(57)【要約】  加熱ゾーンの長さに沿って所定の温度プロファイルを与えるために加熱ゾーンを加熱するように構成された単一のマルチゾーン・ヒータを有する結晶の気相成長用の装置。第１のリム８、第２のリム１２、および第１及び第２のリム８、１２を接続するリンク部を有するほぼＵ字状の管６が加熱ゾーンに配置される。第１のリム８は原材料１６を含む。原料と種１８との間に所定の温度差を与えるために原材料１６および種１８が加熱ゾーン内において長手方向に離間するように第２のリム１２は種１８を支持する。結晶は種１８上に成長される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶の気相成長用の装置であって、加熱ゾーンの長さに沿って所定の温度プロファイルを与えるために前記加熱ゾーンを加熱するように構成された単一のマルチゾーン・ヒータと、第１のリム、第２のリム、および前記第１及び第２のリムを接続するリンク部を有するほぼＵ字状の管であって、前記第１のリムが原材料を含むように構成され、前記第２のリムが、前記原材料と種結晶との間に所定の温度差を与えるために、前記原材料および種結晶を前記加熱ゾーン内において長手方向に離間させて前記種結晶を支持するように構成された、ほぼＵ字状の管と、からなる装置。
【請求項２】
少なくとも１つのさらなる原料リムが設けられ、関連のリンク部により前記第２のリムに結合され、前記少なくとも１つのさらなる原料リムが原材料を含むように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つのさらなるシンク・リムが設けられ、関連のリンク部により前記第１のリムおよび前記原料リムまたは各さらなる原料リムに結合され、前記少なくとも１つのさらなるシンク・リムが種を支持するように構成される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記リンク部または少なくとも１つのリンク部が流量制限器を含む、請求項１から３までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
更に、シンク・ゾーンから過剰な原材料を抜き取るために、真空ポンプまたは類似の手段からなる、請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
更に、前記それぞれの第２のリムまたはさらなるシンク・リムに前記種結晶またはそれぞれの種結晶を支持するための手段である支持体からなる、請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記支持体が石英ブロックからなる、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記支持体が、前記管の前記第２シンク・リムまたはさらなるシンク・リムにおいて前記種結晶を支持するように構成され、前記種結晶の外側のまわりの環状部が前記管の側壁から前記種結晶を分離する、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記支持体が前記第２のリムに回転可能に取り付けられ、その結果、前記支持体が前記結晶材料の堆積中に回転することができる、請求項６から８までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記支持体が前記結晶材料の堆積中に前記第２のリム内において長手方向に移動することができる、請求項６から９までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記支持体が細長いシャフトに取り付けられ、その結果、前記シャフトの移動が前記支持体の回転および／または並進を引き起こす、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記マルチゾーン・ヒータが３ゾーンを有する、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記管が前記加熱ゾーン内においてチャンバ内に設けられる、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記チャンバが排気される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項に記載の装置と、異なる長さの第１および第２のリムを有する複数の異なる管とからなる、結晶を成長させるためのシステム。
【請求項１６】
請求項１から１４までのいずれか１項に記載の装置を使用する気相結晶成長の方法であって、前記マルチゾーン・ヒータが前記加熱ゾーンを所定の温度プロファイルまで加熱するように作動され、原材料が第１のリム内におよび必要に応じて前記さらなる原料リムのいずれかに供給され、種結晶が第２のリム内におよび必要に応じて前記さらなるシンク・リムのいずれかに供給され、前記種結晶上に前記結晶の成長を引き起こすために前記原材料および前記種結晶を含む前記管が前記加熱ゾーン内に設けられる方法。
【請求項１７】
