(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法であって、
ステップＡ：キャリアガス吸気管（５）を介して炉体（１）に不活性保護ガスを導入し、炉体（１）内の圧力が所定の圧力に達したことを測定する場合に不活性保護ガスの導入を停止すること、
ステップＢ：リン化物の合成に必要な温度に達するまで、炉体（１）内のルツボ（２）を加熱してルツボ（２）内の予め合成された原料を溶融すること、
ステップＣ：キャリアガス吸気管（５）を介して炉体（１）内にキャリアガスを導入すると同時に、キャリアガスの注入量が流出量と等しくなるようにキャリアガス排気管（６）を開けて調整すること、
ステップＤ：リン源炉（４）上の注入管（４−４）が溶融物中に浸漬しまたルツボ（２）の底部近くに下降するまで、赤リンが充填されたリン源炉（４）を下方に移動させること、
ステップＥ：リン源炉（４）で赤リンを加熱してリンガスを発生させ、リンガスをキャリアガスと混合して注入管（４−４）を介して溶融物に注入し、リンガスを溶融物と反応させてリン化物を合成すること、
ステップＦ：合成が完了したら、リン源炉（４）をゆっくり持ち上げ、リン源炉（４）をオフにし、次いでキャリアガスを炉体（１）に導入することを止め、最後にルツボ（２）の加熱を停止することを含み、
ステップＡでキャリアガス吸気管（５）がリン源炉（４）に接続され、不活性保護ガスがキャリアガス吸気管（５）とリン源炉（４）を介して炉体（１）内に入ることを特徴とするキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法。
【請求項２】
ステップＡで設定される所定の圧力は、合成される化合物溶融物に必要とされる解離圧力よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法。
【請求項３】
ステップＣで炉体（１）内に導入するキャリアガスの温度が８５０℃−９００℃であることを特徴とする請求項１に記載のキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法。
【請求項４】
ステップＣで炉体（１）内に設キャリアガス加熱装置（１３）によりキャリアガスを加熱し、加熱後にキャリアガスの温度が８５０℃−９００℃になり、前記キャリアガス吸気管（５）がキャリアガス加熱装置（１３）に接続され、前記キャリアガス加熱装置（１３）がリン源炉（４）に接続され、不活性保護ガスとキャリアガスがキャリアガス吸気管（５）、キャリアガス加熱装置（１３）とリン源炉（４）を介して炉体（１）内に入ることを特徴とする請求項１に記載のキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法。
【請求項５】
ステップＣでキャリアガス排出管（６）から排出されたガスは、高純度の冷却水が充填されたリン吸収器（１２）に導入されることを特徴とする請求項１に記載のキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法。
【請求項６】
前記不活性保護ガスと前記キャリアガスがアルゴンまたは窒素であることを特徴とする請求項１に記載のキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法。
【請求項７】
前記ルツボ（２）が前記炉体（１）の炉室の底部に設けられ、ルツボ加熱装置（３）が前記ルツボ（２）の外側に設けられ、断熱装置（１５）が炉体（１）とルツボ加熱装置（３）との間に設けられ、前記リン源炉（４）がルツボ（２）の上方に位置し、キャリアガス吸気管（５）とキャリアガス排気管（６）が前記炉体（１）に設けられ、前記キャリアガス吸気管（５）は炉体（１）を通過して前記リン源炉（４）に接続され、前記キャリアガス排気管（６）は前記炉体（１）の炉室に接続されることを特徴とする請求項１−６のいずれかに記載のキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法。
【請求項８】
