融点金
属も一般に大きい凝集エネルギーを持つてい
る。 As mentioned above, the magnitude of surface energy is a quantity that represents the strength of the tendency of surface atoms to seek bonds, and is a quantity that is directly related to the strength of the bonds of material atoms themselves. Cohesive energy is a macroscopically measurable physical constant that represents bond strength. FIG. 8 shows the cohesive energies of various substances, mainly in the crystalline state. The horizontal axis shows the ionicity of substances for ease of viewing, and lines connect substances with the same period on the periodic table. As is clear from FIG. 8, the substances used in the present invention, such as boron nitride and beryllium oxide, all have large cohesive energy, that is, surface energy (surface tension). Furthermore, high melting point metals such as tungsten generally have large cohesive energy.
現実には、それぞれの固体、液体表面の僅か
な汚れ具合等によつても、濡れの状態に変化が
生じることがあり、これが第7図における接触
角の測定に幅が出る原因である。また、汚れ、
僅かな凹凸等の理由により、理想的な表面とは
異なる状態にあるため、完全に濡れる(接触角
θ=0度)、完全に凝縮する(接触角θ=180
度)となることは、稀である。従つて、現実の
ゲルマニウムの凝縮を充分に抑えるためには、
第7図の挿入図に示すように片面(下面)のみ
保護膜と接触させるだけではなく、溶融前のゲ
ルマニウムの上面にも同様な保護膜を配置する
所謂サンドイツチ構造により、ゲルマニウム保
護物質との実質的接触面積を増大せしめること
が必要であると考えられるのである。 In reality, the state of wetting may change depending on the degree of contamination of the surface of each solid or liquid, and this is the cause of the variation in the measurement of the contact angle in FIG. 7. Also, dirt,
Due to slight irregularities, etc., the surface is in a different state from the ideal surface, so it becomes completely wet (contact angle θ = 0 degrees) and completely condenses (contact angle θ = 180 degrees).
degree) is rare. Therefore, in order to sufficiently suppress the actual condensation of germanium,
As shown in the inset of Figure 7, not only one side (lower surface) is brought into contact with the protective film, but also a similar protective film is placed on the upper surface of the germanium before melting, which is the so-called sandwich structure. Therefore, it is considered necessary to increase the contact area.
上下の保護層はゲルマニウムと近似した線膨
張係数を有すること。 The upper and lower protective layers must have a coefficient of linear expansion similar to that of germanium.
溶融したゲルマニウムの凝集が抑えられても
ゲルマニウムが固化(結晶化)した直後は、系
の温度はゲルマニウムの融点直下であり、室温
に至る冷却過程で該サンドイツチ構造が熱歪み
により破壊されては何にもならない。従つて、
ゲルマニウムと保護膜との線膨張係数が近似し
た値であることが必要である。このため、本発
明で使用する物質は全て熱歪みが小さいものと
なるように選択した。 Even if the aggregation of molten germanium is suppressed, immediately after germanium solidifies (crystallizes), the temperature of the system is just below the melting point of germanium, and it is difficult to imagine that the sandwich structure will be destroyed by thermal strain during the cooling process to room temperature. It doesn't even become. Therefore,
It is necessary that the linear expansion coefficients of germanium and the protective film are similar values. For this reason, all materials used in the present invention were selected to have low thermal distortion.
上下の保護層はゲルマニウムの融点近傍の温
度においてもゲルマニウムと著しく反応しない
こと。 The upper and lower protective layers must not react significantly with germanium even at temperatures near the melting point of germanium.
溶融したゲルマニウムが保護膜と反応を起こ
すと、一般にはゲルマニウムと保護膜の界面は
凹凸を持つ荒れた面となるため、上側保護層除
去後のゲルマニウム表面に砒素ガリウム等の平
坦で高品質なエピタキシヤル成長ができない状
態となる。従来のように上下の保護層としてタ
ングステンを用いる構造では、保護層とダング
ステンの上下の境界面の両方で少量ながら反応
が起こるために、両境界面の荒れの相乗効果で
特にゲルマニウム上面の荒れが大きくなりエピ
タキシヤル成長時に問題であつた。また、第3
図の光素子と同様な構造の光素子を製作する際
には、光結合効率を大きくするためにゲルマニ
ウム層の厚さを可能なかぎり薄くする必要があ
り、このような場合には上下の界面荒れがの相
乗効果が著しく大きくなり、結果としてゲルマ
ニウム上面の荒れが増大する。 When the molten germanium reacts with the protective film, the interface between the germanium and the protective film generally becomes a rough surface with unevenness. It becomes a state where it is impossible to grow. In a conventional structure in which tungsten is used as the upper and lower protective layers, a small amount of reaction occurs at both the upper and lower interfaces between the protective layer and dungsten, so the synergistic effect of the roughness on both interfaces causes roughness, especially on the top surface of germanium. It became large and became a problem during epitaxial growth. Also, the third
When manufacturing an optical device with a structure similar to the one shown in the figure, it is necessary to make the germanium layer as thin as possible in order to increase the optical coupling efficiency. The synergistic effect of roughness increases significantly, and as a result, the roughness of the top surface of germanium increases.
