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JPH07510B2 - 化合物半導体結晶製造装置 - Google Patents
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JPH07510B2 - 化合物半導体結晶製造装置 - Google Patents

化合物半導体結晶製造装置

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JPH07510B2
JPH07510B2 JP23630886A JP23630886A JPH07510B2 JP H07510 B2 JPH07510 B2 JP H07510B2 JP 23630886 A JP23630886 A JP 23630886A JP 23630886 A JP23630886 A JP 23630886A JP H07510 B2 JPH07510 B2 JP H07510B2
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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、化合物半導体の溶液成長による単結晶製造装
置に関するものである。
(従来技術および発明が解決しようとする問題点) 第4図は、従来の化合物半導体の溶液成長法の一種であ
る合成溶質拡散法に用いられる単結晶育成装置の断面概
略図の一例である。図において、1は高温炉、2は低温
炉、3は石英アンプル、4はルツボ筒、5はヒートシン
クを兼ねたルツボ底板、6は種結晶、7は化合物の第2
構成元素、8は化合物の第1構成元素を溶媒とした第1
元素と第2元素との溶液、9は溶液8から晶出した化合
物半導体の単結晶、10はドライビングユニツトを示す。
この種の装置は基本的に、高温炉1および低温炉2より
成り、これらの相対的位置を調節することにより第4図
(ロ)に示すような所望の温度分布を得ている。ルツボ
は、ルツボ筒4とルツボ底板5から成り、ルツボ底板上
部に種結晶6が固定できる構造になつている。この中に
第1構成元素を入れ、アンプル3の高温部側に収納す
る。また、第2構成元素7はアンプル3の低温側の底部
に収納する。通常、第1元素は蒸発しにくい成分であ
り、第2元素は蒸発し易い成分である。アンプル3は原
料収納後、真空封止してある。この種の装置を用いて単
結晶成長を行う方法は以下の通りである。まず、アンプ
ル3内の温度を上げて、第2元素7を蒸発させルツボ内
まで輸送する。これにより第1元素と第2元素は反応し
て化合物の溶液8を調製する。さらに、ドライビングユ
ニツト10によりアンプル3を徐々に下げると、溶液8の
底部は温度Tに達し過飽和状態となる。この結果、種
結晶6上に化合物の単結晶9が晶出する。後はこの過程
が連続的に進み、溶液8全体が単結晶9になる。以上で
は溶液成長について述べたが、融液成長の場合にはT
は融点、溶液8を融液とすれば単結晶育成は全く同一の
原理によつて行われる。ただし、融液の作成は上述のよ
うに構成元素の直接反応によるか、予め合成した化合物
の多結晶を用いる。従来、このような装置構成による単
結晶育成では次のような問題点があつた。
(イ) 構成元素が反応して溶液8を調製する場合に
は、溶液8が飽和液となるまでには、かなりの時間を要
する。この間、種結晶は未飽和液と接触しているので、
その未飽和液に溶出して種付けができなくなるという問
題があつた。
(ロ) 上記の問題点を改善するため、第1構成元素の
他に化合物の多結晶を同時に加え、飽和液の調製時間を
短縮させようとする方法がある。しかし、この方法は構
成元素の直接反応から単結晶を取得するというメリツト
を失うばかりでなく、多結晶の溶解が不完全であると、
この未溶解の多結晶が新たな種結晶として働き単結晶成
