(57)【要約】【課題】化合物半導体の原料融液を冷却して垂直方向に単結晶を成長させる化合物半導体単結晶成長方法において、成長した化合物半導体単結晶の転位密度が悪化するという課題を、生産性を低下させず、且つ当該方法に用いる装置に大きな改造を加えることなく、抑制できる化合物半導体単結晶成長方法を提供する。【解決手段】まず、石英アンプル５内の成長容器１に種結晶２および所定の原料を充填し真空封止する。この石英アンプル５を駆動架台８の上に載置し、第１および第２の縦型電気炉６、７により昇温するが、成長容器１内の温度分布を調整することにより、成長容器１内のＧａＡｓ原料の融解開始位置１１を種結晶上端１０から５０mm以上に設定し、その後、当該位置で融解した原料が、種結晶２の方向に向けて徐々に融解するように温度分布を変化させ、種付け後、適宜な炉内温度降下等により、成長容器１内において結晶成長を行った。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒体状容器の底部に種結晶を設置し、前記種結晶の上部に化合物半導体原料を充填した後、前記化合物半導体原料を加熱して融解させ、所定の条件で冷却することにより、前記化合物半導体の単結晶を成長させる方法であって、
前記化合物半導体の原料を融解させる際、その融解開始位置と前記種結晶上端との間に間隔を設けることを特長とする化合物半導体単結晶成長方法。
【請求項２】
請求項１に記載の化合物半導体単結晶成長方法であって、
前記間隔とは、前記融解開始位置にて融解した前記原料が、前記間隔を通過し前記種結晶上端に到達したとき、前記種結晶が受ける熱ショックを緩和できるものであることを特長とする化合物半導体単結晶成長方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の化合物半導体単結晶成長方法であって、
前記間隔とは、５０mm以上の間隔であることを特長とする化合物半導体単結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体単結晶の成長方法に係り、特に、化合物半導体の原料融液を冷却して垂直方向に単結晶を成長させる垂直グラジェントフリージング法や垂直ブリッジマン法を用いた化合物半導体単結晶の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化合物半導体の単結晶（例えば、ＧａＡｓ単結晶）を成長させる方法として、従来の液体封止引上法（ＬＥＣ法）に代わり、垂直ブリッジマン法（以下、ＶＢ法と記載する。）、垂直グラジェントフリージング法（以下、ＶＧＦ法と記載する。）が注目されている。このＶＢ法、ＶＧＦ法を用いた、ＧａＡｓ単結晶の成長は、例えば、以下のような手順で行われる。
【０００３】
まずパイロリティック窒化硼素（以下、ＰＢＮと記載する。）製の成長容器の底部に種結晶を設置し、その上方にＧａＡｓ多結晶および液体封止剤原料を充填する。この液体封止剤とは、ＧａＡｓ多結晶が融解して生成したＧａＡｓ融液の多結晶化防止、ＧａＡｓ融液と成長容器壁との濡れによる多結晶化防止、およびＶ族元素であるＡｓの解離・蒸発の抑制、の為に用いられるもので、三酸化硼素（以下、Ｂ2Ｏ3と記載する。）が好個に用いられる。
【０００４】
次に、このＧａＡｓ、Ｂ2Ｏ3が充填された成長容器を縦型電気炉内に設置し、電気炉のヒータを昇温して、原料のＧａＡｓ多結晶と、種結晶の所定長さとを融解した後、所定の条件で冷却して当該種結晶より上方に向けてＧａＡｓ単結晶を成長させる。
【０００５】
このＶＢ法、ＶＧＦ法によれば、直径７６mmを超える大口径を有する化合物半導体の単結晶成長を容易に行うことができる。
【０００６】
しかし、従来の方法によれば種結晶に転位が発生し、この種結晶に生じた転位は、その後のＧａＡｓ単結晶成長過程にて結晶内を伝播し、成長したＧａＡｓ単結晶の転位密度が悪化するという問題が生じていた。
【０００７】
この転位密度悪化に対する対策として、例えば特許文献１には、種結晶上方に当該種結晶よりも大きい径を有する化合物半導体多結晶ウエハを配置し、当該化合物半導体多結晶ウエハ上に多結晶原料を収容することで、当該多結晶原料の荷重を当該多結晶ウエハが受け、さらに成長容器側面がこの荷重を受けることで、当該種結晶に懸かる荷重を緩和し、転位の発生を抑制する提案が記載されている。
【特許文献１】特開平７−１６５４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した提案等にも拘わらず、ＶＢ法やＶＧＦ法といった化合物半導体の原料融液を冷却して垂直方向に単結晶を成長させる化合物半導体単結晶成長方法において、成長した化合物半導体単結晶の転位密度が悪化するという問題の解決は、未だ満足すべき水準に到達していない。