前記結晶がバルク結晶材料としてまたは薄膜として成長される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記種結晶が、前記種結晶上に成長される前記結晶の前記原材料と異なる材料からなる、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記結晶材料が前記種結晶上に成長される前に、中間層が前記種結晶上に形成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記種結晶が前記シンク・ゾーンに供給される前に、前記中間層が薄膜成長技術を使用して形成される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記中間層が、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の装置を使用して形成される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
複数の中間層が前記種結晶上に形成される、請求項１９から２１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
移行領域が、前記中間層と、前記種結晶上に成長される前記結晶材料との間に形成される、請求項１６から２１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
移行区域および結晶成長区域を形成するために前記結晶材料の堆積速度を徐々に増大させるように原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の温度勾配を変更するのに、前記加熱ゾーン内においてほぼＵ字状の管の位置を徐々に変更することにより、前記移行領域が形成される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記種結晶が電子回路の少なくとも一部を含む、請求項１８から２４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記結晶材料が前記種結晶上に成長される前に、前記電子回路の少なくとも一部が前記種結晶に形成される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記種結晶上に成長される前記結晶材料が放射検出器として働くバルク結晶であり、前記種結晶に設けられた前記電子回路の少なくとも一部が光子の吸収に応じて前記バルク結晶材料により生成された電子を処理するための処理回路を含む、請求項２５または２６に記載の方法。
【請求項２８】
請求項１から１４までのいずれか１項に記載の装置を使用して形成される放射検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相結晶成長用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気相結晶成長技術により結晶を成長させるには、結晶を形成することができる材料の原料（Ｓｏｕｒｃｅ）、および原材料（Ｓｏｕｒｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）から結晶を成長させる種（Ｓｅｅｄ）を供給することが必要である。輸送ゾーンが原料ゾーンとシンク・ゾーン（ｓｉｎｋ  ｚｏｎｅ）とを連結する。原料ゾーンと、種が供給されるシンク・ゾーンとの間に温度差を生成することにより、結晶成長の推進力の役割をする蒸気圧差が、原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間に生成されることになる。原料ゾーンの温度は、シンク・ゾーンの温度よりも高くするべきである。
【０００３】
結晶成長の制御は、原料およびシンクの温度ならびに蒸気圧を含むいくつかの要因に依存する。
【０００４】
初期の気相結晶成長システムでは、結晶は、密閉された管状の石英アンプルに供給された種結晶上に、アンプルに更に供給された原材料から成長された。アンプルは、原料ゾーンおよびシンク・ゾーンを加熱するための管状加熱炉に供給された。しかし、そのようなシステムを使用することによる結晶成長を制御するのは非常に困難である。
【０００５】
原料ゾーンと種ゾーンとの間に第１の流量調整器を設けることと、連続排気を行って種ゾーンから原材料の一部を取り除くための種ゾーンの下流の第２の流量調整器と組み合わせることとにより、基本的管状システムは改善されることが示唆された。温度差は依然として重要な要因であるが、第１の流量調整器を設けると、質量輸送速度が原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の温度差に対して基本的管状システムにおけるよりも影響されにくくなるように働く。
【０００６】
代替の装置が国際公開第９９／１０５７１号公報に開示されており、独立した加熱手段が、原料ゾーンおよびシンク・ゾーンの各々に設けられている。原料ゾーンおよびシンク・ゾーンは、独立した加熱手段と共に、真空チャンバ内に設けられる。これにより、原料およびシンクの温度、従って、これらのゾーン間の温度差のより正確な制御が可能になり、原料ゾーン、輸送ゾーン、およびシンク・ゾーンにおける固相−気相−固相転移が可能になる。しかし、加熱手段を真空中で作動させることができなければならない。従って、抵抗コイル・ヒータなどのヒータは適さない。