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JPH0637358B2 - Indium phosphide single crystal and method for producing the same - Google Patents
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JPH0637358B2 - Indium phosphide single crystal and method for producing the same - Google Patents

Indium phosphide single crystal and method for producing the same

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JPH0637358B2
JPH0637358B2 JP60207776A JP20777685A JPH0637358B2 JP H0637358 B2 JPH0637358 B2 JP H0637358B2 JP 60207776 A JP60207776 A JP 60207776A JP 20777685 A JP20777685 A JP 20777685A JP H0637358 B2 JPH0637358 B2 JP H0637358B2
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crystal
carrier concentration
single crystal
indium phosphide
concentration
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貴幸 佐藤
泰之 坂口
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Showa Denko KK
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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、リン化インジウム化合物半導体の単結晶およ
びその製造方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a single crystal of an indium phosphide compound semiconductor and a method for producing the same.

(従来の技術) 周知のようにIII−V族化合物半導体であるリン化イン
ジウム( InP)は、種々の半導体デバイス用の基板とな
り、中でも亜鉛(Zn)を添加した P型 InP基板は、高出
力レーザー用基板として使用される。この種の半導体基
板には、所望の品質を持った素子を得るために、低転位
密度であって、キャリア濃度が高濃度かつ高精度に制御
された単結晶が要求されている。
(Prior Art) It is well known that indium phosphide (InP), which is a III-V group compound semiconductor, serves as a substrate for various semiconductor devices, and in particular, a P-type InP substrate doped with zinc (Zn) has a high output. Used as a substrate for laser. For this type of semiconductor substrate, a single crystal having a low dislocation density, a high carrier concentration, and a high precision control is required in order to obtain an element having a desired quality.

Zn添加 InP単結晶を製造するにあたっては液体封止チョ
クラルスキー( LEC)法が一般的に採用されている。一
方、レーザー素子としての高出力化のためには、高いキ
ャリア濃度を有する単結晶基板が要求されている。
The liquid-encapsulated Czochralski (LEC) method is generally used to produce Zn-doped InP single crystals. On the other hand, a single crystal substrate having a high carrier concentration is required for higher output as a laser device.

LEC法で高キャリア濃度の単結晶を得るには原料メルト
中にキャリア元素を高濃度に添加したものを使用し、引
上げ装置内の圧力を極力高め、封止剤の量を調整する等
の方法が採用されている。
To obtain a high carrier concentration single crystal by the LEC method, use a material in which a carrier element is added at a high concentration in the raw material melt, increase the pressure in the pulling device as much as possible, and adjust the amount of sealant. Has been adopted.

しかし、従来の方法によっては、原料融液中のキャリア
濃度を1019cm-3以上に高めても、Znの InP中への実効偏
析係数のZn濃度依存性、原料融解前のZnの気相中への飛
散、及び固化結晶からの気相中への飛散により、 7×10
18cm-3以上の高いキャリア濃度を有する結晶を得ること
は非常に困難である。例えば、Journal of Crystal Gro
wth P.317 に示されるように従来の方法では、Zn添加
量に対するキャリア濃度の相関について述べられてお
り、キャリア濃度の最大値は約 7×1018cm-3で飽和し、
それ以上のZn添加では、キャリア濃度低下及び電気的に
不活性なZn濃度が増加するといった欠点があった。本発
明の目的は、 LEC法でZnドープのリン化インジウム単結
晶を造るにあたり、メルト中の初期のZn濃度を設定し、
育成後結晶の冷却速度を制御することにより、より高い
キャリア濃度を有する。Zn添加 InP単結晶の製造方法を
提供することにある。
However, depending on the conventional method, even if the carrier concentration in the raw material melt is increased to 10 19 cm -3 or higher, the Zn concentration dependence of the effective segregation coefficient of Zn in InP, the vapor phase of Zn before the raw material is melted, 7 × 10 due to scattering into the inside and scattering from the solidified crystals into the gas phase
It is very difficult to obtain crystals having a high carrier concentration of 18 cm -3 or more. For example, Journal of Crystal Gro
wth P. As shown in 317, in the conventional method, the correlation of the carrier concentration with the Zn addition amount is described, and the maximum value of the carrier concentration is saturated at about 7 × 10 18 cm -3 ,
Further addition of Zn has a drawback that the carrier concentration is lowered and the electrically inactive Zn concentration is increased. The purpose of the present invention is to set the initial Zn concentration in the melt in producing a Zn-doped indium phosphide single crystal by the LEC method,
A higher carrier concentration is obtained by controlling the cooling rate of the crystal after growth. It is to provide a method for producing a Zn-doped InP single crystal.

