(57)【要約】【課題】垂直ブリッジマン法又は垂直温度勾配凝固法において、結晶の増径部において双晶の発生割合を少なくし、低転位密度の単結晶を歩留り良く育成することのできる化合物半導体結晶の製造装置を提供すること。【解決手段】  種結晶載置部及び増径部を有する成長容器３を、支持部材７により支持して加熱装置８、９内に配置し、半導体融液３を成長容器３内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法又は垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の製造装置において、前記支持部材７が、前記成長容器の増径部３ｂの外周部全面と接触し、且つ増径部３ｂと接触している前記支持部材７の厚さの平均をＴとして、前記の最小厚さがＴ−Ｔ／３より大きく、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より小さくし、好ましくは平均厚さＴを１０mmより大きく構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部に種結晶載置部及び該種結晶載置部から上方に向けて直径が大きくなる増径部を有する成長容器を、支持部材により支持して加熱装置内に配置し、半導体融液を成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法又は垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の製造装置において、
前記支持部材が、前記成長容器の増径部の外周部全面と接触し、且つ増径部と接触している前記支持部材の増径部受け部の厚さの平均をＴとして、前記の最小厚さがＴ−Ｔ／３より大きく、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より小さいことを特徴とする化合物半導体結晶の製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、
前記成長容器の増径部と接触している前記支持部材の増径部受け部の厚さの平均Ｔが１０mmより大きいことを特徴とする化合物半導体結晶の製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、
結晶成長容器が、容器底部に設けられた断面積が小さい種結晶載置部と、これに続く徐々に上方に断面積が増大する増径部と、これに続く断面積が大きくほぼ一定の径を有する結晶育成部とを有し、
また、この結晶成長容器を支持する支持部材が、前記種結晶載置部を収納する中央凹部と、前記増径部の外周部全面に接触しこれを下方から支持する増径部受け部と、前記結晶育成部を被う育成部包囲部と、前記増径部受け部と前記育成部包囲部の境界角部から下方に存在するコ字状断面の基台部とを有し、該基台部の内部が空洞になっていることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体融液を結晶成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法又は垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体については、融点付近で高い蒸気圧を有するために、原料融液上をＢ2Ｏ3等からなる液体封止剤層で覆う液体封止法により、単結晶の成長が行われている。
【０００３】
現在、この液体封止法としては、液体封止引上法（ＬＥＣ法）が知られている。ＬＥＣ法は、結晶の成長と共に引き上げていく方法であり、種付けにより結晶方位が制御可能であり、また高純度結晶を得やすいため工業化されているが、結晶成長時の融液中の温度勾配が大きいため、結晶にかかる熱応力が大きくなり、転位密度が大きくなるという欠点を有している。
【０００４】
これに対し、下部に種結晶載置部及び該種結晶載置部から上方に向けて直径が大きくなる増径部を有する成長容器を、支持部材により支持して加熱装置内に配置し、半導体融液を成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法が知られている。
【０００５】
この垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）および垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）は、容器内に収納した化合物半導体融液を徐々に冷却して化合物半導体単結晶を育成するため、結晶成長時の融液の温度勾配が数℃／cm〜数十℃／cmであって、ＬＥＣ法に比べ一桁小さいため、熱応力が小さく、転位密度が小さいという利点を有している。
【０００６】
しかし、ＶＢ法およびＶＧＦ法では、軸方向の温度勾配が小さいために、微小な温度変動の影響を受けやすく、結晶増径部における双晶の発生確率が高く、単結晶製造の単結晶歩留りを低下させる主な原因となっている。
【０００７】
この点に関し、ＩｎＰ結晶増径部における双晶の発生を抑制する方法として、結晶増径部における成長速度を２０mm／ｈｒ以上として結晶成長させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−３０２０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、ＶＢ法およびＶＧＦ法では、軸方向の温度勾配が小さいために、微小な温度変動の影響を受けやすく、結晶増径部における双晶の発生確率が高く、単結晶製造の単結晶歩留りを低下させる主な原因となっている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１のように結晶増径部における成長速度を２０mm／ｈｒ以上にすることで双晶の発生を抑制したのでは、成長速度を増加させることにより、転位密度が増加するという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、垂直ブリッジマン法又は垂直温度勾配凝固法において、結晶の増径部において双晶の発生割合を少なくし、低転位密度の単結晶を歩留り良く育成することのできる化合物半導体結晶の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１２】
