專利名稱：化合物半導體單晶體生長用容器以及使用其的化合物半導體單晶體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化合物半導體單晶體的晶體生長用容器以及使用其的化合物半導體單晶體的制造方法。尤其適用于砷化鎵(以下記作GaAs)、磷化銦(以下記作InP)、磷化鎵(以下記作GaP)之類的閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的化合物半導體單晶體的晶體生長用容器。
背景技術(shù)：
GaAs和InP等的化合物半導體單晶體的生長方法中的一種是在生長用容器(坩堝)中注入原料熔體，由預先配置于該生長用容器的底部的晶種開始晶體生長，逐漸向上方進行結(jié)晶化，最終使全部原料熔體結(jié)晶的晶體生長方法(縱型船法)。其中，有通過在調(diào)整到規(guī)定溫度分布的熱場內(nèi)將坩鍋從高溫部向低溫部移動，進行晶體生長的垂直坩鍋下降(Bridgman)法(VB法)，和通過保持幾乎一定的溫度梯度慢慢降溫，進行晶體生長的垂直溫度梯度凝固法(VGF法)。一般所知的是，由于縱型船法與提拉法相比，能夠在更小的溫度梯度下進行晶體生長，因而可得到錯位等結(jié)晶缺陷少的化合物半導體單晶體。
用于該縱型船法的生長用容器(坩鍋)1，通常，如圖3所示，使用具有下述形狀的生長用容器其具有作為下端的晶種容納部的井狀的細徑部1a、從該細徑部向上方直徑變大的倒圓錐臺形的管狀的增徑部1b、以及在該增徑部上方作為晶體生長部而延伸的直徑幾乎一定的筒狀的定徑部1c。
使用該生長用容器，以縱型船法生長GaAs等閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的化合物半導體單晶體時，增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度和雙晶的發(fā)生概率之間存在密切關(guān)系，這是大家所知道的。
已知的是，由于一般情況下GaAs單晶體等發(fā)生(100)定向的單晶體的生長，因而在增徑部出現(xiàn)刻面(111)，從該刻面產(chǎn)生雙晶。由于(100)面和(111)面的構(gòu)成角度是54.7°，一般將圖3所示的增徑部1b的內(nèi)壁構(gòu)成角度a設(shè)定為[180°-54.7°]，即70.6°或其以下。但是，當增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度a減小時，得到的單晶體就會變成增徑部的長晶體，晶片的收率降低，生產(chǎn)性不好。因此，盡管也進行了將增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度a定為80°～100°左右的嘗試，但從抑制雙晶產(chǎn)生的觀點看，仍不能取得足夠的效果。
此外，特開平5-194073號公報(專利文獻1)中公開了，基于使用增徑部的內(nèi)壁的構(gòu)成角度a為160°～200°這樣的坩鍋，使晶種附近區(qū)域處于局部過冷卻狀態(tài)，沿大致水平方向生長結(jié)晶，再使固相和液相的邊界面(以下記作“固液界面”)于熔體側(cè)生長形成凸形后，以5℃/cm～15℃/cm的溫度梯度冷卻原料熔體使其固化的晶體生長方法。
此外，特開平10-87392號公報(專利文獻2)中公開了，基于使用增徑部的內(nèi)壁的構(gòu)成角度a大于等于160°且小于180°這樣的坩鍋，將晶體生長時至少增徑部的生長方向的溫度梯度控制在大于等于1℃/cm且小于5℃/cm的晶體生長方法。
專利文獻1特開平5-194073號公報專利文獻2特開平10-87392號公報發(fā)明內(nèi)容然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，上述特開平5-194073號公報和特開平10-87392號公報所公開的晶體生長方法中，存在如下問題。
特開平5-194073號公報中，為控制固液界面在熔體側(cè)形成凸形狀的溫度分布，必須使得冷卻時的溫度梯度大于等于5℃/cm。但是，溫度梯度大于等于5℃/cm時，原料熔體中的對流所致的溫度波動變大，很難充分抑制雙晶或多晶體的發(fā)生。此外，由于為控制溫度分布而在熱沉(heat sink)中配置了冷卻溶劑，因而，也有耗費大的成本等成本方面的問題。
