(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の元素からなる単結晶を、封管内で結晶成長させる単結晶の気相成長方法において、
長尺の前記封管内の長手方向に沿って、一方の側の第１の位置を前記単結晶の成長温度よりも高温にすると共に、他方の側の第２の位置を前記単結晶の成長温度よりも低温とし、
前記第１の位置には、前記単結晶の構成材料であって成長される結晶よりも蒸気圧の高い材料を過剰に含む原料を配置し、
前記第１の位置と前記第２の位置の間の位置であって前記単結晶の成長温度と略同一の温度となる第３の位置には、前記単結晶を成長させる基板もしくは種結晶を配置するとともに、
前記第２の位置の温度を制御することにより前記第３の位置における前記単結晶の成長速度を制御することを特徴とする単結晶の気相成長方法。
【請求項２】
前記原料は、前記単結晶と同一組成比の多結晶と前記蒸気圧の高い材料の固形物からなることを特徴とする請求項１記載の単結晶の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は単結晶の気相成長方法に関し、特に詳細には封管内に原料と種結晶や成長用基板を封じ入れ、単結晶を気相成長させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰｂＳ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｎＴｅ、ＣｄＳなどの単結晶の作製には、いわゆる封管気相成長法が用いられ、温度分布を制御するアプローチを行なったものとして、A.SZCZERBAKOW による文献“Journal of Crystal Growth 82(1987),P.709-716”が知られている。
【０００３】
これとは別に、同様に封管法でＰｂＴｅとＰｂＳｎＴｅを結晶成長させた技術として、Z.GOLACKらによる文献“Journal of Crystal Growth 60(1982),P.150-152”が知られている。この文献では、石英ガラス製の封管内に原料と基板（ＢａＦ2 ）を封じ入れ、原料を９００℃前後に加熱した例が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら従来技術によると、封管内における温度匂配を非常にゆるやかにし、かつ厳密に制御させる必要があり、しかも、ゆっくりと成長させる必要がある。この条件が満たされないと、結晶性が劣化したり、成長速度が極端に遅くなったりする等、安定して良質の結晶成長ができない。
【０００５】
ところで、Z.GOLACKらによる上記文献では、封管内でＰｂＴｅを結晶成長させるに際し、単結晶と同一組成の原料を封管内の一端に置く一方で、結晶成長させるべき基板を他端に置くのではなく、基板を封管の他端から中央寄りの位置にセットしている。そして、封管の一端のＰｂＴｅ原料を９００℃前後、他端から中央寄りのＢａＦ2 基板を８５０℃前後、封管の他端を７７０℃前後とし、２週間の成長を行なったところ、ＢａＦ2 基板にＰｂＴｅ単結晶が得られ、かつ封管の他端に原料が析出したことを報告している。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用】
そこで本発明者は、上記文献の結晶成長技術を更に改良すべく、鋭意検討を重ねた結果、原料を封入した封管内において、一方では単結晶を成長させながら、他方では過剰に入れた高蒸気圧材料の蒸気圧を制御して気体分子密度を制御すれば、封管内の蒸気圧をコントロールしながら結晶成長できるのではないかと考えた。そして、蒸気圧は物質ごとに異なり、原料には複数種類の元素が含まれることから、原料の構成物質のうち蒸気圧の高いものを過剰にして封管内に封じ入れれば、蒸気圧コントロールによる結晶成長は好適になしうるとの着想を得、これに従う実験を重ねた。
【０００７】