請求項１の発明に係る化合物半導体結晶の製造装置は、下部に種結晶載置部及び該種結晶載置部から上方に向けて直径が大きくなる増径部を有する成長容器を、支持部材により支持して加熱装置内に配置し、半導体融液を成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法又は垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の製造装置において、前記支持部材が、前記成長容器の増径部の外周部全面と接触し、且つ増径部と接触している前記支持部材の増径部受け部の厚さの平均をＴとして、前記の最小厚さがＴ−Ｔ／３より大きく、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より小さいことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、前記成長容器の増径部と接触している前記支持部材の増径部受け部の厚さの平均Ｔが１０mmより大きいことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造装置において、結晶成長容器が、容器底部に設けられた断面積が小さい種結晶載置部と、これに続く徐々に上方に断面積が増大する増径部と、これに続く断面積が大きくほぼ一定の径を有する結晶育成部とを有し、また、この結晶成長容器を支持する支持部材が、前記種結晶載置部を収納する中央凹部と、前記増径部の外周部全面に接触しこれを下方から支持する増径部受け部と、前記結晶育成部を被う育成部包囲部と、前記増径部受け部と前記育成部包囲部の境界角部から下方に存在するコ字状断面の基台部とを有し、該基台部の内部が空洞になっていることを特徴とする。
【００１５】
＜発明の要点＞
本発明では、結晶増径部成長時の温度の変化量を少なくするため、成長容器を支持する支持部材を、成長容器の増径部の外周部全面と接触し、且つ増径部と接触している前記支持部材の増径部受け部の厚さの平均をＴとして、その最小厚さがＴ−Ｔ／３より大きく、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より小さく、好ましくは平均厚さＴが１０mmより大きくなるような構造にした。
【００１６】
本発明では、成長容器を支持する支持部材の増径部受け部を上記のような構造にすることで、結晶増径部成長時の温度の変化量を少なくし、結晶増径部における双晶の発生割合を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように本発明では、下部に種結晶載置部及び該種結晶載置部から上方に向けて直径が大きくなる増径部を有する成長容器を、支持部材により支持して加熱装置内に配置し、半導体融液を成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法又は垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の製造装置において、前記支持部材が、前記成長容器の増径部の外周部全面と接触し、且つ増径部と接触している前記支持部材の増径部受け部の厚さの平均をＴとして、前記の最小厚さがＴ−Ｔ／３より大きく、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より小さくし、好ましくは平均厚さＴを１０mmより大きく構成した。
【００１８】
本発明のこの構成によれば、結晶増径部成長時の温度の変化量を少なくし、結晶増径部における双晶の発生割合を少なくすることができる。そのため、本発明の化合物半導体単結晶の製造装置によれば、低転位密度の単結晶を歩留り良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示す化合物半導体単結晶の製造装置は、チャンバ１内の不活性ガス中で加熱装置（ヒータ８、９）で加熱処理する成長炉として構成されている。そして、この成長炉は、種結晶６とＧａＡｓ原料融液４と液体封止剤５を収容する筒状の結晶成長容器（るつぼ）３と、これを支持する支持部材７と、所定の温度勾配を作ることのできるグラファイト製ヒータ（発熱体）８、９と、成長につれて垂直下方向に移動可能で、上部に上記支持部材７を取り付けた下軸１０から構成される。
【００２１】
結晶成長容器３はＰＢＮ製であり、容器底部に設けられた断面積が小さい種結晶載置部（種結晶収容部）３ａと、これに続く徐々に上方に断面積が増大する増径部３ｂと、これに続く断面積が大きくほぼ一定の径を有する結晶育成部３ｃとを有する。
【００２２】
結晶成長容器（るつぼ）３を下方より支持する支持部材７は、種結晶載置部３ａを収納する中央凹部７ａと、増径部３ｂの外周部全面に接触しこれを下方から支持する増径部受け部７ｂと、結晶育成部３ｃを被う育成部包囲部７ｃと、増径部受け部７ｂと育成部包囲部７ｃの境界角部から下方に存在するコ字状断面の基台部７ｄとを有する。基台部７ｄの内部、すなわち中央凹部７ａと増径部受け部７ｂの下方は空洞７１になっている。そして、基台部７ｄの下部は、下軸１０の頂部に固定されている。
【００２３】
上記支持部材７は、その増径部受け部７ｂが、成長容器の増径部３ｂの外周部全面と接触しており、且つその増径部と接触している増径部受け部７ｂの厚さは、その平均Ｔが１０mmより大きくなっている。ただし、その増径部受け部７ｂの厚さの許容範囲は、最小厚さがＴ−Ｔ／３より大きく、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より小さい。つまり、増径部受け部７ｂの厚さは、（Ｔ−Ｔ／３）〜（Ｔ＋Ｔ／３）の範囲内の厚さとなっている。
【００２４】