そこで、上下の保護層を双方ともに窒化硼素
等の物質とする(特許請求の範囲第1項)こと
なく、そのいずれか一方を窒化硼素等の物質に
替えるだけでも(特許請求の範囲第2項及び第
3項)、これらの物質とゲルマニウムの界面反
応は全く無視することが出来るので、両界面荒
れの相乗効果が起こることはなく、タングステ
ン等の高融点物質とゲルマニウムとの反応によ
る荒れを極小に抑えることが出来る。 Therefore, instead of using a substance such as boron nitride for both the upper and lower protective layers (Claim 1), it is possible to simply replace one of them with a substance such as boron nitride (Claim 2). and Section 3), since the interfacial reactions between these substances and germanium can be completely ignored, there is no synergistic effect of roughening of both interfaces, and the roughness caused by the reaction between high melting point substances such as tungsten and germanium is minimized. It can be suppressed to
尚、このように金属を積層構造の一部に用い
れば電極として利用することが可能になる。 Note that if metal is used as a part of the laminated structure in this way, it can be used as an electrode.
<実施例> 以下、本発明の実施例について説明する。<Example> Examples of the present invention will be described below.
表面をSiO2膜4で被膜された基板5を600℃に
維持し、ジボラン(B2H6)およびアンモニア
(NH3)を原料ガスとして化学気相堆積法によ
り、70nm厚の窒化硼素膜11を被着した後、こ
の基板上に1×10-6Torrの真空中で、基板温度
700℃で電子ビーム加熱蒸着法により400nm厚の
ゲルマニウム膜2を被着した。このような処理工
程を経た基板を、再び基板温度600℃で、ジボラ
ンおよびアンモニアを原料ガスとする化学気相堆
積法によりゲルマニウム膜2上に70nmの窒化硼
素膜12を形成させ第5図Aに示すごとき断面構
造の試料を得た。 A substrate 5 whose surface is coated with a SiO 2 film 4 is maintained at 600° C. and a boron nitride film 11 with a thickness of 70 nm is deposited by chemical vapor deposition using diborane (B 2 H 6 ) and ammonia (NH 3 ) as source gases. After depositing on this substrate, the substrate temperature was lowered in a vacuum of 1×10 -6 Torr.
A 400 nm thick germanium film 2 was deposited at 700° C. by electron beam heating evaporation. After undergoing such processing steps, a 70 nm boron nitride film 12 was formed on the germanium film 2 by chemical vapor deposition using diborane and ammonia as raw material gases at a substrate temperature of 600° C. as shown in FIG. 5A. A sample with the cross-sectional structure shown was obtained.