(問題点を解決するための手段) 本発明の InP単結晶ではドーパントとしてZnを使用し、
キャリア濃度は 7×1018〜 2×1019cm-3に限定した。
(Means for Solving Problems) InP single crystal of the present invention uses Zn as a dopant,
The carrier concentration was limited to 7 × 10 18 to 2 × 10 19 cm -3 .

Znを使用するのは P型 InPとし、かつ低転位密度の結晶
を得るためである。 P型 InP結晶を基板として使用する
場合は比抵抗が大きくオーミックコンタクトが形成しに
くい傾向を有するが、本発明ではZnを高濃度にドープン
オーミックコンタクトの形成を容易にするものである。
Zn is used to obtain a P-type InP crystal with a low dislocation density. When a P-type InP crystal is used as a substrate, it has a large specific resistance and tends to make it difficult to form an ohmic contact, but the present invention facilitates the formation of a doped ohmic contact with a high Zn concentration.

Znのドープ量を高くする結果、本発明ではキャリア濃度
7×1018cm-1以上となる。これは従来の結晶では見られ
なかったレベルのものである。また、 5×1019cmは本発
明の製造方法によって得られる最高レベルのものであ
る。この範囲のキャリア濃度の InPは無転位とすること
が可能である。
As a result of increasing the doping amount of Zn, in the present invention, the carrier concentration
More than 7 × 10 18 cm -1 . This is at a level not found in conventional crystals. Further, 5 × 10 19 cm is the highest level obtained by the manufacturing method of the present invention. InP with carrier concentration in this range can be dislocation-free.

次に、本発明による InP単結晶の製造方法においては、
固化後の結晶からのZnの飛散がその熱履歴に依存するこ
とを利用し、 InP結晶中へのZn取り込み量、ひいてはキ
ャリア濃度をその結晶の冷却速度によって制御する手段
を用いている。この手法が利用できる裏付けは、発明者
が LEC法によって得られた InP結晶について、引上げ終
了後の結晶を熱処理することによって、その前後でZn濃
度及びキャリア濃度が減少することを見出したことに基
づくものである。すなわち、 LEC法で得られた InP単結
晶を窒素雰囲気中で 600℃×5 Hr加熱し冷却したインゴ
ットについて、原子吸光法によるZn濃度の測定と、Hall
測定によるキャリア濃度の測定を実施した。その結果、
熱処理前後でZn濃度は 8×1018cm-3から 4×1018cm-3
低下し、キャリア濃度は 6×1018cm-3から 2×1018cm-3
へ低下していることが判明した。そしてこのキャリア濃
度の低下は、加熱後のインゴットの冷却速度が遅いほど
大きくなることも明らかとなった。
Next, in the method for producing an InP single crystal according to the present invention,
Taking advantage of the fact that the scattering of Zn from the crystal after solidification depends on its thermal history, a means for controlling the amount of Zn taken into the InP crystal, and thus the carrier concentration, is controlled by the cooling rate of the crystal. The proof that this method can be used is based on the inventor's finding that for the InP crystal obtained by the LEC method, the Zn concentration and the carrier concentration decrease before and after the heat treatment of the crystal after the pulling is completed. It is a thing. That is, the InP single crystal obtained by the LEC method was heated in a nitrogen atmosphere at 600 ° C × 5 Hr and cooled, and the ingot was measured for Zn concentration by the atomic absorption method and the
The carrier concentration was measured by measurement. as a result,
Before and after heat treatment, the Zn concentration decreased from 8 × 10 18 cm -3 to 4 × 10 18 cm -3 , and the carrier concentration decreased from 6 × 10 18 cm -3 to 2 × 10 18 cm -3.
It turned out to have fallen to. It was also clarified that the decrease in the carrier concentration becomes larger as the cooling rate of the ingot after heating becomes slower.