前記リン源炉（４）の構造は、固体リンキャリヤ（４−１）と、前記固体リンキャリヤ（４−１）の外側に位置する断熱スリーブ（４−２）と、前記断熱スリーブ（４−２）内に設けられた電熱線（４−３）及び固体リンキャリヤ（４−１）とルツボ（２）内の溶融物を連通する注入管（４−４）とを含むことを特徴とする請求項７に記載のキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶の合成方法に関し、特にリン化インジウム、リン化ガリウムなどの揮発性元素を含有する化合物の結晶材料の合成に適している。
【背景技術】
【０００２】
リンや硫黄などの元素を含有する化合物は、エレクトロニクス産業において広く使用されており、リン化インジウムとリン化ガリウムのような重要な化合物半導体材料である。それらの独特の物理的性質のために、これらの材料はテラヘルツ、光通信、マイクロ波、ミリ波装置及び耐放射性太陽電池など多くのハイテク分野で広く使用されている。そのため、リンや硫黄などの元素を含有する化合物半導体材料が注目を集めている。
【０００３】
リンや硫黄などの元素を含有する化合物は、解離圧力が高いため（例えば、リン化インジウム２．７５ＭＰａ、リン化ガリウム３．２ＭＰａ）製造が困難である。現在主流となっている技術は、水平ブリッジマン法／水平勾配凝固法（ＨＢ／ＨＧＦ法）及び注入合成法であるが、いずれかの場合も、石英シールの爆発のおそれがあるので、これらの材料を合成して調製することに敷居とコストに限定される。リン酸塩注入合成は、化合物を合成するための非常に効率的かつ迅速な方法であるが、ガスと溶融物との間の強い反応のために、特に逆吸引によるリン泡の爆発を引き起こしやすく、この方法の普及と適用に重大な影響を及ぼす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、キャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法を提供し、不活性保護ガスをキャリアガスとして用い、リン源炉内のリンガスをルツボ内の溶融物に注入してリン化物を合成し、揮発性元素ガスが完全に吸収されて溶融物をリン源炉に逆吸引することを防止する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記技術的問題を解決するために、本発明が採用する技術的解決手段は、キャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法であり、その特徴は、以下のステップを含むことである。
【０００６】
ステップＡ：キャリアガス吸気管を介して炉体に不活性保護ガスを導入し、炉体内の圧力が所定の圧力に達したことを測定する場合に不活性保護ガスの導入を停止する。
【０００７】
ステップＢ：リン化物の合成に必要な温度に達するまで、炉体内のルツボを加熱してルツボ内の予め合成された原料を溶融する。
【０００８】
ステップＣ：キャリアガス吸気管を介して炉体内にキャリアガスを導入すると同時に、キャリアガスの注入量が流出量と等しくなるようにキャリアガス排気管を開けて調整する。
【０００９】
ステップＤ：リン源炉上の注入管が溶融物中に浸漬しまたルツボの底部近くに下降するまで、赤リンが充填されたリン源炉を下方に移動させる。
【００１０】
ステップＥ：リン源炉で赤リンを加熱してリンガスを発生させ、リンガスをキャリアガスと混合して注入管を介して溶融物に注入し、リンガスを溶融物と反応させてリン化物を合成する。
【００１１】
ステップＦ：合成が完了したら、リン源炉をゆっくり持ち上げ、リン源炉をオフにし、次いでキャリアガスを炉体に導入することを止め、最後にルツボの加熱を停止する。
【発明の効果】
【００１２】
１．リン化物の合成中、キャリアガス吸気管を介してキャリアガス（窒素、アルゴンなどの不活性保護ガス）を導入し、溶融物中にリンガスがスムーズに注入されるように、揮発性元素ガスが完全に吸収された後に溶融物がリン源炉に逆吸引されないように、キャリアガスが役割を果たす；２．リンガス吸収器を添加することにより、リンガスが環境を汚染することを防止することができる；３．ステップ全体が安定的で、合成効率が高く、揮発性ガスキャリヤの爆発が起こりにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は本発明に係るキャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法において炉体の内部構造を示す図である。
【図２】図２は図１に係るリン源炉とガス加熱装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００１４】