次いで、得られた試料を、第5図Bに示すごと
く、石英板14に載せる一方、試料上面に線状ヒ
ータ13を配置すると共に、高周波加熱法により
線状ヒータ13および基板支持台14はそれぞれ
約1200℃、約770℃に保たれ結晶化が行なわれた。
ゲルマニウム層2は線状ヒータ13により局所的
に熱せられ、層2のうちのヒータ13直下の部分
15が溶融した状態となる。そこで、(矢印C)
方向に基板を支持台14上で毎秒約1ミリメート
ルの速度で矢印方向へ摺動させることによりゲル
マニウム溶融部分15を基板上で移動し、ゾーン
溶融させたところゲルマニウム層2は順次溶融、
固化して結晶となつた。第5図B図の状態の時点
では17が結晶化部分、18が未結晶化部分であ
る。このようにゲルマニウム層の一部15が溶融
する状況にあつても、窒化硼素の層11,12は
何らの変化もなく安定に保持され、15における
ゲルマニウムの凝縮を押さえることが可能であ
る。その理由の一つは窒化硼素はゲルマニウムの
融点1213゜K付近において、ゲルマニウムと反応
することがなくかつ分解蒸発等も起こさないから
である。理由のもう一つは窒化硼素の表面張力が
大きいために、溶融ゲルマニウムと境界を接した
場合ゲルマニウムをよく濡らし、安定に薄層状に
保つためであると考えられる。また、ゲルマニウ
ム層の上下に窒化硼素層を形成することにより、
ゲルマニウムと窒化硼素との間の付着性のよい境
界面の面積が大きくなるとともに、機械的に強固
な窒化硼素の物質も相乗的な効果となり、安定に
薄膜結晶が実現できた。一方、ゲルマニウムと窒
化硼素はゲルマニウム融点(1213゜K)から室温
に到る間の温度で、大略相等しい線熱膨張係数
(6.8〜5.7×10-6/℃)を持つため、結晶化終了直
後から室温に到る間でも各層にひび割れ、剥離等
は生じなかつた。以上述べたようにゲルマニウム
の凝縮防止のための保護膜として充分機能するた
めの要件は、(1)ゲルマニウムと反応しないこと、
(2)表面張力が大きいこと、(3)線熱膨張係数がゲル
マニウムと似通つた値であること、(4)機械的にあ
る程度の強度を持つことである。以上の要件に合
致する物質としては窒化硼素の他に窒化アルミニ
ウム、酸化ベリリウム、炭化シリコンをあげるこ
とができる。したがつて、上記実施例の他にもこ
れらの物質を適当に組み合わせることにより同様
の効果があることは論をまたない。なお、本実施
例ではゲルマニウムの結晶化後、ゲルマニウム上
の窒化硼素層12をCF4ガスまたはC2F6ガスを用
いたリアクテイブエツチング法により除去した
が、除去後のゲルマニウム層の表面は平坦で、こ
のゲルマニウム上へのヒ化ガリウムのエピタキシ
ヤル成長層も同様に平坦で結晶欠陥も少く、再現
性のよいヒ化ガリウム発光素子が得られた。 Next, the obtained sample is placed on a quartz plate 14 as shown in FIG. Crystallization was carried out at approximately 1200°C and maintained at approximately 770°C.
The germanium layer 2 is locally heated by the linear heater 13, and a portion 15 of the layer 2 directly under the heater 13 becomes molten. Therefore, (arrow C)
By sliding the substrate on the support stand 14 in the direction of the arrow at a speed of about 1 millimeter per second, the germanium melting portion 15 was moved on the substrate, causing zone melting, and the germanium layer 2 was sequentially melted.
It solidified into crystals. At the time of the state shown in FIG. 5B, 17 is a crystallized portion and 18 is an uncrystallized portion. Even in such a situation where part 15 of the germanium layer melts, the boron nitride layers 11 and 12 are stably maintained without any change, and it is possible to suppress the condensation of germanium in the boron nitride layer 15. One of the reasons for this is that boron nitride does not react with germanium near germanium's melting point of 1213°K and does not cause decomposition or evaporation. Another reason is that boron nitride has a high surface tension, so when it comes into contact with molten germanium, it wets the germanium well and keeps it stable in a thin layer. In addition, by forming boron nitride layers above and below the germanium layer,
In addition to increasing the area of the interface between germanium and boron nitride with good adhesion, the mechanically strong boron nitride material also had a synergistic effect, making it possible to create a stable thin film crystal. On the other hand, germanium and boron nitride have approximately the same coefficient of linear thermal expansion (6.8 to 5.7×10 -6 /℃) at temperatures between the melting point of germanium (1213°K) and room temperature, so they can be used immediately after crystallization. No cracking, peeling, etc. occurred in each layer even during the period from the temperature to room temperature. As stated above, the requirements for functioning sufficiently as a protective film to prevent germanium condensation are (1) not to react with germanium;
(2) It has a large surface tension, (3) It has a coefficient of linear thermal expansion similar to that of germanium, and (4) It has a certain degree of mechanical strength. In addition to boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide, and silicon carbide can be cited as substances that meet the above requirements. Therefore, it goes without saying that a similar effect can be obtained by appropriately combining these substances in addition to those in the above embodiments. In this example, after the crystallization of germanium, the boron nitride layer 12 on the germanium was removed by a reactive etching method using CF 4 gas or C 2 F 6 gas, but the surface of the germanium layer after removal was flat. The epitaxially grown layer of gallium arsenide on germanium was similarly flat and had few crystal defects, resulting in a gallium arsenide light-emitting device with good reproducibility.