長をさまたげるという問題があつた。
(ハ) 種結晶6はルツボ筒4と接触しているが、この
部分は結晶核が発生し易い。そのめ、結晶の双晶化ある
いは多結晶化が起こり易く単結晶成長の歩留りを低下さ
せるという問題点があつた。
このため、前記のような装置構成では、良質な単結晶が
得られず、工業的にはほとんど使用し得ないのが現状で
あつた。
(発明の目的) 本発明はこれらの欠点を除去し、良質な化合物半導体を
工業的に得ることができる化合物半導体結晶製造装置を
提供することを目的とする。
(問題点を解決するための手段) 上記の目的を達成するため、本発明はアンプルと、該ア
ンプル内に該アンプルとの間に間隙を有して配置される
ルツボと、該ルツボの開口側から挿入され、該ルツボと
の間に間隙を有して配置されるパイプ隔壁と、該パイプ
隔壁の中に配置される種結晶の上部を固定する固定治具
と、該種結晶の上部に配置され、熱を上部に逃がすため
のヒートシンクと、該ルツボ以外の原料収納部と、該ア
ンプルの外側周囲に配置され、該アンプルの管方向に温
度分布を生じせしめ、該原料収納部はこれに収納される
原料が蒸発するに足りる温度に、該ルツボ部はこれに収
納される原料が溶融するに足りる温度で、かつ、該ルツ
ボの下方から該ヒートシンク及び該ヒートシンクの上方
に向かつて次第に低温となるような温度に保持する炉
と、該アンプルの上下移動機構とを有することを特徴と
する化合物半導体結晶製造装置を発明の要旨とするもの
である。
さらに本発明はアンプルと、該アンプル内に該アンプル
との間に間隙を有して配置される熱伝導率の良い材料で
つくられたルツボと、該ルツボの開口側から挿入され、
該ルツボとの間に間隙を有して配置される最下部に折り
返しを有するパイプ隔壁と、該パイプ隔壁の中に配置さ
れる種結晶の上部を固定する固定治具と、該種結晶の上
部に配置され、熱を上部に逃がすためのヒートシンク
と、該ルツボ以外の原料収納部と、該アンプルの周囲に
配置され、該アンプルの管方向に温度分布を生じせし
め、該原料収納部はこれに収納される原料が蒸発するに
足りる温度に、該ルツボ部はこれに収納される原料が溶
融するに足りる温度で、かつ、該ルツボの下方から該ヒ
ートシンク及び該ヒートシンクの上方に向かつて次第に
低温となるような温度に保持する炉と、該アンプルの上
下移動機構とを有することを特徴とする化合物半導体結
晶製造装置を発明の要旨とするものである。
しかして、本発明は種結晶と未飽和溶液との接触をさ
せ、さらに結晶成長開始時に、種結晶と飽和液だけが接
触している状況を作り出すために、種結晶をルツボ底で
はなく溶液上部に置く点に特徴がある。
次に本発明の実施例について説明する。
なお実施例は一つの例示であつて、本発明の精神を逸脱
しない範囲で種々の変更あるいは改良を行ないうること
は言うまでもない。
第1図は本発明の第1の実施例で、InP単結晶育成に応
用したものである。(イ)図において、1は高温炉、2
は低温炉、3は石英アンプル、6は種結晶、9は化合物
半導体の単結晶、11はリン(P)、12はインジウムとリ
ン(P)の溶液、13は石英パイプ隔壁、14は石英ルツ
ボ、15はAlNまたはBN製のブロツクで種結晶6の固定治
具および潜熱のヒートシンクとなる。石英パイプ隔壁13
は上部でアンプル3に溶接されており、突起16によつて
固定された石英ルツボ14中のIn−P溶液12を単結晶成長
領域と溶質供給領域とに分離している。
この装置による単結晶成長は以下のように行われる。ま
ず、原料Inは石英ルツボ14の中に収納しておく。温度を
上げるとリン(P)11は蒸発して石英パイプ隔壁13と石
英ルツボ14のすきまからIn融液の中へ供給される。最初
リン(P)ガスはIn融液中を通過しアンプル上部まで拡
散するが、やがてInと反応しIn−P溶液を形成する。こ
の溶液は飽和状態に近づくにつれて体積が増加し液面が
上げる。しかし、余分な溶液はルツボ上部から溢れるの