特開平10-87392號公報中，基于使用增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度a為大于等于160°且小于180°之類的坩鍋，而必須使得晶體生長時至少增徑部的生長方向的溫度梯度大于等于1℃/cm且小于5℃/cm。但是，當控制增徑部的內(nèi)壁的構(gòu)成角度a大于等于160°且小于180°，且生長方向的溫度梯度大于等于1℃/cm且小于5℃/cm時，難以控制肩部的原料熔體的過冷卻，助長(111)刻面的生長、對雙晶的發(fā)生也難以充分抑制。此外，由于溫度梯度小、肩部角度變大，存在從晶種部以外產(chǎn)生結(jié)晶核、易形成多晶體的問題。
因此，本發(fā)明的目的在于提供以下技術(shù)方案在縱型船法中的單晶體的晶體生長用容器中，解決上述以往技術(shù)的問題；在縱型船法中的晶體生長中，不需要復雜設(shè)備；在結(jié)晶增徑部中，抑制雙晶、多晶體產(chǎn)生；能夠以高收率制造化合物半導體單晶體、尤其是制造GaAs等閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的化合物半導體單晶體的單晶體生長用容器以及使用其的化合物半導體單晶體的制造方法。
為達到上述目的，本發(fā)明是由如下構(gòu)成的。
權(quán)利要求1的化合物半導體單晶體生長用容器，其特征在于，在具有作為晶種容納部的細徑部、從該細徑部向上方直徑變大的增徑部、以及從該增徑部向上方延伸的作為晶體生長部的筒狀的定徑部的化合物半導體單晶體生長用容器中，生長用容器的增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°。
權(quán)利要求2的化合物半導體單晶體生長用容器，其特征在于，在第1項發(fā)明所述的化合物半導體單晶體生長用容器中，所述細徑部為圓管狀，所述定徑部為直徑幾乎一定的圓筒狀，連接二者的所述增徑部為倒圓錐臺的管狀。
權(quán)利要求3的化合物半導體單晶體的制造方法，其特征在于，在將原料熔體注入生長用容器，通過預先配置于該生長用容器的底部的晶種開始晶體生長，緩慢向上方進行結(jié)晶化，最終使全部原料熔體都發(fā)生結(jié)晶化的化合物半導體單晶體的制造方法中，作為生長用容器，使用具有作為晶種容納部的細徑部、從該細徑部向上方直徑變大的增徑部、以及從該增徑部向上方延伸的作為晶體生長部的筒狀的定徑部的容器，且該增徑部的內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°的容器來制造化合物半導體單晶體。
權(quán)利要求4的化合物半導體單晶體的制造方法，其特征在于，在第3項發(fā)明所述的化合物半導體單晶體的制造方法中，作為生長用容器，使用具有作為晶種容納部的圓管狀的細徑部、從該細徑部向上方直徑變大的倒圓錐臺的管狀的增徑部、以及從該增徑部向上方延伸的作為晶體生長部的直徑幾乎一定的圓筒狀的定徑部的容器，且該增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°的容器來制造化合物半導體單晶體。
以縱型船法生長GaAs等閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的化合物半導體單晶體時，一般發(fā)生(100)定向的單晶體的生長。已知道，此時在增徑部出現(xiàn)(111)刻面，從該刻面產(chǎn)生雙晶。一般認為，當刻面晶體深度生長時易產(chǎn)生雙晶。此外，刻面的深度和單晶體生長用容器的增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度有關(guān)。
本發(fā)明通過使用以縱型船法使化合物半導體單晶體生長的單晶體生長用容器，且該容器的增徑部的內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°，從而抑制容器的增徑部的雙晶、多晶的產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明，由于采用生長用容器的增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°的構(gòu)造，因而，在以VB法或VGF法進行化合物半導體單晶體的晶體生長中，不需要復雜設(shè)備，可抑制結(jié)晶增徑部的雙晶、多晶體的產(chǎn)生，以高收率制造化合物半導體單晶體、尤其是GaAs等閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的化合物半導體單晶體。此外，由于生長用容器的結(jié)構(gòu)簡單，因此，生長用容器的制作容易，使用其制造單晶體時，可以大幅提高經(jīng)濟效益。