さらに、ゲルマニウム層下の窒化硼素層11
は、ヒ化ガリウム素子の発光波長に対して透明で
あるため、光信号を有効にシリコン基板5へ到達
させることができた。 Furthermore, a boron nitride layer 11 under the germanium layer
Since it is transparent to the emission wavelength of the gallium arsenide element, the optical signal could effectively reach the silicon substrate 5.
また、第6図に示すように、電子ビーム加熱蒸
着により形成した厚さ400nmのゲルマニウム層2
上に、10-2Torrのアルゴンガスによるスパツタ
法で形成した厚さ約50nmの窒化アルミニウム層
19、下には電子ビーム加熱蒸着により形成した
厚さ約50nmのタングステン層1からなる積層構
造の試料を前記実施例と同じゾーン溶融法で結晶
化したところ、表面の平坦性の良好なゲルマニウ
ム薄膜結晶をうることができた。 In addition, as shown in Fig. 6, a germanium layer 2 with a thickness of 400 nm was formed by electron beam heating evaporation.
A sample with a laminated structure consisting of an aluminum nitride layer 19 with a thickness of about 50 nm formed on the top by a sputtering method using argon gas at 10 -2 Torr, and a tungsten layer 1 with a thickness of about 50 nm formed on the bottom by electron beam heating evaporation. When crystallized using the same zone melting method as in the above example, a germanium thin film crystal with good surface flatness could be obtained.
また、このゲルマニウム薄膜上にエピタキシヤ
ル成長させたヒ化ガリウム層も平坦性の良好なも
のが得られた。 Furthermore, a gallium arsenide layer epitaxially grown on this germanium thin film also had good flatness.
本実施例では、ゲルマニウム層2の下にタング
ステン層1が存在しており、この層1は、ゲルマ
ニウムさらにヒ化ガリウム内の素子の電極として
使用することができる。また、目的に応じてゲル
マニウム層の上にタングステン層、下に窒化アル
ミニウム層を形成する構成にすることもできる。
これらの実施例以外にも本発明の主旨を逸脱しな
い範囲で種々の変更あるいは改良を行ない得るこ
とは言うまでもない。基板となる物質も熱酸化シ
リコンに限定されるものではなく、広い範囲の物
質に適用可能である。 In this example, a tungsten layer 1 is present below the germanium layer 2, which layer 1 can be used as an electrode for a device in germanium or even gallium arsenide. Further, depending on the purpose, a structure may be adopted in which a tungsten layer is formed on the germanium layer and an aluminum nitride layer is formed below.
It goes without saying that various changes and improvements can be made in addition to these embodiments without departing from the spirit of the invention. The substrate material is not limited to thermally oxidized silicon, but can be applied to a wide range of materials.
上記実施例において、第5図Aに示す積層構造
の試料も、また第6図に示す積層構造のものも、
ゲルマニウム層を第5図Bに示すゾーン溶融法で
結晶化するものを一例として説明したが、このよ
うに基板のゲルマニウム層方向に沿つて部分的に
溶融する方法のみならず、上記試料全体をゲルマ
ニウムの融点986℃より高い1000℃に急速に昇温
溶融させた後、冷却することによつて結晶化させ
てもよい。 In the above examples, the sample with the laminated structure shown in FIG. 5A and the laminated structure shown in FIG.
An example of crystallizing the germanium layer using the zone melting method shown in FIG. It may be crystallized by rapidly raising the temperature to 1000°C, which is higher than the melting point of 986°C, and then cooling it.
