(57)【要約】【課題】転位などの結晶欠陥が少ない化合物半導体単結晶の製造方法及びそれを用いて製造した化合物半導体単結晶を提供するものである。【解決手段】本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、るつぼ１１の底部に形成した凹部１２に種結晶１３を配置すると共に、るつぼ１１の内部に化合物半導体の原料融液１９を注入した後、上記種結晶１３の位置から上方に向けて原料融液１９を固化させ、化合物半導体単結晶２０を製造する方法であって、上記種結晶１３が、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素を含んでおり、その種結晶１３を用いて化合物半導体単結晶２０の結晶成長を行うものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼの底部に形成した凹部に種結晶を配置すると共に、るつぼの内部に化合物半導体の原料融液を注入した後、上記種結晶の位置から上方に向けて原料融液を固化させ、化合物半導体単結晶を製造する方法において、上記種結晶が、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素を含んでおり、その種結晶を用いて化合物半導体単結晶の結晶成長を行うことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２】
上記種結晶に含まれる上記添加元素の総濃度を１．０×１０１７〜１．０×１０１９ｃｍ−３に調整する請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の製造方法を用いて製造したことを特徴とする化合物半導体単結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体単結晶の製造方法に係り、特に、ＧａＡｓ単結晶の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体単結晶からなるウェハは、化合物半導体レーザやＬＥＤなどの素子の基板材料として用いられている。化合物半導体単結晶の製造方法として、るつぼの底部に形成した凹部に種結晶を配置すると共に、るつぼ内部に化合物半導体の原料融液を注入し（チャージし）、種結晶の部分から上方に向けて原料融液を固化させて化合物半導体単結晶を製造する製造方法が挙げられ、例えば、垂直ブリッジマン法（以下、ＶＢ法と表す）、垂直温度勾配傾斜法（以下、ＶＧＦ法と表す）がある。
【０００３】
このＶＢ法及びＶＧＦ法は、引上法に比べて小さな温度勾配の下で結晶を成長させることができるので、転位などの結晶欠陥の少ない化合物半導体結晶を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、化合物半導体レーザやＬＥＤ等の素子に用いられる基板としては、素子寿命及び効率の観点から、低転位密度基板が求められている。なぜなら、化合物半導体レーザやＬＥＤ等の素子は高電流密度で動作することから、ウェハ中に転位が存在すると、転位部分において発熱が生じ素子の劣化を招いてしまうためである。
【０００５】
従来のＶＢ法及びＶＧＦ法により製造した化合物半導体導電性ウェハの転位密度は、最大で２００〜１０００個／ｃｍ２程度であるが、ウェハ中心部に転位が集中しているのが確認されている。ウェハ中心部に集中する転位は、単結晶の成長に用いる種結晶から伝播していると考えられ、ウェハの低転位化を図る上で障害となっていた。ここで言う種結晶から伝播する転位とは、種結晶自体の転位と、種付けまでの温度履歴による熱歪みによって発生する転位とを合わせたものである。
【０００６】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、転位などの結晶欠陥が少ない化合物半導体単結晶の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、るつぼの底部に形成した凹部に種結晶を配置すると共に、るつぼの内部に化合物半導体の原料融液を注入した後、上記種結晶の位置から上方に向けて原料融液を固化させ、化合物半導体単結晶を製造する方法において、上記種結晶が、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素を含んでおり、その種結晶を用いて化合物半導体単結晶の結晶成長を行うものである。
【０００８】
具体的には、請求項２に示すように、上記種結晶に含まれる上記添加元素の総濃度を１．０×１０１７〜１．０×１０１９ｃｍ−３に調整する。
【０００９】