付加的な制御を行うために、流量制限器を原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の輸送ゾーンに設けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第９９／１０５７１号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、原料ゾーンおよびシンク・ゾーンを加熱するために独立したヒータを設けるのではなく、単一のマルチゾーン・ヒータを設け、それにより、その長さに沿って所定の温度プロファイル（勾配）を有する加熱ゾーンが設けられる。この装置は、第１のリム（ｌｉｍｂ）、第２のリム、および第１及び第２のリムを接続するリンク部を有する、ほぼＵ字状の管（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ  Ｕ−ｓｈａｐｅｄ  ｔｕｂｅ）を含む。原材料は、ほぼＵ字状の管の第１のリムに設けられた原料ゾーンに供給される。種は、ほぼＵ字状の管の第２のリムのシンク・ゾーンに供給される。Ｕ字状の部材がマルチゾーン加熱炉により生成された加熱ゾーンに供給される場合、原料ゾーンおよびシンク・ゾーンが原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間に所要の温度差を与えるための温度プロファイル内に配置されるように、ほぼＵ字状の管のリンク部から原料ゾーンまでの長手方向の距離、およびリンク部からシンク・ゾーンまでの長手方向の距離が選択される。
【０００９】
原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の温度差は、ほぼＵ字状の管状部材のそれぞれの第１および第２のリムに沿った原料ゾーンおよびシンク・ゾーンの相対的長手方向位置と、マルチゾーン加熱炉により生成された加熱ゾーン内のほぼＵ字状の管の位置とに依存することになる。適切な相対的長さの第１のリムおよび第２のリムをもつほぼＵ字状の部材を選択するのは、加熱炉内のほぼＵ字状の管の長手方向の位置決めと組み合わせて、原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の所望の温度差を確実にするために使用することができる。一般に、原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間に温度差が必要とされる場合、ほぼＵ字状の管のリムが異なるか、または少なくとも原料ゾーンおよびシンク・ゾーンの場所が加熱ゾーン内において長手方向に離間されるであろう。
【００１０】
直線状の管状システムと比較して、本発明は、ほぼＵ字状の管の別個のリム中の原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間にリンク部を設けることにより、原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間に熱分離を与えるのを支援するという利点を有する。この熱分離は原料ゾーンと種ゾーンとの間の温度差の確保および制御を支援し、従って、結晶成長の制御を支援する。
【００１１】
国際公開第９９／１０５７１号公報に開示されたものなどのシステムと比較して、本発明は、原料ゾーンおよびシンク・ゾーンを独立に加熱するための独立した加熱手段を必要とせず、加熱要素を含む装置全体を真空中に設ける必要がないのでより単純なシステムを提供する。これは特別な利点であるが、それは、真空内に加熱要素を設けると、原料ゾーンおよびシンク・ゾーンの温度を上昇させるのに必要な時間が大幅に増加し、更に、使用することができるヒータのタイプが制限されるからである。しかし、結晶を成長させるシステムの部分を分離するために、少なくともほぼＵ字状の管の原料ゾーン、シンク・ゾーン、およびリンク部は真空ジャケット内に設けられることが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による装置を使用して種結晶上にバルク結晶材料を形成する方法が提供される。この場合、この方法は、ほぼＵ字状の管の第１のリムに原材料を供給するステップと、ほぼＵ字状の管の第２のリムに種結晶を供給するステップと、種結晶上にバルク結晶材料を堆積させるために原材料と種結晶との間に温度勾配を与えるようにほぼＵ字状の管を加熱ゾーン内に設けるステップとを含む。所望の長さのリムをもつほぼＵ字状の管を選択することにより、または、加熱ゾーン内におけるほぼＵ字状の管の位置を調整することにより、原料とシンクとの間の温度勾配を制御でき、それにより、種結晶上への結晶材料の成長を制御できることが、理解されるであろう。
【００１３】
本発明の第１および第２の態様のさらなるオプションの特徴が以下で述べられる。
【００１４】
流量制限器は原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の輸送ゾーンに、例えばリンク部に設けることができる。流量制限器は、原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の温度差に対する質量輸送速度の感受性を低減することができる。好適な流量制限器はキャピラリまたは焼結石英円板を含む。
【００１５】
より有利にするためには、シンク・ゾーンは真空ポンプまたは類似の手段に接続されて、シンク・ゾーンから過剰な原材料および揮発性不純物が抜き取られる。
【００１６】