で液面の位置はルツボ上面以上にはならない。すなわ
ち、種付けの位置が自動的に決まる。結晶化の際の潜熱
は種結晶6,ヒートシンク15を通つて放出される。したが
つて、種付けの時点では種結晶6の周辺が最も温度が低
くなる。また、種結晶6は外壁と接触していないので種
結晶上以外での結晶核生成は起こらない。このようにし
て再現性良い種付けが可能になる。成長界面は図のよう
に高温部上側の温度勾配領域に置かれているので、ドラ
イビングユニツト10によりアンプル3を上部に引上げる
ことによつて、単結晶9が連続的に成長する。
次に実施例を詳細に述べる。用いた種結晶は4mm角で方
位は<111>である。これをAlNブロツク15にAlNピンに
よつて固定した。アンプル3にはリン(P)11約50g,In
100−200gを入れた石英ルツボ14,石英パイプ隔壁13,種
結晶6を固定したAlNブロツク15の順に入れた。続いて
真空装置に接続し2×10-6Torrの真空に引き、石英パイ
プ隔壁13上部をアンプル3に融着し、さらにアンプルを
真空封止した。温度の設定条件は種結晶と溶液との接触
面を1000℃とし、その前後の温度勾配を10〜30℃/cmと
した。また、アンプル底の温度はリン蒸気圧が約2気圧
となる430℃とした。アンプルは炉に装填後、4rpmで回
転しながら温度を上げた。さらに所定の温度に達した後
はIn−Pの飽和溶液を作るために約20時間、その状態に
保持した。その後、2〜8mm/日の速さでアンプルを引上
げた。この結果、約5cmの長さの単結晶が得られた。
第2図は本発明の第2の実施例でInP単結晶育成に応用
したものである。(イ)図において、1は高温炉、2は
低温炉、6は種結晶、9は単結晶、11はリン、12はイン
ジウムとリンの溶液、14は石英ルツボ、15はヒートシン
ク、16は石英製の隔壁パイプとヒートシンク15の固定台
を兼ねた治具である。ヒートシンク15は17の突起によつ
て固定されている。18はリン(P)11を収納する石英容
器である。(ロ)図は温度分布を示す。
この実施例では低温炉2を高温炉1の上に置いた。これ
によりヒートシンク15に長尺のものが使用できるため、
結晶化の際の潜熱を効率良く放出させることができた。
これにより、さらに再現性の良い種付けが可能になつ
た。
第3図は本発明の第3の実施例で、InP単結晶育成に応
用したものである。ここでは、さらに長尺の単結晶を得
ることをねらいといている。(イ)図において、1は高
温炉、2は低温炉、6は種結晶、9は単結晶、10はドラ
イビングユニツト、11はリン、12はリンとインジウムの
溶液、15はヒートシンク、17は突起、18は石英容器、19
は石英製の隔壁パイプとヒートシンク15の固定台を兼ね
た治具で折返し19aがある。ヒートシンク15は17の突起
によつて固定されている。20は熱伝導率の良いBNまたは
AlN製のルツボである。18はリン(P)11を収納する石
英容器である。長尺の結晶を得るためには、ルツボ20と
石英治具19によつて囲まれたリン(P)供給のためのIn
−P溶液層21の温度の低下を防ぐことが必要である。こ
の溶液層の温度が急激に低下するとリン(P)のIn溶液
への溶解度が著しく減少し、結晶の成長速度を低下さ
せ、場合によつてはIn−P溶液層21が固化し単結晶成長
の持続が困難になる。
この実施例では次の3つの方法を併用することによつ
て、この問題を解決することができた。
(イ) 長尺のヒートシンクを使用すること、 (ロ) 石英治具19とルツボ20との間に空隙部分22を設
けて、溶液層のルツボの外側と内側を熱的に完全に分離
した、 (ハ) 熱伝導率の良いBN(またはAlN)ルツボを用い
た。これにより、ルツボ上部での溶液層21の温度の低下
を防いだ。
(イ),(ロ),(ハ)の方法の併用により、(ロ)図
の温度分布に示すように、ルツボ中心部(実線)と溶液
層21(破線)とで十分な温度差をつけることができた。