このことより、Zn添加量変化によって、キャリア濃度が
極大値を示す近傍に初期メルト中のZn濃度を設定し、結
晶引上終了後の結晶の冷却速度を高めることにより、キ
ャリア濃度を 7×1018cm-3以上にまで高め、かつ電気的
に不活性なZn量を低下させることが可能となる。
From this, by changing the amount of Zn added, the carrier concentration was set to 7 × 10 by setting the Zn concentration in the initial melt near the maximum value of the carrier concentration and increasing the cooling rate of the crystal after completion of crystal pulling. It is possible to increase the amount to 18 cm −3 or more and reduce the amount of electrically inactive Zn.

すなわち、 InPメルト中にZnを添加して引上げ結晶中の
キャリア濃度が極大値を示すのは、メルト中のZn濃度が
1×1019cm-3近傍のときであり、この時のキャリア濃度
極大値は 7×1018cm-3である。したがって少くともこの
極大値のキャリア濃度以上にZnを添加した原料メルトを
準備する必要があり、本発明では 8×1018cm-3以上とし
た。
That is, the Zn concentration in the melt shows that the carrier concentration in the pulled crystal shows the maximum value by adding Zn to the InP melt.
It is around 1 × 10 19 cm -3 , and the maximum value of carrier concentration at this time is 7 × 10 18 cm -3 . Therefore, it is necessary to prepare a raw material melt in which Zn is added to at least this maximum carrier concentration, and in the present invention, it is set to 8 × 10 18 cm −3 or more.

一方、原料メルト中に必要以上にZnを添加しても揮散ロ
スが多くなるばかりでなく、かえって単結晶が得にくく
なる結果となる。従って本発明では原料メルト中のZn濃
度を 2×1020cm-3を上限とした。
On the other hand, if Zn is added to the raw material melt more than necessary, not only the volatilization loss increases but also it becomes difficult to obtain a single crystal. Therefore, in the present invention, the upper limit of the Zn concentration in the raw material melt is 2 × 10 20 cm -3 .

このようにして準備した InP原料メルトを、通常おこな
われている LEC法に従って引上げる。
The InP raw material melt thus prepared is pulled up according to the LEC method which is usually performed.

本発明の特徴とするところは、引上げ終了後のインゴッ
トの冷却速度を早める点にある。 LEC装置では通常ルツ
ボ底に熱電対を挿入して結晶引上げ温度を制御してい
る。そして結晶引上げ後も同じ熱電対を使用して、ヒー
ター電力を調節しながら冷却速度を制御している。従来
は結晶に生ずる熱応力を減ずる目的から50〜150 ℃/Hr
の速度で室温近傍まで炉中冷却していた。
The feature of the present invention is that the cooling rate of the ingot after the pulling is completed is increased. In the LEC device, a thermocouple is usually inserted in the bottom of the crucible to control the crystal pulling temperature. The same thermocouple is used after pulling the crystal to control the cooling rate while adjusting the heater power. 50 to 150 ℃ / Hr for the purpose of reducing the thermal stress generated in crystals
The furnace was cooled to near room temperature at the rate of.

本発明では結晶引上げ終了後、結晶を残留メルトより引
離した後の炉内温度をルツボ底の熱電対で管理し、その
冷却速度を 150℃/Hr以上に制御するものである。この
冷却速度を達成するにはヒーター電力を従来よりさらに
絞ることにより達成される。通常の LEC設備では結晶引
上げ後ヒーター電流を全く供給しないで炉冷した場合は
1000℃/Hr程度の冷却速度となる。結晶の大きさにもよ
る直径 2インチ程度の結晶では、この程度急速冷却して
も結晶に損傷を生ずることはない。通常は 150〜900 ℃
/Hr程度が適当であり、この範囲内で冷却し、室温近傍
まで制御するのが好結果が得られる。
In the present invention, after the crystal pulling is completed, the temperature inside the furnace after the crystal is separated from the residual melt is controlled by a thermocouple at the bottom of the crucible, and the cooling rate is controlled to 150 ° C / Hr or higher. Achieving this cooling rate is achieved by further reducing the heater power than before. In the normal LEC equipment, when the furnace is cooled without supplying the heater current after pulling the crystal,
The cooling rate is about 1000 ℃ / hr. A crystal with a diameter of about 2 inches, which depends on the size of the crystal, will not be damaged even by such rapid cooling. Normally 150-900 ° C
/ Hr is suitable, and good results are obtained by cooling within this range and controlling to near room temperature.