シンク・ゾーン中の種結晶は、好ましくは、ほぼＵ字状の管の第２のリム内に配置され、種結晶の外側のまわりの環状部が種結晶をＵ字状の管の側壁から分離する。結晶材料の成長は集中成長（ｆｏｃｕｓｓｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ）であるので、材料は種結晶上にのみ堆積する。材料は、スパッタリング技術などの堆積技術の場合に生じるような周囲のリム上へのスパッタまたは吹き付けが行われない。これにより、過剰な原材料をシンク・ゾーンから取り除くことができ、更に、管の側壁への結晶の形成が妨げられる。
【００１７】
種結晶は、好ましくは、Ｕ字状の管のリムに沿って長手方向に移動することができる支持体上に設けられる。これは、第２のリムを通って延び、リム内において長手方向に移動することができる細長い部材上に支持体を設けることにより、達成することができる。リム内の種結晶の位置を調整することにより、原料と種結晶との間の温度差の調整を達成することができる。これは、厚い結晶が形成されている場合に特に有利である。結晶材料は種結晶の最上部表面上に最初に堆積するであろう。材料が堆積されるにつれて、さらなる材料が既に堆積した材料上に堆積されることになる。より多くの材料が堆積されるにつれて、原料と比較して新しい材料が堆積される結晶材料の最上部の相対的高さは、堆積された材料厚さが増加するために減少することになり、従って、原材料と、新しい材料を成長させる結晶材料の最上部との間の温度差は減少することになる。これは結晶材料の成長に影響を与えることになる。成長中に種結晶の位置を調整することにより、新鮮な材料が堆積される結晶の最上部は、原料に対して同じ相対的位置に、従って、同じ温度差に維持することができる。
【００１８】
種結晶は、それが供給されるリムの軸のまわりに回転可能であることが好ましい。結晶材料の堆積中に種結晶を回転させることにより、より均一な結晶成長を達成することができる。種結晶の回転は、管のリムを通して延びる細長い部材の回転により、達成することができる。細長い部材は、モータにより駆動することができる。
【００１９】
マルチゾーン加熱炉は、３ゾーン加熱炉とすることができる。
【００２０】
好ましくは、同じ温度プロファイルが得られる同じマルチゾーン加熱炉が全ての結晶成長で使用され、原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の相対温度の制御は、加熱炉により生成された加熱ゾーン内におけるほぼＵ字状の管の形状および位置決めにより、および、管のリム内における原料ゾーンおよびシンク・ゾーンの位置決めにより、達成される。これは、所定の温度プロファイルを与えるために１つまたは複数のヒータのコンピュータまたは他の制御を必要とするシステムよりも、安価に生成できることを意味する。更に、これにより、所定の位置にある様々なゾーンの加熱を必要とするのではなく、ヒータを単一の温度プロファイルに加熱し、次に、所要の相対位置にある所要の原材料および種結晶を含む選択されたほぼＵ字状の管を既に加熱されたゾーン内に導入することができる。結晶成長の追加または代替の制御は流量制限器の選択である。
【００２１】
適切な管を選択することにより多数の原料ゾーンまたはシンクのゾーンを設けることができることが、理解されるであろう。例えば、２つの別個の原料が単一の種上への単結晶の形成に必要とされる場合、管は、種を含む第２のリムに第１のリンク部を介して接続された第１の原材料を含む第１のリムと、第２のリムに第２のリンク部を介して接続された第２の原材料を含むさらなるリムとを含むことになる。この場合、第１および第２の原料は、ヒータにより形成された加熱ゾーンの温度プロファイル内において所要の温度差を与えるように互いに対しておよび種に対して位置決めされるように第１および第３のリムの相対的長さを選択することができる。この場合、第１および第２の原料は、必要に応じて加熱ゾーン内の同じまたは異なる長手方向位置で供給することができる。必要に応じて、さらなる原材料をもつさらなる原料ゾーンを含むさらなるリムを設けることができることが、理解されるであろう。
【００２２】
多数のリンク部が追加のリムに関連して設けられる場合、これらのうちのいずれかまたは全ては独立した流量制限器を備えることができる。
【００２３】
多数の原料が供給される場合、堆積された結晶材料の組成を成長中に変化させることができる。この制御は、流量制限器の制御により、または、原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の温度勾配により、達成することができる。一例では、結晶材料は最初のうち低い堆積速度で堆積され、堆積は堆積速度を増加させるように制御される。
【００２４】
代わりにまたは追加として、さらなるシンク・ゾーンを管のさらなるリムに設けることができ、各々は、原材料を含む１つまたは複数のリムに好適なリンク部により接続される。多数のシンク・ゾーンを含むと、多数の結晶の同時成長が可能になる。
【００２５】
上記シンク・ゾーンまたは各シンク・ゾーンおよび上記原料ゾーンまたは各原料ゾーンを含む管はチャンバ内において加熱ゾーン内に設けられることが好ましい。チャンバは好ましくは排気される。これは、成長した結晶への原材料の汚染を確実になくするのに役立つ。この場合、ヒータは好ましくはチャンバの外に設けられる。
【００２６】
本発明のシステムを使用して、バルク結晶材料または薄膜、例えば約２０ｎｍの厚さの膜を成長させることができる。
【００２７】