以上の製造方法によれば、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素を含む種結晶を用いることで、種結晶から化合物半導体単結晶に伝播する転位が少なくなる。
【００１０】
一方、本発明に係る化合物半導体単結晶又はＧａＡｓ単結晶は、上述した製造方法を用いて製造したものである。
【００１１】
これによって、結晶成長の際に、種結晶から化合物半導体単結晶に伝播する転位が少なくなり、転位などの結晶欠陥が少ない化合物半導体単結晶を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法の好適一実施の形態として、ＶＢ法によるＧａＡｓ単結晶の製造装置の概略図を図１に示す。
【００１４】
本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法は、るつぼの底部に形成した凹部に種結晶を配置すると共に、るつぼの内部にＧａＡｓ融液を注入した後、種結晶の位置から上方に向けてＧａＡｓ融液を徐々に固化させるものであり、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素を含む種結晶を用いてＧａＡｓ単結晶の結晶成長を行うものである。
【００１５】
具体的には、図１に示すように、直径が例えば５２ｍｍのＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）製のるつぼ１１の底部に形成したシードホルダ（凹部）１２に、種結晶（例えば、直径が１０ｍｍで、Ｉｎ濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３）１３を配置する。種結晶１３に含まれるＩｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素は、種結晶１３を成長させる際に予め添加されているものであり、不純物硬化作用により種結晶１３自体の結晶欠陥（転位）の発生が抑制され、また、このため、種結晶１３からＧａＡｓ単結晶２０に転位が伝播するのが抑制される。
【００１６】
次に、このるつぼ１１内に、ＧａＡｓ原料としてＧａＡｓ多結晶（例えば、２０，０００ｇ）を、液体封止剤として三酸化硼素（例えば、１，０００ｇ）を投入すると共に、このるつぼ１１を圧力容器１４内に配置する。圧力容器１４は、ヒータ１５で囲まれた成長炉１６内に配置されたサセプタ１７に載置される。ここで、三酸化硼素はＧａＡｓ多結晶上に載置した状態で投入配置される。液体封止剤は、ＧａＡｓよりも比重が小さく、ＧａＡｓと化学反応を起こさず安定であり、かつ、ＧａＡｓと混じり合わない（ＧａＡｓに対して濡れ性がない）材料であれば特に限定するものではない。
【００１７】
次に、圧力容器１４内に加圧した不活性ガス（例えば、窒素ガス、Ａｒガス）を封入して圧力容器内を陽圧（例えば、７〜９気圧、好ましくは８気圧前後〔７．１〜９．１×１０５Ｐａ、好ましくは８．１×１０５Ｐａ前後〕）に調整・保持する。その後、ヒータ１５に給電してるつぼ１１を加熱し、三酸化硼素、ＧａＡｓ多結晶を順に融解し、三酸化硼素の融液１８、ＧａＡｓ融液１９を順に形成する。融液は、ＧａＡｓ融液１９と三酸化硼素融液１８との完全二層の分離構造となり、ＧａＡｓ融液１９を三酸化硼素融液１８が覆っている。
【００１８】
その後、種結晶１３を用いて種付けを行い、ＧａＡｓ単結晶２０の成長を行う。具体的には、ヒータ１５の温度を調整し、固液界面（結晶成長開始時は、種結晶１３とＧａＡｓ融液１９との界面）２１の近傍で１０℃／ｃｍの温度勾配を設定する。また、結晶固化初期時は、サセプタ１７を鉛直方向下向き（図１中の矢印Ｄの方向）に、ゆっくりと、例えば２ｍｍ／ｈｒの速度で降下させてゆく。これによって、固液界面２１が上方に向けて徐々に上昇し、ＧａＡｓ融液１９が完全に固化（結晶化）することで、転位などの結晶欠陥が少ないＧａＡｓ単結晶２０のインゴットが得られる。
【００１９】
この時、ＧａＡｓ単結晶２０の成長過程全般に亘って、固液界面２１が融液１９側に凸状となるように、炉内の温度分布を規定する。これによって、容易に、かつ、安定して、固液界面２１を融液１９側に凸状とすることができる。固液界面２１が融液１９側に凸状となることで、転位などの結晶欠陥が少ない高品質なＧａＡｓ単結晶２０を得ることができる。また、ＧａＡｓ単結晶２０を、良好な収率で得ることができる。
【００２０】
得られたＧａＡｓ単結晶２０のインゴットをウェハ状にスライス切断した後、切断面を鏡面研磨することで、ＧａＡｓ単結晶ウェハが得られる。
【００２１】