増径部受け部７ｂの厚さを上記範囲に設定することで、結晶増径部を成長する時の温度の変化量を少なくし、結晶増径部における双晶の発生割合を少なくすることができる。
【００２５】
本発明は、ＧａＡｓの単結晶成長の他に、例えばＩｎＰ、ＧａＰ等の化合物半導体単結晶成長に応用することも可能である。
【実施例】
【００２６】
本発明の効果を確認するため、下記実施例１、２及び比較例１〜３の如くＧａＡｓ単結晶を試作した。
【００２７】
［実施例１］
図１の製造装置を用いて、化合物半導体単結晶の一つであるＧａＡｓ単結晶を育成した。
【００２８】
支持部材７はグラファイト製であり、支持部材７の厚さは全て１０mmと均一で、結晶成長容器３の増径部３ｂの全面が、支持部材７の増径部受け部７ｂに接触した状態で支持されている。成長容器３の増径部３ｂは垂直方向に対して４５°の角度をなしており、これに応じて支持部材７の増径部受け部７ｂも傾斜付けられている。結晶成長は高圧容器チャンバ１内で圧力０．８ＭＰａで行った。
【００２９】
ＰＢＮ製るつぼである結晶成長容器３に、ＧａＡｓ多結晶原料を６１００ｇと、ｎ型ドーパントとしてＳｉを１．４ｇと、液体封止剤である酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）５を４００ｇと、種結晶６を収容した。その後、炉内にＰＢＮ製るつぼ３をセットした。
【００３０】
セット完了後、炉内を真空引きし、不活性ガスで置換し、上部ヒータ９、下部ヒータ８により昇温して、固液界面の温度勾配が約５℃／cmとなるようにして、種付けを行った。
【００３１】
種付け後、ＰＢＮ製るつぼである結晶成長容器３を２mm／ｈｒの速度で下方に１２０時間移動して結晶成長を行った所、双晶発生のないＧａＡｓ単結晶を得ることができた。同じ条件で２０回成長を行った結果、双晶発生のない単結晶が１８本得られ、単結晶歩留りは９０％であった。
【００３２】
［比較例１］
比較例１として、図２に示すように、支持部材７の代わりに、成長容器３の増径部３ｂと全面で接触しない増径部受け部１７ｂを有する支持部材１７を用いたこと以外、図１と同じ製造装置を用いて、上記実施例１と同様な条件でＧａＡｓ単結晶の成長を行った。
【００３３】
ここでの支持部材１７は、実施例１と同じ厚さの増径部受け部１７ｂが、育成部包囲部７ｃと基台部７ｄの境界部から斜め下方に延在しているが、増径部受け部３ｂの途中までしか斜め下方に延在していない。すなわち、増径部受け部１７ｂは、育成部包囲部７ｃと基台部７ｄの境界部から斜め下方に突き出した形で設けられている。
【００３４】
この増径部受け部１７ｂで、成長容器３の増径部３ｂの一部を支持し、上記実施例１と同様な条件でＧａＡｓ単結晶の成長を計２０回行った。
【００３５】
上記条件で２０回成長を行った結果、双晶発生のない単結晶は１４本得られ、単結晶歩留りは７０％と低かった。従って、支持部材７の増径部受け部７ｂは、結晶成長容器３の増径部３ｂの全面に接触していることが必要である。
【００３６】
［比較例２］
比較例２として、図３に示すように、支持部材７の代わりに、厚さが本発明の範囲を外れた増径部受け部２７ｂを有する支持部材２７を用いたこと以外、図１と同じ製造装置を用いて、上記実施例１と同様な条件でＧａＡｓ単結晶の成長を行った。
【００３７】
ここで支持部材２７の増径部受け部２７ｂの厚さは、その平均の厚さをＴ（１０mm）として、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より大きく、最小厚さがＴ−Ｔ／３より小さい。すなわち、増径部受け部２７ｂのうち、育成部包囲部７ｃと基台部７ｄとの境界部側の部分（根元部）は最大厚さがＴ＋Ｔ／３を越えており、また、増径部受け部２７ｂのうち、中央凹部側の部分（先端部）は最小厚さがＴ−Ｔ／３に満たない。
【００３８】
この条件で２０回成長を行った結果、双晶発生のない単結晶は１６本得られ、単結晶歩留りは８０％と、上記実施例１より低下した。
【００３９】
よって、支持部材２７の増径部受け部２７ｂの厚さは、その平均の厚さをＴとして、最小厚さがＴ−Ｔ／３より大きく、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より小さいことが必要である。
【００４０】
［比較例３］
成長容器３の増径部３ｂを支持している図１の支持部材７の増径部受け部７ｂの平均の厚さをＴとして、Ｔが１０mmより小さいとしたこと以外は、図１と同じ製造装置を用いて、上記実施例１と同様な条件でＧａＡｓ単結晶の成長を行った。
【００４１】
この条件で２０回成長を行った結果、双晶発生のない単結晶は１６本得られ、単結晶歩留りは８０％であり、上記実施例１より低下した。よって、支持部材７は平均の厚さＴが１０mmより大きいことが必要である。
【００４２】
上記実施例ではＧａＡｓ単結晶の製造例について記述したが、本発明はＩｎＰ、ＧａＰ等の化合物半導体単結晶を成長する装置についても適用することができ、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態（実施例１）に係る垂直ブリッジマン法による化合物半導体結晶の製造装置の概略図である。
【図２】比較例１に係る垂直ブリッジマン法による化合物半導体結晶の製造装置の概略図である。
【図３】比較例２に係る垂直ブリッジマン法による化合物半導体結晶の製造装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４４】
３  結晶成長容器（ＰＢＮ製るつぼ）
３ａ  種結晶載置部
３ｂ  増径部
３ｃ  結晶育成部
４  ＧａＡｓ多結晶原料の融液
５  液体封止剤（Ｂ2Ｏ3）
６  種結晶
７  支持部材
７ａ  中央凹部
７ｂ  増径部受け部
７ｃ  育成部包囲部
７ｄ  基台部
７１  空洞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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