本発明の装置を使用して、多種多様なバルク結晶材料を堆積させることができる。これらには、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、およびテルル化カドミウムマンガン（ＣｄＭｎＴｅ）などのＩＩ−ＶＩ族材料が含まれる。
【００２８】
種結晶は、種結晶上に堆積されるものと同じまたは類似の材料の結晶とすることができる。この場合、堆積された結晶材料は、種結晶と類似の熱的構造および結晶構造を有し、従って、最小の不連続で成長することができることになる。
【００２９】
検出器用途などのいくつかの用途では、例えばテルル化カドミウムまたはテルル化カドミウム亜鉛のバルクの結晶材料は大きい面積を有することが必要とされることがある。しかし、十分に大きいサイズのテルル化カドミウムまたはテルル化カドミウム亜鉛の種結晶は利用可能でないことがあり、または、高コストでしか利用可能でないことがある。そのような場合、より容易にまたはより安価に利用可能である異なる材料の種結晶上に、例えばケイ素またはガリウムヒ素の種結晶上に結晶材料を形成することが望ましいであろう。
【００３０】
これは、堆積されるべき材料とは異なる材料の結晶を含む種結晶を使用することにより達成することができ、種結晶は中間層または領域を備えており、その上にバルク結晶材料が本発明の装置を使用して堆積される。異なる種結晶上にバルク結晶材料を堆積させることは機能上の理由で有益となることもある。
【００３１】
一例では、種結晶は、種結晶の直上に設けられ形成された中間層を含み、移行（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）領域が中間層の材料から種結晶上に形成されるバルク結晶材料までの移行を行う。中間層は、一般に種結晶に適合した格子構造を有するものであり、本発明の装置により堆積されるべきバルク結晶の材料と同じまたは異なる材料とすることができる。移行領域は、中間層の材料およびバルク結晶の材料が異なる場合、中間層の材料からバルク結晶の材料まで緩やかな変化を与える、すなわち格子構造の緩やかな変化を与える領域を含むことができる。
【００３２】
好ましい例では、移行領域およびバルク結晶は、同じ成長技術を使用して、しかし基板上に堆積される材料の組成および成長速度を緩やかに変更するために成長周期中の成長パラメータの初期変更を伴って堆積させることができる。初期移行中に移行領域が形成される。堆積させるべきバルク結晶の材料への変更を完了した後、バルク結晶材料を迅速に堆積させるために成長速度を加速させることができる。これは、ほぼＵ字状の部材を加熱ゾーン中の異なる位置に移動し、これにより原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の温度勾配を変更することにより、達成することができる。
【００３３】
中間層は、分子線エピタキシ、化学気相堆積、スパッタリング、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシおよび液相エピタキシなどの標準薄膜堆積技術を使用して形成することができる。これらの方法は全て比較的遅いが、中間層は非常に薄いので、層の成長速度は製造プロセス全体においてさほど重要ではない。
【００３４】
代わりに、１つまたは複数の個別の中間層を種結晶基板上に設けることができ、バルク結晶材料は上部中間層上に形成される。この場合、中間層の少なくとも１つはバルク結晶材料と同じ材料の層を含むべきである。この中間層または各中間層は、分子線エピタキシ、化学気相堆積、スパッタリング、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシおよび液相エピタキシなどの標準薄膜堆積技術を使用して形成することができる。これらの方法は全て比較的遅いが、中間層は非常に薄いので、層の成長速度は製造プロセス全体においてさほど重要ではない。
【００３５】
下にある基板と上にあるバルク結晶材料との間に１つまたは複数の中間層を設けると、特に有利な性質を有するデバイスを提供することができる。例えば、異なる基板およびバルク結晶材料は異なる機能を与えることができ、例えば、それらは各々異なるエネルギーの光子を吸収することができる。異なる基板とバルク結晶材料との間に１つまたは複数の中間層を設けることにより、２つの材料間の電子移動を支援し、熱移動を支援することができる。
【００３６】
基板、中間層、移行領域、およびバルク結晶材料に加えて、追加の層を堆積させることができる。例えば、インジウム、白金、金、またはアルミニウムの層などの金属層を電気接触のために形成することができる。代わりにまたは追加として、誘電体層を設けることができる。誘電体層は可視光および近赤外光を阻止するフィルタとして働くので構造体が放射検出器として使用されるべき場合、これは特に有用である。
【００３７】
一例では、異なる半導体材料のうちの一方を検出器または電子回路に使用することができ、他方の半導体材料をヒートシンクとして使用することができる。この場合、２つの異なる材料間に境界領域があると、２つの材料間の効果的な熱移動を確実にするのに役立つ。さらなる例では、異なる半導体材料のうちの一方は、光子の検出、例えばＸ線またはガンマ線の光子の検出に好適な材料とすることができる。他方の半導体材料は、他方の半導体材料で光子を吸収することにより生成された電気信号を処理することができる電子回路を、例えばＡＳＩＣの形態で、含むことができる。この場合、境界領域は検出器材料から回路材料への電気信号の効率的な移送を確実にするように働く。これにより、例えばワイヤ半田バンプ接続の故障に起因する、検出器とプロセッサとの間の電気接続の形成に関連する問題が避けられ、更に、より正確な検出のためのより優れた解像度が可能になる。本発明の構造体のさらなる可能性は、異なるエネルギーの光子を検出することができる２つの半導体材料を供給することであり、例えば、第１のバルク単結晶半導体材料が低エネルギーの光子を検出することができるケイ素であり、第２のバルク単結晶半導体材料が高エネルギーの光子を検出することができるテルル化カドミウムである。