【０００９】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、成長した化合物半導体単結晶の転位密度の悪化を抑制できる化合物半導体単結晶成長方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは上述の課題を解決するため、成長した化合物半導体単結晶の転位密度の悪化原因となる、種結晶に発生する転位について鋭意研究を行った。そして、成長容器内の種結晶上方で融解した化合物半導体原料が、当該種結晶周辺に流れ落ちてきて接触する際（いわゆるメルトタッチの際）、熱ショックを与えられた当該種結晶に転位が発生すること、そして、当該転位が発生した種結晶から化合物半導体単結晶へ、転位が伝播していくことに想到した。
【００１１】
例えば、特許文献１に記載された技術の場合、種結晶上に設置された多結晶ウエハが最後に融解するため、多結晶ウエハが融解した際、融解した多結晶原料が急に種結晶に流れ落ちてくるため、融解した原料が種結晶へ接触するとき熱ショックを与え、種結晶の転位密度が高くなっていたと考えられる。
【００１２】
そこで本発明者らは、この知見を基に、融解した化合物半導体原料が当該種結晶に与える熱ショックを緩和する方法を研究した。その結果、前記化合物半導体の原料を融解させる際、その融解開始位置と前記種結晶上端との間に間隔を設けるという構成に想到し、本発明を完成したものである。
【００１３】
即ち、課題を解決するための第１の手段は、有底筒体状容器の底部に種結晶を設置し、前記種結晶の上部に化合物半導体原料を充填した後、前記化合物半導体原料を加熱して融解させ、所定の条件で冷却することにより、前記化合物半導体の単結晶を成長させる方法であって、
前記化合物半導体の原料を融解させる際、その融解開始位置と前記種結晶上端との間に間隔を設けることを特長とする化合物半導体単結晶成長方法である。
【００１４】
上記の構成を採ることにより、前記化合物半導体の原料を融解させる際、その融解開始位置と前記種結晶上端との間に間隔を設けた化合物半導体単結晶成長方法であり、融解開始位置にて融解した化合物半導体の原料が種結晶へ向かって徐々に流れ落ちるようにすることで、メルトタッチの際に前記種結晶が受ける熱ショックが緩和され、転位密度の増加が回避されるため、転位密度の低い種結晶として化合物半導体単結晶を成長させることができ、平均転位密度の低い単結晶を成長させることができた。
【００１５】
第２の手段は、第１の手段に記載の化合物半導体単結晶成長方法であって、
前記間隔とは、前記融解開始位置にて融解した前記原料が、前記間隔を通過し前記種結晶上端に到達したとき、前記種結晶が受ける熱ショックを緩和できるものであることを特長とする化合物半導体単結晶成長方法である。
【００１６】
第３の手段は、第１または第２の手段に記載の化合物半導体単結晶成長方法であって、
前記間隔とは、５０mm以上の間隔であることを特長とする化合物半導体単結晶成長方法である。
【発明の効果】
【００１７】
以上詳述したように、本発明は、有底筒体状容器の底部に種結晶を設置し、前記種結晶の上部に化合物半導体原料を充填した後、前記化合物半導体原料を加熱して融解させ、所定の条件で冷却することにより、前記化合物半導体の単結晶を成長させる方法であって、
前記化合物半導体の原料を融解させる際、その融解開始位置と前記種結晶上端との間に間隔を設けた化合物半導体単結晶成長方法であり、融解開始位置にて融解した化合物半導体の原料が、前記間隔を通過し前記種結晶上端に到達したとき、前記種結晶が受ける熱ショックが緩和され転位密度の増加が回避されるため、転位密度の低い種結晶として化合物半導体単結晶を成長させることができ、平均転位密度の低い単結晶を成長させることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る化合物半導体単結晶成長方法に用いる化合物半導体単結晶成長装置（以下、単結晶成長装置と記載する。）の模式的な縦断面図である。
【００２０】
図１に示すように、単結晶成長装置は、石英アンプル５内に有底筒体状容器である成長容器１が収容されている。石英アンプル５および成長容器１とも、上部は広い幅を有する円筒形状、下部は上部より狭い幅を有する有底円筒形状を有し、上部と下部とは漏斗状の部分を介して一体となっている。成長容器１の下部には種結晶２が設置され、漏斗状の部分および上部には化合物半導体原料３、液体封止剤原料４、およびドーパント原料９が充填されている。
【００２１】
成長容器１を収容した石英アンプル５は、駆動架台８によって上下動自在で図示していないチャンバー内に設置されている。そして、石英アンプル５の周囲には、成長容器１内の化合物半導体原料３を所定の温度勾配で加熱して融解し、化合物半導体単結晶を成長させるための発熱手段である第１の縦型電気炉６、および発熱手段であり成長後の単結晶を適宜な条件で冷却させる手段でもある第２の縦型電気炉７が石英アンプル５を取り囲むように設けられている。
【００２２】
尚、図１において、符号１０は種結晶２の上端の位置を示し、符号１１は化合物半導体原料３が加熱された際、融解を開始する融解開始位置を示す。
【００２３】
次に、本発明に係る単結晶成長装置を用いた化合物半導体単結晶の成長について説明する。
【００２４】