この結果、長時間にわたる結晶育成においても溶液層21
を高温に維持しつつ、潜熱を速みやかに放出することが
でき、10cm以上の長尺のInP単結晶を再現良く得ること
ができた。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば化合物半導体の構
成元素から直接に単結晶を成長させることができるの
で、再現性の良い高純度単結晶育成が可能である。
また、結晶固化の際に、ルツボ壁等の応力を受けないの
で低転位密度の結晶を得ることができる利点がある。な
お本発明はInP,GaP,GaAsなどの化合物半導体単結晶育成
に最も適している。
【図面の簡単な説明】
第1図(イ),(ロ)は夫々本発明の化合物半導体単結
晶の溶液成長法に用いられている装置の一実施例の断面
概略図および温度分布、第2図(イ),(ロ)及び第3
図(イ),(ロ)は夫々本発明の他の実施例の装置の断
面概略図および温度分布、第4図は従来の装置の断面概
略図および温度分布を示す。 1……高温炉 2……低温炉 3……石英アンプル 4……ルツボ筒 5……ヒートシンク 6……種結晶 7……化合物の第2構成元素 8……化合物の第1元素を溶媒とした第1元素と第2元
素との溶液 9……化合物半導体の単結晶 10……ドライビングユニツト 11……リン 12……インジウムとリンの溶液 13……石英パイプ隔壁 14……石英ルツボ 15……AlNまたはBN製ブロツク(ヒートシンク) 16……石英治具 17……突起 18……リン収納石英容器 19……折返し付石英治具 20……BNまたはAlN製ルツボ 21……ルツボ18と石英治具16とに囲まれた外側のIn−P
溶液層 22……空隙

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アンプルと、該アンプル内に該アンプルと
    の間に間隙を有して配置されるルツボと、該ルツボの開
    口側から挿入され、該ルツボとの間に間隙を有して配置
    されるパイプ隔壁と、該パイプ隔壁の中に配置される種
    結晶の上部を固定する固定治具と、該種結晶の上部に配
    置され、熱を上部に逃がすためのヒートシンクと、該ル
    ツボ以外の原料収納部と、該アンプルの外側周囲に配置
    され、該アンプルの管方向に温度分布を生じせしめ、該
    原料収納部はこれに収納される原料が蒸発するに足りる
    温度に、該ルツボ部はこれに収納される原料が溶融する
    に足りる温度で、かつ、該ルツボの下方から該ヒートシ
    ンク及び該ヒートシンクの上方に向かつて次第に低温と
    なるような温度に保持する炉と、該アンプルの上下移動
    機構とを有することを特徴とする化合物半導体結晶製造
    装置。
  2. 【請求項2】アンプルと、該アンプル内に該アンプルと
    の間に間隙を有して配置される熱伝導率の良い材料でつ
    くられたルツボと、該ルツボの開口側から挿入され、該
    ルツボとの間に間隙を有して配置される最下部に折り返
    しを有するパイプ隔壁と、該パイプ隔壁の中に配置され
    る種結晶の上部を固定する固定治具と、該種結晶の上部
    に配置され、熱を上部に逃がすためのヒートシンクと、
    該ルツボ以外の原料収納部と、該アンプルの周囲に配置
    され、該アンプルの管方向に温度分布を生じせしめ、該
    原料収納部はこれに収納される原料が蒸発するに足りる
    温度に、該ルツボ部はこれに収納される原料が溶融する
    に足りる温度で、かつ、該ルツボの下方から該ヒートシ
    ンク及び該ヒートシンクの上方に向かつて次第に低温と
    なるような温度に保持する炉と、該アンプルの上下移動
    機構とを有することを特徴とする化合物半導体結晶製造
    装置。
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