<発明の効果>
以上の説明から明らかなように、所望の基板上
に窒化硼素等でなる第一の層、ゲルマニウムでな
る第二の層、窒化硼素等でなる第三の層からなる
構成にし、ゲルマニウムを結晶化した後ゲルマニ
ウム上の窒化硼素等の層を化学エツチングもしく
はドライエツチングで除去することにより平坦な
ゲルマニウム結晶を表面に有する半導体基板が取
得される。さらに、目的に応じて該第一または第
三の層の一方をタングステン等の高融点金属でな
る層とすれば、この層を素子の電極として使用す
ることが可能になる。また、ゲルマニウムと導電
性物質との接触を避けた構造を取りたい場合は、
該第一および第三の層を窒化硼素等の絶縁性物質
のみで構成すればよい。<Effects of the Invention> As is clear from the above description, a structure consisting of a first layer made of boron nitride or the like, a second layer made of germanium, and a third layer made of boron nitride or the like can be formed on a desired substrate. After crystallizing germanium, a layer of boron nitride or the like on the germanium is removed by chemical etching or dry etching to obtain a semiconductor substrate having a flat germanium crystal on the surface. Furthermore, if one of the first or third layers is made of a high melting point metal such as tungsten depending on the purpose, this layer can be used as an electrode of the device. Also, if you want to create a structure that avoids contact between germanium and conductive substances,
The first and third layers may be composed only of an insulating material such as boron nitride.
一方、基板中に形成した素子と、ゲルマニウム
上のヒ化ガリウムに形成した素子との光信号によ
る結合をはかる場合には、層の透明度を考慮して
構成を適宜選択することにより容易に目的を達成
できる。 On the other hand, when coupling an element formed in a substrate with an element formed on gallium arsenide on germanium using optical signals, it is easy to achieve the purpose by selecting an appropriate configuration considering the transparency of the layer. It can be achieved.
本発明の応用としてはゲルマニウム層上に成長
したヒ化ガリウムを用いることにより、安価なヒ
価ガリウム太陽電池製造が可能である。また、ヒ
化ガリウム発光素子と基板シリコン内の受光組子
の組み合わせによるモノリシツク・フオトカツプ
ラ素子が実現できる。さらにヒ化ガリウム内とシ
リコン内の光・電子集積回路を混成したモノリシ
ツク複合機能集積回路の作成等に利用できる利点
もある。 As an application of the present invention, by using gallium arsenide grown on a germanium layer, inexpensive gallium arsenide solar cells can be manufactured. Furthermore, a monolithic photocoupler device can be realized by combining a gallium arsenide light emitting device and a light receiving muntin in the silicon substrate. Furthermore, it has the advantage that it can be used to create monolithic multifunctional integrated circuits that combine opto-electronic integrated circuits in gallium arsenide and silicon.
第1図〜第4図はいずれも従来のゲルマニウム
薄膜結晶の製造方法において溶融加熱するゲルマ
ニウム薄膜の積層構成を示す説明図、第5図Aは
本発明のゲルマニウム薄膜結晶の製造方法におい
て溶融加熱するゲルマニウム薄膜の一実施例の積
層構成の説明図、第5図Bは第5図Aの積層構成
のゲルマニウム薄膜のゾーン溶融方法を示す説明
図、第6図は本発明のゲルマニウム薄膜結晶の製
造方法において溶融加熱するゲルマニウム薄膜の
他の実施例の積層構成の説明図、第7図aは溶解
したゲルマニウムの説明図、第7図bは加熱によ
るゲルマニウムの凝縮を示す説明図、第8図は各
種の物質の接触角の示すグラフ、第9図は各種の
物質のイオン度と凝集エネルギーとの関係を示す
グラフである。
図面中、1,3……タングステン(高融点金
属)層、2……ゲルマニウム層、4……酸化シリ
コン膜基板、5……シリコン膜基板、6……ヒ化
ガリウムエピタキシヤル層、11,12……窒化
硼素膜、13……線状ヒータ(カーボン)、15
……ゲルマニウム層の溶融部分、17……結晶化
部分、18……未結晶化部分、19……窒化アル
ミニウム層。
1 to 4 are explanatory diagrams showing the laminated structure of germanium thin films melted and heated in the conventional germanium thin film crystal production method, and FIG. 5A is melted and heated in the germanium thin film crystal production method of the present invention. An explanatory diagram of the laminated structure of one embodiment of a germanium thin film, FIG. 5B is an explanatory diagram showing a zone melting method for a germanium thin film having the laminated configuration of FIG. 5A, and FIG. 6 is a method for producing a germanium thin film crystal of the present invention. FIG. 7a is an explanatory diagram of molten germanium, FIG. 7b is an explanatory diagram showing condensation of germanium by heating, and FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the ionicity and cohesive energy of various substances. In the drawings, 1, 3...Tungsten (high melting point metal) layer, 2...Germanium layer, 4...Silicon oxide film substrate, 5...Silicon film substrate, 6...Gallium arsenide epitaxial layer, 11, 12 ...Boron nitride film, 13 ... Linear heater (carbon), 15
... Melted portion of germanium layer, 17... Crystallized portion, 18... Uncrystallized portion, 19... Aluminum nitride layer.