本発明は、このような研究によって完成されたものであって、複数種類の元素からなる単結晶を、封管内で原料を昇華・拡散させて結晶成長させる単結晶の気相成長方法において、長尺の例えば石英ガラス製の封管内の長手方向に沿って、一方の側の第１の位置を単結晶の成長温度よりも高温にすると共に、他方の側の第２の位置を単結晶の成長温度よりも低温とし、上記の第１の位置には、単結晶の構成材料であって成長される結晶よりも蒸気圧の高い材料（例えば、構成材料のうち最も蒸気圧の高い材料であって成長結晶よりも蒸気圧の高い材料）を過剰に含む原料を配置し、第１の位置と第２の位置の間の位置であって単結晶の成長温度と略同一の温度となる第３の位置には、単結晶を成長させる基板もしくは種結晶を配置するとともに、第２の位置の温度を制御することにより第３の位置における単結晶の成長速度を制御し、これによって単結晶を気相成長させることを特徴とするものである。
【０００８】
ちなみに、ＰｂＳ単結晶を気相成長するにあたって、ＰｂＳ多結晶からなる原料の塊にＳを過剰に入れ、あるいはＰｂＳ多結晶の塊とＳ結晶の塊を共に封じ入れると、ＰｂＳに比べてＳの方が蒸気圧が高い。このため、温度匂配をつけることによってＳ蒸気の拡散を容易にコントロールでき、その結果として、単結晶の構成原料であるＰｂＳ蒸気の封管内での拡散をコントロールできる。したがって、成長温度よりも低温とされる第２の位置の温度を制御することで、成長温度とされている第３の位置へのＰｂＳ蒸気の供給量がコントロールでき、結果として、ここにおけるＰｂＳ単結晶の結晶成長速度を制御することができる。
【０００９】
ここで、本発明における結晶成長の原理について、簡単に説明する。
【００１０】
本発明は、成長原料分子の拡散速度を高蒸気圧材料の分子密度を制御することでコントロールするものである。手順・メカニズムとしては、まず、原料多結晶、高蒸気圧材料、成長基板を合成石英アンプル内に真空引き（１０-6Ｔｏｒｒ）して封じ入れる。そして、真空状態から加熱すると、まずはじめに高蒸気圧材料が低温部に容易に拡散する。つまり、低温部の温度により、高蒸気圧材料の管内密度をコントロールできる。なお、実際には原料分子より高蒸気圧材料分子の方が多いようになる。原料多結晶も、温度匂配により昇華拡散するが、その拡散速度は高蒸気圧材料の分子密度に反比例する。成長部の基板は、管の内壁との間のスキマを狭くとり、原料気体分子のコンダクタンスを小さくしているので、拡散してきた原料気体分子はほとんど基板上に成長する。そして、その成長レートは拡散速度に比例する。このようにして、低温部の温度で成長速度をコントロールできる。
【００１１】
【実施例】
実施例に従い、本発明をより詳細に説明する。
【００１２】
本発明が対象とする単結晶は、例えば、ＰｂＳ、ＣｄＳ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｎＴｅなどであり、原料にはこれらの多結晶の塊と高蒸気圧のＳ、Ｔｅの塊とが共に用いられ、あるいはこれらを混合させた固体が用いられ、あるいは蒸気圧の高いＳ、Ｔｅを単結晶の組成比よりも過剰に含んだＰｂＳ、ＣｄＳ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｎＴｅなどの多結晶などが用いられる。また、結晶成長のためには、Ａｌ2 Ｏ3 板、ＳｉＯ2 板、ＢａＦ2 板などの基板（例えばスティック状の部材）が用いられ、あるいは成長すべき単結晶と同一組成の種結晶が用いられる。
【００１３】
図１は、ＰｂＳを結晶成長させる実施例における温度匂配を、従来例と対比して概念的に説明している。電気炉は例えば５個のヒータ１ａ〜１ｅを有し、その内部に石英ガラス製の封管２が挿入される。封管２の長手方向の温度分布は例えば６個の熱電対３ａ〜３ｆで測定され、測定結果（電圧）は点線矢印で示すように温度コントローラ４に与えられる。温度コントローラ４はこの温度測定値に従い、封管２が長手方向にあらかじめ設定された温度匂配となるよう、実線矢印で示すようにヒータ１ａ〜１ｅの発熱量を制御する。