【００３８】
より一般的には、種結晶は電子回路の少なくとも一部を含むことができ、それは、バルク結晶材料が種結晶に堆積される前にまたはその後に種結晶に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】単一の原料ゾーンおよび単一のシンク・ゾーンを含む本発明による装置の断面図である。
【図２】２つの原料ゾーンおよび単一のシンク・ゾーンを含む本発明による装置の代替の例の断面図である。
【図３】好適な温度勾配グラフである。
【図４】種支持体の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１および図２に示されるように、本発明の装置はマルチゾーン加熱炉２を含む。図示の例では、加熱炉は中央加熱領域を加熱するために設けられた環状ヒータの形態である。ヒータは環状ヒータである必要がなく、例えば一方の側から加熱領域を加熱するように配置された平面ヒータとすることができ、または加熱領域のまわりに配置された、いくつかの加熱要素を含むことができることが、理解されるであろう。光学ヒータを使用することもできる。
【００４１】
図３の温度グラフに示されるように、３つの主要ゾーンを含むマルチゾーン・ヒータが加熱領域を加熱し、所定の温度プロファイルを与える。図示の例では、最高温度はヒータ領域の最上部の近くにあり、この最高温度領域の上およびその下で温度は減少する。温度プロファイルは、最高温度領域の下よりも最高温度領域の上で大きな割合で最高温度から温度が減少するようなものである。図３に示された例では、温度プロファイルは、シンクを約４９０℃の温度とし、原料を約７１０℃の温度とし、リンク部を約７２５℃の温度とすることができるようなものである。しかし、他の温度を適宜に選択することができることが、理解されるであろう。
【００４２】
図１に示された例では、第１のリム８、第２のリム１２、および第１のリム８と第２のリム１２を接続するリンク部１０を有する単一のほぼＵ字状の管６が設けられる。第１のリム８および第２のリム１２は互いに平行であり、リンク部１０は第１のリム８および第２のリム１２に垂直であるほぼＵ字状の管６が示されている。しかし、この好ましい構成からもある程度は逸脱することが可能であることや、第１のリム８、リンク部１０、および第２のリム１２の間の接続は急激である必要はなく、丸くすることができることが、理解されるであろう。乖離の角度は、少なくとも９０°であるべきである。
【００４３】
第１のリム８の端部は原料ゾーンを画定し、原材料１６が供給される。これは、一般に、結晶を成長させるために管６を通って輸送されるように気化させることができる固体材料である。種結晶１８は管６の第２のリム１２に供給される。種結晶１８は管６内に設けられた支持体２２に取り付けられ、かつ種結晶１８を囲み、管６の内壁から種結晶１８を分離する環状部で位置決めされる。環状部は第２の流量制限器を画定する。支持体２２は、例えば、約１ｍｍと１００ｍｍとの間の厚さをもつ石英ブロックとすることができる。
【００４４】
好ましい例では、図４の拡大断面図に示されるように、支持体２２は細長いシャフト５０上に設けられ、細長いシャフト５０は、モータにより駆動されて長手軸のまわりに回転し、かつ、長手方向に移動してリム１２内において支持体２２を移動させることができる。結晶の形成中にシャフトを回転させることにより、従って、支持体２２および種１８を回転させることにより、より均一な結晶成長を達成することができる。細長いシャフトの長手方向の移動により、さらなる結晶材料を成長させる結晶の上部表面の位置を調整することができ、従って、温度プロファイルの位置を調整することができる。これは厚い結晶が形成される場合に特に有利であるが、それは、結晶の上部表面が温度プロファイルの同じ位置に確実にとどまるように、結晶が形成されるにつれて支持体２２の高さを徐々に下げることができるからである。従って、結晶の形成の全体にわたって原料とシンクとの間の温度勾配は一定のままである。支持体の高さがこのように変更されない場合にはそうならない。これは、高さが変更されない場合には結晶の最上部の高さが堆積プロセスの全体を通して増加することになり、従って、材料が堆積される結晶の最上部の温度が、温度勾配により次第に動くことになるからである。
【００４５】
種結晶１８を含む管６の第２のリム１２の自由端は、種結晶１８のまわりのシンク・ゾーンから過剰な気体を取り除くように配置される真空ポンプ２０に接続される。代わりにまたは追加として、第２のリム１２の自由端は追加の加熱のためのヒータに接続することができる。
【００４６】
管６は、加熱炉２により生じた温度に耐えることができ、成長した結晶を汚染しないように、一般に不活性である材料により形成される。管６の好適な材料の例には、石英、窒化ホウ素、耐熱性酸化物、およびグラファイトが含まれる。