Claims (1)
ム、酸化ベリリウムおよび炭化シリコンからなる
群から選んだ少くとも一からなる第1の層を堆積
させる工程と、上記第1の層上にゲルマニウムか
らなる第2の層を堆積させる工程と、上記第2の
層上に窒化硼素、窒化アルミニウム、酸化ベリリ
ウムおよび炭化シリコンからなる群から選んだ少
くとも一からなる第3の層を堆積させる工程と、
上記第1、第2および第3の層を堆積した誘電体
基板の全体又は第2の層に沿つて誘電体基板を部
分加熱する工程とからなることを特徴とするゲル
マニウム薄膜結晶の製造方法。 2 誘電体基板上に、窒化硼素、窒化アルミニウ
ム、酸化ベリリウムおよび炭化シリコンからなる
群から選んだ少くとも一からなる第1の層を堆積
させる工程と、上記第1の層上にゲルマニウムか
らなる第2の層を堆積させる工程と、上記第2の
層上にゲルマニウムの融点近傍の温度でゲルマニ
ウムと合金を形成しない高融点金属からなる第3
の層を堆積させる工程と、上記第1、第2および
第3の層を堆積した誘電体基板の全体又は第2の
層に沿つて誘電体基板を部分加熱する工程とから
なることを特徴とするゲルマニウム薄膜結晶の製
造方法。 3 誘電体基板上に、ゲルマニウムの融点近傍の
温度でゲルマニウムと合金を形成しない高融点金
属からなる第1の層を堆積させる工程と、上記第
1の層上にゲルマニウムからなる第2の層を堆積
させる工程と、上記第2の層上に窒化硼素、窒化
アルミニウム、酸化ベリリウムおよび炭化シリコ
ンからなる群から選んだ少くとも一からなる第3
の層を堆積させる工程と、上記第1、第2および
第3の層を堆積した誘電体基板の全体又は第2の
層に沿つて誘電体基板を部分加熱する工程とから
なることを特徴とするゲルマニウム薄膜結晶の製
造方法。[Claims] 1. A step of depositing on a dielectric substrate a first layer consisting of at least one selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide, and silicon carbide; depositing a second layer of germanium on the second layer; and depositing a third layer of at least one selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide, and silicon carbide on the second layer. a step of causing
A method for producing a germanium thin film crystal, comprising the step of heating the entire dielectric substrate on which the first, second and third layers are deposited or partially heating the dielectric substrate along the second layer. 2 depositing a first layer made of at least one selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide, and silicon carbide on a dielectric substrate; depositing a first layer made of germanium on the first layer; a third layer made of a high melting point metal that does not form an alloy with germanium at a temperature near the melting point of germanium on the second layer;
and partially heating the dielectric substrate along the entire or second layer on which the first, second and third layers are deposited. A method for producing germanium thin film crystals. 3 Depositing a first layer made of a high melting point metal that does not form an alloy with germanium at a temperature near the melting point of germanium on a dielectric substrate, and depositing a second layer made of germanium on the first layer. a third layer comprising at least one selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, beryllium oxide and silicon carbide on the second layer;
and partially heating the dielectric substrate along the entire or second layer on which the first, second and third layers are deposited. A method for producing germanium thin film crystals.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59143242A JPS6126598A (en) | 1984-07-12 | 1984-07-12 | Preparation of germanium thin film crystal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59143242A JPS6126598A (en) | 1984-07-12 | 1984-07-12 | Preparation of germanium thin film crystal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6126598A JPS6126598A (en) | 1986-02-05 |
| JPH0235716B2 true JPH0235716B2 (en) | 1990-08-13 |
Family
ID=15334199
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59143242A Granted JPS6126598A (en) | 1984-07-12 | 1984-07-12 | Preparation of germanium thin film crystal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6126598A (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH065903B2 (en) * | 1987-06-24 | 1994-01-19 | 株式会社メディア | Matrix switcher with input / output combination pattern preset, storage and switching functions |
| CN102916039B (en) * | 2012-10-19 | 2016-01-20 | 清华大学 | There is the semiconductor structure of beryllium oxide |
-
1984
- 1984-07-12 JP JP59143242A patent/JPS6126598A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6126598A (en) | 1986-02-05 |
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