次に実施例をあげて本発明を説明する。Next, the present invention will be described with reference to examples.

(発明の実施例) 内径95mmφの石英製ルツボに 1×1016cm-3のキャリア濃
度を有する。 InP多結晶を 800g及びドーパント用Znを
156mg充填し、単結晶引き上げ炉内で 2回の引き上げ実
験を行なった。上記の原料重量の他、B2O3量、昇温速
度、引き上げ条件は一定とし、結晶を切りはなし後の冷
却速度を変化させた。
Example of the Invention A quartz crucible having an inner diameter of 95 mmφ has a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 . 800g of InP polycrystal and Zn for dopant
It was filled with 156 mg and the pulling experiment was conducted twice in the single crystal pulling furnace. In addition to the above raw material weight, the amount of B 2 O 3 , the rate of temperature rise, and the pulling conditions were kept constant, and the cooling rate after cutting the crystal was changed.

融液及びB2O3からの結晶切り離し後のルツボ底熱電対指
示温度を、80℃/Hr及び 150℃/Hrで降温させた後、結
晶を取り出し、同一位置から切り出したウェハーを、通
常Hall測定により評価を行なった。その結果、 150℃/
Hrで冷却した結晶のキャリア濃度は 1×1019cm-3である
のに対し、80℃/Hrで冷却した結晶では 6×1018cm-3
あった。
After separating the crystals from the melt and B 2 O 3 , the temperature of the crucible bottom thermocouple was lowered to 80 ° C / Hr and 150 ° C / Hr, then the crystals were taken out, and the wafer cut from the same position was usually used as the Hall. Evaluation was performed by measurement. As a result, 150 ℃ /
The carrier concentration of crystals cooled with Hr was 1 × 10 19 cm −3 , whereas that of crystals cooled with 80 ° C./Hr was 6 × 10 18 cm −3 .

これより、上記冷却速度を変化させることにより、キャ
リア濃度の高い結晶を得ることができた。
From this, it was possible to obtain crystals with a high carrier concentration by changing the cooling rate.

(発明の効果) 本発明により、困難とされていた 5×1019〜 7×1018cm
-3以上のキャリア濃度を持つZn−doped InP単結晶が、Z
n添加量を適正化し、冷却速度を一定値以上にすること
によって安定して得られるようになった。
(Effects of the Invention) According to the present invention, it was difficult to obtain 5 × 10 19 to 7 × 10 18 cm.
-Zn-doped InP single crystal with carrier concentration of -3 or more
By adjusting the amount of addition of n and adjusting the cooling rate to a certain value or higher, stable results were obtained.

この方法は、同一のZn量を含む InP融液からも育成結晶
の熱履歴を変化させることによって、結晶中のキャリア
濃度を制御でき、またインゴットアニールによって結晶
中のキャリア濃度を変化させることができるといったこ
とを示唆している。
This method can control the carrier concentration in the crystal by changing the thermal history of the grown crystal even from the InP melt containing the same amount of Zn, and can change the carrier concentration in the crystal by ingot annealing. It suggests that.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】キャリア濃度が 7×1018〜 5×1019cm-3
あることを特徴とする亜鉛ドープされたリン化インジウ
ム単結晶。
1. A zinc-doped indium phosphide single crystal having a carrier concentration of 7 × 10 18 to 5 × 10 19 cm -3 .
【請求項2】チョクラルスキー法によって亜鉛ドープさ
れたリン化インジウム単結晶を製造するに際し、初期リ
ン化インジウムメルト中の亜鉛濃度を 7×1018× 1×10
20cm-3とし、かつ単結晶引上げ後結晶を切離した後の冷
却速度を 150〜900 ℃/Hrとすることを特徴とする高キ
ャリア濃度リン化インジウム単結晶の製造方法。
2. When producing a zinc-doped indium phosphide single crystal by the Czochralski method, the zinc concentration in the initial indium phosphide melt is set to 7 × 10 18 × 1 × 10.
A method for producing a high carrier concentration indium phosphide single crystal, wherein the cooling rate is set to 20 cm -3 and the crystal is cut off after pulling the single crystal to 150 to 900 ° C / Hr.
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