【００４７】
管による通路は一定の直径としてもよいし、または、必要に応じて変化している断面を有してもよい。従って、管は、円筒状または円錐形としてもよく、または、何らかの他の断面形状を有してもよい。
【００４８】
流量制限器１４は、リンク部１０に設けられる。流量制限器１４は、キャピラリ輸送管、小さい孔をもつ円板、または、焼結石英円板の形態を取ることができ、原料１６から種結晶１８までの気体の流れを制御するために働く。
【００４９】
この例では、原料１６および種１８を含む管６は、真空ジャケット４で包まれている。真空ジャケットは、結晶が成長される清浄な環境を提供し、汚染を避けるのに役立つ。しかし、真空ジャケットは必須ではない。代わりに、真空ジャケットは、加熱炉を含む装置全体を覆うように設けることができる。しかし、これは、ジャケットが排気され、一方、原料ゾーンおよびシンク・ゾーンの温度が所要のレベルまで昇温されるシステムの操作に遅延を引き起こすことになるので好ましくない。更に、ヒータが真空ジャケット内に設けられる場合、ヒータからの結晶の汚染の危険性があり、更に、ヒータは真空内において操作することができる専用ヒータでなければならない。
【００５０】
図１に示される構成では、原材料１６は、テルル化カドミウム種結晶上にテルル化カドミウム結晶を形成するテルル化カドミウムおよびテルル化亜鉛の原料とすることができる。しかし、多くの他の結晶を好適な種結晶上に成長させることができる。結晶の例には、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）およびテルル化カドミウムマンガンが含まれる。
【００５１】
原材料１６は固体であるとして説明されているが、原材料は、気体としてまたは液体として、例えば気化しやすいインジウムとして、供給することもできる。
【００５２】
原料ゾーン、リンク部１０、および種結晶１８が配置されるシンク・ゾーンの温度は、加熱領域の温度プロファイル内の管６の位置、ならびに原料ゾーン、シンク・ゾーン、およびリンク部１０の相対位置に依存することになることが、理解されるであろう。原料ゾーンおよびシンク・ゾーンに関して、互いに対しておよびリンク部１０に対して適切な相対位置をもつ、例えば、好適な長さの第１および第２のリム８、１２をもつ管６を選択することにより、または、第２のリム１２内の支持体２２の位置を制御することにより、原料ゾーン、シンク・ゾーン、およびリンク部１０の所望の相対温度を達成することができる。従って、異なる長さの第１および第２のリム８、１２をもつ様々な管６を設けることができ、好適な管６を特定の結晶の成長のために選択することができる。
【００５３】
使用時に、加熱ゾーンを加熱して所要の固定温度プロファイルを生成するように加熱炉２を作動させることができ、次に、真空ジャケット４内に供給された原材料１６および種結晶１８をもつ所要の管６を加熱ゾーン内に導入することができる。このゾーンは既に所要の温度であるので、原料ゾーンおよびシンク・ゾーンの相対温度は速やかに到達することができ、結晶が成長される。代わりに、アセンブリを加熱炉内の真空ジャケット内に供給することができ、次に、加熱炉が所要の温度まで昇温される。結晶が形成されると、装置は、アセンブリを含む真空ジャケットを加熱炉内にとどめたままで冷却するか、または真空ジャケットを加熱炉から取り出すことにより、より迅速に冷却することができる。
【００５４】
図２に示される例では、種結晶１８を含む単一のリム１２を含むが、各々がそれぞれのリンク部１０、１０’によりリム１２に接続される２つの他のリム８、８’を含む管６’と図１の管６とが取り替えられている。他の２つのリム８、８’の各々は原材料１６、１６’を含むか、または液体または気体の形態の原材料の供給を受けることができる。リンク部１０、１０’の各々は図１に関して説明されたような流量制限器１４を含む。使用時に、リム８、８’の各々からの原材料１６、１６’は、それぞれのリンク部１０、１０’に沿い、流量制限器１４を通り、リム１２に沿って流れ、種１８上に結晶を形成する。
【００５５】
原材料１６、１６’の双方が、同じでもよいし、異なっていてもよいことが、理解されるであろう。多くの場合、種１８と原材料１６、１６’の各々との間に異なる温度差が必要であろう。図２に示されるように、これは異なる長さのリム８、８’を形成することにより達成することができ、その結果、それらは異なる場所にあり、従って、加熱ゾーン内の異なる温度の状態にあることになる。
【００５６】
図２に示された例では、管６のまわりに設けられた真空ジャケットはない。本発明の全ての実施形態において、真空ジャケットは設けることも省略することもできる。
【００５７】
図２は原材料１６、１６’を含む２つのリム８、８’だけを示しているが、追加のリムを原材料を含めて設けることができ、各々の場合に追加のリムはリンク部により連結することができ、リンク部は種結晶１８を含むリム１２に対する流量制限器を適宜に含むことができる。この場合、リムの各々の長さは、原材料を加熱ゾーン内の適切な場所に、従って、所望の温度に位置決めするように選択することができる。
【００５８】
更に、両方の例は、結晶材料が成長される種結晶１８を含む単一のリム１２だけを示しているが、複数の結晶の同時成長のために複数のリムを設け、各々が種結晶をもつことができることが、理解されるであろう。この場合、原材料を含むリムの各々は、リンク部により、種結晶を含むリムの各々に接続される。