ここで、種結晶１３に含まれるＩｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素の総濃度は、１．０×１０１７〜１．０×１０１９ｃｍ−３が好ましい。総濃度を１．０×１０１７〜１．０×１０１９ｃｍ−３に限定した理由を以下に述べる。
【００２２】
種結晶１３に含まれるＩｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素の総濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３未満だと、得られたインゴットから作製したウェハにおける最大転位密度が２０００個／ｃｍ２以上、平均転位密度が１０００個／ｃｍ２以上のウェハの割合が、全ウェハの約５０％にも達してしまい、転位の少ないウェハが得られないためである。
【００２３】
また、種結晶１３に含まれるＩｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素の総濃度が１．０×１０１９ｃｍ−３よりも大きいと、種結晶１３として用いる結晶を成長させる際の収率が大幅に低下してしまい、実用的でないためである。
【００２４】
本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法においては、ＧａＡｓ単結晶２０の成長に用いる種結晶１３として、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素を含むものを用いている。また、種結晶１３に含まれる添加元素の総濃度を１．０×１０１７〜１．０×１０１９ｃｍ−３に調整している。この種結晶１３を用いることにより、種結晶１３からＧａＡｓ単結晶２０に伝播する転位が少なくなる。その結果、得られたインゴット全体（種付け部から尾部まで）から作製した全ウェハは、ウェハ面内での最大転位密度が５００個／ｃｍ２以下、平均転位密度が１００個／ｃｍ２以下の低転位密度のウェハとなる。また、種結晶１３からの伝播転位と考えられるウェハ中心部における転位の集中は全ウェハで観察されず、このことからも、転位がウェハ面内で均等に分散した高品質なウェハであることがわかる。
【００２５】
本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法を用いることで、転位などの結晶欠陥が少ない低転位密度のＧａＡｓ単結晶２０を、再現性よく、かつ、収率よく得ることができる。
【００２６】
この本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法により得られるＧａＡｓ単結晶からなるウェハ（以下、本ウェハと表す）は、最大転位密度が２００〜１０００個／ｃｍ２程度の従来のＧａＡｓ単結晶ウェハと比較して低転位となる。このため、本ウェハを用いて化合物半導体レーザやＬＥＤ等の素子に用いられる基板を作製することで、ウェハ中の転位に起因する発熱が殆どなくなり、素子の劣化が生じることがなくなる。つまり、本ウェハを用いることで、従来よりも素子寿命が長く、かつ、高効率の化合物半導体レーザやＬＥＤ等の素子を作製することができる。
【００２７】
本実施の形態においてはＧａＡｓ単結晶の製造方法について説明を行ったが、これに限定されるものではなく、ＶＢ法、ＶＧＦ法を用いた他の化合物半導体単結晶、例えば、ＩｎＰ単結晶、ＧａＰ単結晶、ＩｎＡｓ単結晶などの製造方法にも適用可能である。これらの化合物半導体単結晶の製造方法においても、本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法と同様の作用効果が期待できる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上要するに、本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法によれば、化合物半導体単結晶の成長に用いる種結晶として、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｂの内の少なくとも１種の添加元素を含むものを用いることで、種結晶から化合物半導体単結晶に伝播する転位を少なくすることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造装置の概略図である。
【符号の説明】
１１  るつぼ
１２  シードホルダ（凹部）
１３  種結晶
１９  ＧａＡｓ融液（化合物半導体の原料融液）
２０  ＧａＡｓ単結晶（化合物半導体単結晶）
２１  固液界面
【図１】
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