１：炉体、２：ルツボ、３：ルツボ加熱装置、４：リン源炉、４−１：固定リンキャリヤ、４−２：断熱ジャケット、４−３：電熱線、４−４：注入管、５：キャリアガス吸気管、６：キャリアガス排気管、７：第１の減圧弁、８：第１の流量計、９：第２の減圧弁、１０：第２の流量計、１１：圧力計、１２：リン吸収器、１３：キャリアガス加熱装置、１３−１：キャリアガス加熱管、１３−２：キャリアガス加熱断熱室、１３−３：キャリアガス電熱線、１３−４：キャリアガス注入管、１３−５：キャリアガス加熱多管配管、１４：観察窓、１５：断熱装置、１６：接続スリーブ、１７：断熱層。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、キャリアガスを用いてリン化物インサイチュー注入合成を行う方法を提供し、キャリアガスを用いてリンガスを溶融物にスムーズに注入してリン化物を合成し、溶融物がリン源炉に逆吸引されることを防止する。
【実施例１】
【００１６】
ステップＡ：キャリアガス吸気管５を介して炉体１に不活性保護ガスを導入し、炉体１内の圧力が所定の圧力に達したことを測定する場合に不活性保護ガスの導入を停止する。このステップで設定される所定の圧力は、合成される化合物溶融物に必要とされる解離圧力よりも大きい。
【００１７】
本実施形態において、キャリアガス吸気管５がリン源炉４に接続され、不活性保護ガス（窒素又はアルゴン）及びキャリアガス（窒素又はアルゴン）がいずれもリン源炉４を通過して炉体１内に入る。
【００１８】
ステップＢ：リン化物の合成に必要な温度に達するまで、炉体１内のルツボ２を加熱してルツボ２内の予め合成された原料を溶融する。
【００１９】
ステップＣ：キャリアガス吸気管５を介して炉体１内にキャリアガスを導入すると同時に、キャリアガスの注入量が流出量と等しくなるようにキャリアガス排気管６を開けて調整する。本ステップにおいて、導入されるキャリアガスの温度が８５０℃−９００℃である。
【００２０】
キャリアガス吸気管５には、第１の減圧弁７と第１の流量計８が設けられ、第１の減圧弁７と第１の流量計８が炉体１の外部に配置される。キャリアガス排出管６には、第２の減圧弁９と第２の流量計１０が設けられ、第２の減圧弁９と第２の流量計１０が炉体１の外部に配置される。減圧弁と流量計を設置することにより、キャリアガスの流量と充填圧力を制御することができ、充填のキャリアガスの圧力は炉体１内部の圧力よりも大きい。
【００２１】
キャリアガス排出管６から排出されたガスは、高純度の冷却水が充填されたリン吸収器１２に導入され、ステップＥにおいて未反応のリンガスを吸収して環境汚染を防止するとともに、排出して固体に冷却されたリンを回収して再利用することができる。
【００２２】
ステップＤ：リン源炉４上の注入管４−４が溶融物中に浸漬しまたルツボ２の底部近くに下降するまで、赤リンが充填されたリン源炉４を下方に移動させる。
【００２３】
ステップＥ：リン源炉４で赤リンを加熱してリンガスを発生させ、リンガスをキャリアガスと混合して注入管４−４を介して溶融物に注入し、リンガスを溶融物と反応させてリン化物を合成する。
【００２４】
ステップＦ：合成が完了したら、リン源炉４をゆっくり持ち上げ、リン源炉４をオフにし、次いでキャリアガスを炉体１に導入することを止め、最後にルツボ２の加熱を停止する。
【実施例２】
【００２５】
ステップＡ：キャリアガス吸気管５を介して炉体１に不活性保護ガスを導入し、炉体１内の圧力が所定の圧力に達したことを測定する場合に不活性保護ガスの導入を停止する。このステップで設定される所定の圧力は、合成される化合物溶融物に必要とされる解離圧力よりも大きい。
【００２６】
実施形態１との相違点は、本実施形態において、キャリアガス吸気管５がキャリアガス加熱装置１３に接続され、キャリアガス加熱装置１３がリン源炉４に接続され、不活性保護ガス及びキャリアガスがキャリアガス吸気管５、キャリアガス加熱装置１３及びリン源炉４を通過して炉体１内に入る。
【００２７】
ステップＢ：リン化物の合成に必要な温度に達するまで、炉体１内のルツボ２を加熱してルツボ２内の予め合成された原料を溶融する。
【００２８】
ステップＣ：キャリアガス吸気管５を介して炉体１内にキャリアガスを導入すると同時に、キャリアガスの注入量が流出量と等しくなるようにキャリアガス排気管６を開けて調整する。本ステップにおいて、加熱した後にキャリアガスの温度が８５０℃−９００℃になるように、キャリアガス加熱装置１３を介してキャリアガスを加熱する。