例えばＰＢＮ製の成長容器１内の下部に種結晶２を設置し、その上へ、所望の化合物半導体多結晶等の化合物半導体原料３（例えば、ＧａＡｓ多結晶体）、所望により三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）等の液体封止剤原料４、および所望のドーパント原料９（例えば、Ｓｉ）を充填する。尚、液体封止剤原料４は、化合物半導体原料３の融液と成長容器１壁との濡れによる多結晶化を防ぐため、および化合物半導体原料３としてＶ族元素（例えば、Ａｓ）が用いられた場合、この元素の解離・蒸発を抑制するために添加されるものである。
【００２５】
成長容器１内へ化合物半導体原料３等の充填が完了したら、これを石英アンプル５内に入れ、当該石英アンプル５を図示していないチャンバー内の駆動架台８に設置する。ここで、第１および第２の縦型電気炉６、７に通電して、成長容器１内の、化合物半導体原料３、液体封止剤原料４、およびドーパント原料９を融解させる。
【００２６】
このとき、第１および第２の縦型電気炉６、７への通電方法、駆動架台８の操作等によって、成長容器１内の温度分布を制御することにより、化合物半導体原料３の融解開始位置１１と種結晶上端１０との間に間隔ｄを開け、その後、種結晶上端１０から間隔ｄを開けて融解した化合物半導体原料３が、種結晶２の方向に向けて徐々に融解していくように炉内温度分布を変化させていく。
【００２７】
この化合物半導体原料３の融解開始位置１１と種結晶上端１０との間に間隔ｄを開けたことで、融解した化合物半導体原料３が急に種結晶上端１０へ流れ落ちることを防止でき、この融解した化合物半導体原料３が接触する種結晶上端１０の転位密度の増加を回避し、転位密度の低い種結晶２として化合物半導体単結晶を成長させることができる。
【００２８】
化合物半導体原料３の融解開始位置１１と種結晶上端１０との当該間隔ｄは、融解開始位置１１にて融解した化合物半導体原料３が、間隔ｄを通過し種結晶上端１０に到達したとき、種結晶２が受ける熱ショックを緩和できるものであればよい。具体的な間隔ｄは、成長容器１の大きさ、化合物半導体原料３の充填量・種類により異なるので試験を実施して定めることが好ましいが、概ね５０mm以上あることが好ましい。
【００２９】
上述の構成を採った結果、化合物半導体単結晶成長の生産性を低下させることなく、また、単結晶成長装置に大きな改造を加えることもなく、成長した化合物半導体単結晶の転位密度の悪化を抑制することが出来た。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
【００３１】
（実施例１）
本実施例においては、ｎ型のドーパントを添加したＧａＡｓ単結晶成長を例とし、図１を参照しながら説明する。
【００３２】
まず、石英アンプル５内に、内径８５mm、厚さ１mmのＰＢＮ製の成長容器１を入れ、成長容器１内の下部に種結晶２を、その上に化合物半導体原料３としてＧａＡｓを６，０００ｇ、ｎ型のドーパント原料９としてＳｉを１ｇ、液体封止剤原料４としてＢ2Ｏ3を５０ｇ充填し真空封止する。この石英アンプル５を駆動架台８の上に載置し、第１および第２の縦型電気炉６、７に通電して昇温する。ここで、第１および第２の縦型電気炉６、７への通電方法、駆動架台８の上下動等により、成長容器１内の温度分布を調整することにより、成長容器１内のＧａＡｓ原料の融解開始位置１１が種結晶上端１０から５０mm以上となるようにした。その後、種結晶上端１０から５０mm以上の個所で融解したＧａＡｓ原料が、種結晶２の方向に向けて徐々に融解していくように成長容器１内の温度分布を変化させていき、種結晶２を所定の長さで融解し種付けを行った。
【００３３】
種付け後、第１および第２の縦型電気炉６、７への通電方法による炉内温度降下および／または駆動架台８の下降により、成長容器１内において結晶成長を行った。種結晶２として無転位の種結晶を用い、上述の方法により繰り返し１０ロットの単結晶成長を実施したところ、得られた単結晶の平均転位密度は、１０回とも１００個／cm2以下のものを得ることができた。得られたＧａＡｓ単結晶は目標である１００個／cm2以下の転位密度を満足し、単結晶の収率は１００％であった。
【００３４】
（比較例１）
ＧａＡｓ原料の融解開始位置１１と、種結晶上端１０との間隔ｄを設けなかった以外は、実施例１と同じ条件でｎ型のドーパントを添加したＧａＡｓ単結晶成長を行った。当該単結晶成長方法により１０ロットの単結晶成長を実施したところ、得られた単結晶の平均転位密度は、１０回とも１０００個／cm2であった。得られたＧａＡｓ単結晶は目標である１００個／cm2以下の転位密度を満足出来ず、単結晶の収率は０％であった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る化合物半導体単結晶成長方法に用いる化合物半導体単結晶成長装置の模式的な縦断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  成長容器
２  種結晶
３  化合物半導体原料
４  液体封止剤原料
５  石英アンプル
６  第１の縦型電気炉
７  第２の縦型電気炉
８  駆動架台
９  ドーパント原料
１０  種結晶上端
１１  融解開始位置
ｄ  間隔
【図１】
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