【００５９】
結晶成長は装置の最上部から観察することができ、リンク部を通して下方に結晶が成長されるリムを観察することができる。種までのこの光学経路は、光学加熱、ならびに温度、成長速度、および結晶表面の計測および画像化を可能にすることもできる。
【００６０】
一例では、種結晶２２は、種結晶２２上に形成されるべきバルク結晶材料とは異なる材料から形成される。例えば、種結晶はケイ素またはガリウムヒ素の結晶とすることができ、種結晶上に堆積されるバルク結晶材料はテルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛、またはテルル化カドミウムマンガンとすることができる。
【００６１】
この場合、種結晶２２はその上部表面上に１つまたは複数の中間層を有する。この中間層または各中間層は、分子線エピタキシ、化学気相堆積、スパッタリング、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシおよび液相エピタキシなどの既知の薄膜堆積技術を使用して薄膜として形成することができる。次に、中間層を含む種結晶をほぼＵ字状の管の第２のリムに供給し、バルク単結晶材料を上述のように種結晶上に堆積させることができる。この場合、１つまたは複数の中間層は、下にある種結晶と堆積されるバルク結晶材料の間の格子不整合を避けるように作用する。
【００６２】
代わりに、１つまたは複数の中間層は本発明の装置を使用して種結晶上に堆積させることができる。この場合、種結晶はほぼＵ字状の管状部材の第２のリムに供給され、中間層を形成するための原材料は第１のリムに供給される。ほぼＵ字状の管状部材は加熱ゾーン内に位置決めされ、１ミクロン／時と１０ミクロン／時との間の成長速度で薄膜を成長させるのに好適な温度差が与えられる。これはバルク結晶材料の後続の成長での成長速度よりもずっと小さい。所要の薄膜が成長し終わるまで装置は所定の位置に維持され、次に、条件を変えてバルク結晶材料を堆積させる。条件の変更は、加熱ゾーン内においてほぼＵ字状の管の位置を変更し、それにより原料ゾーンとシンク・ゾーンとの間の温度勾配を変更し、それにより成長速度を変更することにより、および／または、種基板上にバルク結晶を堆積させるために使用される原材料を変更することにより、達成することができる。条件の変更は、中間層とバルク結晶層との間に移行領域の形成をもたらす緩やかな変更、または１つまたは複数の中間層とバルク結晶材料との間に急速な移行を生成する条件の急速な変更とすることができる。一例では、種結晶はガリウムヒ素結晶であり、バルク結晶材料はテルル化カドミウムである。この例では、テルル化カドミウムが中間層または移行領域として成長される。この領域は、例えば原料と種との間の低い温度差でゆっくり成長される。この領域は高度に応力をかけられることがある。次に、バルク結晶材料を堆積させるために温度差が増大され、より高い成長速度がもたらされる。
【００６３】
特定の材料を既存の層上に適切に堆積させることができるかどうか、または隣接する層または領域間の不整合から問題が生じることになるかどうかを決定するいくつかの要因がある。格子定数、熱膨脹係数、および／または弾性係数などのパラメータ間に不整合がある場合に不整合が生じることがある。理想的には、隣接する層または領域の材料のパラメータが不整合を最小にするようにできるだけ接近しているべきである。ある層は、ドープおよび／または偶発的不純物をもつ隣接する層またはバルク半導体材料と実質的に同じ材料のものとすることができる。隣接する層または領域の格子定数に大きい差がある場合、例えば、格子定数間の差が３％を超える場合、後続の層が堆積されるとき不整合転位が生じるであろう。しかし、これらの不整合転位は、ほとんどの場合、最初の数原子層を通じて（一般に１０ミクロン以内で）なくなり、その結果、材料の残りの部分は完全に緩和されることになる。しかし、この緩和は成長温度でのみ生じる。隣接する層の熱膨脹係数間に差がある場合、成長の温度以外の温度で熱歪みが存在するであろう。そのような歪みは、構造体の他の層または領域に、例えば基板または結晶材料に伝播することがある。結晶材料が十分に厚い場合、歪みは一般に基板に位置することになる。例えば、約２５０ミクロンの厚さをもつＣｄＴｅ層が３５０ミクロンのガリウムヒ素基板上に５００℃で形成される場合、デバイスが後続の結晶形成中に約７００℃の温度に保持されるとＣｄＴｅ層に実質的に歪みが存在しないことになることが見いだされた。
【００６４】
材料が放射の検出に使用されることになる場合、材料の所要の厚さは、吸収されるべきエネルギーにより決まることになる。テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛、およびテルル化カドミウムマンガンについて、様々なエネルギーの放射の吸収に必要とされる材料の厚さが以下に記載される。
【００６５】
光子エネルギー    ５０％の吸収に必要とされる厚さ
３０ｋｅＶ      ０．００７ｃｍ
１００ｋｅＶ      ０．０７ｃｍ
２００ｋｅＶ      ０．３５ｃｍ
５００ｋｅＶ      １．２ｃｍ
７５０ｋｅＶ      １．７ｃｍ
１〜１０ＭｅＶ    ２．３〜３．５ｃｍ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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