【００２９】
キャリアガス吸気管５には、第１の減圧弁７と第１の流量計８が設けられ、第１の減圧弁７と第１の流量計８が炉体１の外部に配置される。キャリアガス排出管６には、第２の減圧弁９と第２の流量計１０が設けられ、第２の減圧弁９と第２の流量計１０が炉体１の外部に配置される。減圧弁と流量計を設置することにより、キャリアガスの流量と充填圧力を制御することができ、充填のキャリアガスの圧力は炉体１内部の圧力よりも大きい。
【００３０】
キャリアガス排出管６から排出されたガスは、高純度の冷却水が充填されたリン吸収器１２に導入され、ステップＥにおいて未反応のリンガスを吸収して環境汚染を防止するとともに、排出された固体に冷却したリンをさらに回収して再利用することができる。
【００３１】
ステップＤ：リン源炉４上の注入管４−４が溶融物中に浸漬しまたルツボ２の底部近くに下降するまで、赤リンが充填されたリン源炉４及びキャリアガス加熱装置１３を下方に移動させる。
【００３２】
ステップＥ：リン源炉４で赤リンを加熱してリンガスを発生させ、リンガスをキャリアガスと混合して注入管４−４を介して溶融物に注入し、リンガスを溶融物と反応させてリン化物を合成する。キャリアガス及び未反応のリンガスが溶融物から溢れて出て炉体１の炉室内に入る。
【００３３】
ステップＦ：合成が完了したら、リン源炉４をゆっくり持ち上げ、リン源炉４をオフにし、次いでキャリアガスを炉体１に導入することを止め、最後にルツボ２の加熱を停止する。
【００３４】
以上の実施形態において、不活性保護ガスとキャリアガスは、窒素又はアルゴンである。
【００３５】
図１と２に示すように、本発明では、ルツボ２が炉体１の炉室の底部に設けられ、ルツボ加熱装置３がルツボ２の外側に設けられ、断熱装置１５が炉体１とルツボ加熱装置３との間に設けられ、リン源炉４がルツボ２の上方に位置し、キャリアガス吸気管５とキャリアガス排気管６が炉体１に設けられ、キャリアガス吸気管５が炉体１を通過してリン源炉４に接続され、キャリアガス排気管６が炉体の炉室に接続される。
【００３６】
炉体１には圧力計１１が設けられ、炉内の圧力を容易に観察することができる。炉体１に観察窓１４が設けられ、合成過程を容易に観察することができる。
【００３７】
リン源炉４の構造は、固体リンキャリヤ４−１と、固体リンキャリヤ４−１の外側に位置する断熱スリーブ４−２と、断熱スリーブ４−２内に設けられた電熱線４−３及び固体リンキャリヤ４−１とルツボ２内の溶融物を連通する注入管４−４とを含む。
【００３８】
キャリアガス吸気管５上にはガス加熱装置１３が設けられ、キャリアガス加熱装置１３は炉体１の炉内に位置する。ガス加熱装置１３の構造は、キャリアガス加熱断熱室１３−１を有するキャリアガス加熱管１３−１、キャリアガス加熱管１３−１に設けられたキャリアガス電熱線１３−３及びキャリアガス加熱管１３−１とリン源炉４を連通するキャリアガス注入管１３−４とを含む。キャリアガス加熱管１３−１内にキャリアガス加熱多管配管１３−５が設けられる。
【００３９】
接続スリーブ１６内にリン源炉４とキャリアガス加熱装置１３が設けられ、リン源炉４とキャリアガス加熱装置１３との間にさらに断熱層１７が設けられる。接続スリーブ１６を設けることにより、リン源炉４とキャリアガス加熱装置１３とが一体化になり、キャリアガス吸気管５が接続スリーブ１６に接続される。セットの支持昇降装置によりキャリアガス吸気管５の上下移動を駆動させ、それによりリン源炉４とキャリアガス加熱装置１３を上下移動させる。
【００４０】
説明されるものは、以上の実施形態は、本発明の技術的解決手段を説明するためのものであって、これを制限するものではない。好適な実施形態を参照しながら本発明を詳細に説明したが、当業者であれば：本発明の具体的な実施形態に対する修正や一部の技術的特徴を置き換えることができる。本発明の技術的解決手段の精神を逸脱することなく、いずれも本発明によって主張される技術的解決手段の範囲内に含まれるべきものである。
【図１】
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【図２】
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