【００１４】
実施例においては、原料５としてのＰｂＳ多結晶を含む塊（但し、Ｓが過剰）は封管２の一方の端部（第１の位置）に配置され、ほぼ中間の結晶成長位置（第３の位置）には基板６が配置される。そして、原料５が約１０００℃、基板６が結晶成長温度とほぼ等しい約８００℃とされ、封管２の他方の端部（第２の位置）は蒸気圧の高いＳの蒸気圧が数十Ｔｏｒｒとなる約３００℃とされる。
【００１５】
これに対し、従来例においては、原料５が成長すべき単結晶と組成比の等しいＰｂＳ多結晶である点と、基板６が封管２の他方の端部に配置される点とが、実施例と異なっている。さらに、従来技術では、原料５の温度は約８５０℃、基板６は約８００℃とすることが必要とされる。
【００１６】
図１の上側に示したグラフにおいて、実線表示（実施例）と点線表示（従来例）を対比すれば明らかな通り、従来例では原料５と基板６の間で約５０℃の温度差になっているのに対し、実施例では約２００℃の温度差になっている。したがって、実施例によれば温度匂配の設定および制御が極めて容易になる。このため、本発明に係る単結晶の気相成長方法が適用される結晶成長装置は、その構成を簡易なものとすることができる。
【００１７】
図２はその一例を示しており、図１と同一要素は同一符号で示してある。図示の通り、電気炉は例えば３個のヒータ１ａ〜１ｃで構成され、中央のヒータ１ｂはＰｂＳの結晶成長温度（約８００℃）に、原料５側のヒータ１ｃは原料５およびＳの塊が蒸発する約１０００℃に、反対側のヒータ１ａは過剰に入れた蒸気圧の高いＳの蒸気圧が数十Ｔｏｒｒとなる約３００℃に設定される。
【００１８】
次に、本発明者による具体的な実施例および比較例を説明する。
【００１９】
実施例１
内径１０ｍｍの石英ガラス管に高蒸気圧のＳを過剰にしたＰｂＳ原料（Ｓの塊とＰｂＳ多結晶の塊）と、Ａｌ2 Ｏ3 基板を成長用に封入し、原料部を１０００℃、基板部を８００℃、低温側端部を３００℃にした。なお、真空引き時の封管内の気圧は１０-6Ｔｏｒｒオーダーである。１０日間の結晶成長を行なったところ、３０ｍｍ程度の良好な結晶性を有するＰｂＳ単結晶が得られた。
【００２０】
実施例２
図３に示すようにして、内径１０ｍｍの封管でＰｂＳ単結晶で成長させた。基板は９００℃、原料は９６０℃とし、Ｓが析出する部分は３２０℃とした。なお、昇温と冷却には、それぞれ２日間をかけ、１０日間の成長をさせた。直径１０ｍｍで長さ３０ｍｍのＰｂＳ単結晶が得られた。
【００２１】
実施例３
図４に示すようにして、内径１０ｍｍの封管によりＰｂＳｎＴｅ単結晶を成長させた。図示の通り、基板は８２０℃、Ｔｅが過剰の原料は８７０℃とし、低温の端部は７８０℃とした。２日間の昇温、１０日間の成長および２日間の徐冷により、良好な結晶性を有する単結晶が得られた。
【００２２】
実施例４，比較例
実施例３と同一の温度条件で、Ｔｅが過剰のＰｂＴｅ単結晶を成長させた。そして、得られた単結晶をへき開し、エッチングした後にエッチピット密度を測定したところ、２×１０5 ｃｍ-2程度であった。
【００２３】
この実施例３と対比するために、封管の一端に原料、他端に基板を置く従来方法でＰｂＴｅ単結晶を成長させ、同様にエッチピット密度を調べた。その結果、実施例３の約１０倍の２×１０6 ｃｍ-2のエッチピットが生じていた。
【００２４】
この実施例４と比較例を、図５に対比して示す。実施例４によれば、温度匂配の設定が容易で、しかもコントロールも容易であることがわかる。
【００２５】
ここで、本発明における結晶成長の速度について、ＰｂＴｅを例にして説明する。封管内におけるＰｂＴｅ結晶成長では、原料部温度８７０℃においてＰｂＴｅ蒸気圧は約４．８Ｔｏｒｒであり、リザーバ部温度７８０℃でＴｅ2 蒸気圧は、約８０Ｔｏｒｒである。つまりアンプル内では、ＰｂＴｅ分子よりもＴｅ2 分子の方が密度が高くなっている。
【００２６】
このときのＰｂＴｅ分子の平均自由行程λは、
λ＝１／｛４・２1/2 ・σ・ｎTe｝          …（１）
であらわされる。ここで、σはＰｂＴｅ分子の散乱断面積、ｎTeはＴｅ2 の分子の密度である。
【００２７】
ＰｂＴｅ結晶成長においては、λはおよそ３×１０-4ｃｍであり、原料と結晶成長部までの距離約８ｃｍに比べ非常に小さい。したがって、ＰｂＴｅ分子の移動は、拡散現象として取り扱うことができる。
【００２８】
今、拡散流密度Ｊを単位時間当たりアンプル内の単位断面を通過するＰｂＴｅ分子の数Ｊは、ＰｂＴｅ分子の密度をｎPbTeとおけば、
Ｊ＝Ｄ・ｄｎPbTe／ｄｘ                    …（２）
のようにあらわされ、Ｄは拡散係数、ｘは距離であり、ｄｎPbTe／ｄｘは、原料部と結晶成長部との濃度匂配である。ＰｂＴｅの濃度匂配は、図６に示す。
【００２９】
さらに、拡散係数Ｄは、
Ｄ＝ｕ・λ／３                            …（３）
であらわされる。ただし、ｕはＰｂＴｅ分子の平均速度である。
【００３０】
以上をまとめると拡散流密度Ｊは、
0003667360.tif 000002
となる。アンプル内の成長棒の外形を石英アンプルの内径に近づけ、この部分のＰｂＴｅのコンダクタンスを小さくすれば、拡散してきたＰｂＴｅ分子はほとんどで成長棒上に成長し、成長率Ｇは次式であらわせる。
【００３１】
Ｇ＝（ａPbTe）3 Ｊ／４                    …（５）
ここで、ａPbTeはＰｂＴｅの格子定数である。
【００３２】
原料多結晶と結晶成長部温度は一定であれば、ｕ、ｄｎPbTe／ｄｘはリザーバ部温度によらず、拡散流密度Ｊは拡散定数ＤあるいはｎTeに反比例する。すなわち、成長速度はアンプル内のＴｅ2 の蒸気圧によって変化するため、リザーバ部温度で結晶の成長速度をコントロールすることができる。
【００３３】
図７はカルコゲン蒸気圧制御部温度（リザーバ部温度）と、ＰｂＴｅ結晶の成長速度の関係を示す。実線は計算値である。カルコゲン蒸気圧の増加に対応してＰｂＴｅ分子の拡散定数が減少し、それにともなって結晶の成長率が減少することがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る単結晶の気相成長方法によれば、簡単な温度コントロールによって、良質の単結晶を容易に成長させることができる。また、結晶成長のための設備も、従来法に比べて簡単にすることが可能になる。なお、特開昭６３−７９７９７号にはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の封管気相成長法において、不活性ガスを封入することが開示されているが、これは原料の解離による成分比の変動を抑制するものであって、このような方法では、本発明の効果は全く期待できない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の単結晶の気相成長方法を従来法と比較して説明する図。
【図２】実施例の単結晶の気相成長方法が適用可能な結晶成長装置を説明する図。
【図３】実施例２の温度分布を説明する図。
【図４】実施例３の温度分布を説明する図。
【図５】実施例４と比較例の温度分布を対比して説明する図。
【図６】ＰｂＴｅの濃度勾配を示すグラフ。
【図７】カルコゲン蒸気圧制御温度とＰｂＴｅ結晶の成長速度の関係を示す図。
【符号の説明】
１ａ〜１ｅ…ヒータ、２…封管、３ａ〜３ｆ…熱電対、４…温度コントローラ、５…原料、６…基板。
【図１】
0003667360.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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