圖1是本實施例中的單晶體生長用容器的縱截面圖；圖2是本實施例中的包含單晶體生長用容器的晶體生長裝置的截面圖；圖3是顯示以往的單晶體生長用容器的圖，(a)是其縱截面圖、(b)是其A-A’截面圖。
其中，1 晶體生長用容器1a 細徑部1b 增徑部1c 定徑部2 GaAs晶種3 壓力容器4a、4b、4c加熱器5a GaAs原料熔體5b GaAs單晶體6 液體封閉劑B2O3熔體層a 增徑部的內(nèi)壁的構(gòu)成角度
b 生長結(jié)晶部直徑c 生長結(jié)晶部長度d 晶種部直徑具體實施方式
以下，根據(jù)圖示的實施方式對本發(fā)明進行說明。
圖1中顯示了本實施方式的化合物半導體單晶體生長用容器的縱截面。該晶體生長用容器1是用熱解氮化硼(Pyrolitic Boron Nitride)(以下，記作PBN)制，和以往一樣，其具有作為下端晶種容納部的井狀的細徑部1a、從該細徑部向上方直徑變大的倒圓錐臺形的管狀的增徑部1b、以及從該增徑部向上方作為晶體生長部而延伸的直徑幾乎一定的筒狀的定徑部1c。但是，和以往不同，該晶體生長用容器1的增徑部1a的構(gòu)成角度a被設(shè)定為大于等于120°且小于160°。
該晶體生長用容器1可用于VB法或VGF法中，即在容器中裝入原料熔體，從預先配置于容器底部的晶種開始晶體生長，緩慢向上方進行結(jié)晶化，最終使全部原料熔體都結(jié)晶化來制造化合物半導體單晶體。由此，在不需要復雜設(shè)備的情況下，即可抑制結(jié)晶增徑部的雙晶、多晶的產(chǎn)生，以高收率制造GaAs等閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的化合物半導體單晶體。
為確認本發(fā)明的生長用容器的效果，如下述的實施例和對比例說明GaAs單晶體的生長。
實施例使用圖1、圖2對本發(fā)明的實施例進行說明。圖1顯示本實施例中使用的晶體生長用容器的縱截面圖，圖2顯示含有本實施例中的晶體生長用容器的晶體生長裝置的截面圖。
作為本發(fā)明的實施例，以作為化合物半導體之一的GaAs單晶體的生長情況為例，進行如下說明。此時，作為晶體生長用容器1，使用肩部角度a＝140°、其它條件是，作為生長結(jié)晶部的定徑部1c的直徑b＝80mm，作為生長結(jié)晶部的定徑部1c的長度c＝300mm，作為晶種部的細徑部1a的直徑d＝10mm的晶體生長用容器。
以下，用圖2進行說明。首先，在晶體生長用容器1的底部的晶種容納部中插入GaAs晶種2，接著，在晶體生長用容器1內(nèi)，投入GaAs多晶體原料10,000g，和液體封閉劑三氧化硼(以下記作B2O3)500g(未圖示)。將晶體生長用容器1裝入壓力容器3中，以惰性氣體取代壓力容器3內(nèi)的空氣，將上下三段的加熱器4a、4b、4c通電，使GaAs多晶體原料熔化，得到GaAs原料熔體5a和液體封閉劑B2O3熔體層，進行接種。圖2中，盡管記載的是GaAs單晶體5b，但在此刻，僅是GaAs原料熔體5a。
接著，設(shè)定溫度梯度為6℃/cm，采用使晶體生長用容器以5mm/hr的速度下降的垂直坩鍋下降法(VB法)，緩緩進行GaAs單晶體5b的生長。此外，圖2中，7表示晶體生長用容器的支持冶具，8表示絕熱筒。
以上述方法，進行50次GaAs單晶體的生長。其結(jié)果是，從結(jié)晶接種部到晶體生長最終部的總單晶體(以下記作總單晶體，All Single)的比例大于等于80％，在增徑部產(chǎn)生的雙晶的比例小于等于5％、多晶體的比例小于等于3％。
對比例1除單晶體生長用容器的增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度a小于120°以外，其余條件和實施例在相同，進行50次GaAs單晶體的生長。其結(jié)果是，總單晶體的比例小于等于40％，在增徑部產(chǎn)生的雙晶的比例大于等于15％、多晶體的比例小于等于3％。
對比例2除單晶體生長用容器的增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度a大于等于160°以外，其余條件和實施例相同，進行50次GaAs單晶體的生長。其結(jié)果是，總單晶體的比例小于等于65％，在增徑部產(chǎn)生的雙晶的比例小于等于5％、多晶體的比例大于等于15％。
對比例3當單晶體生長用容器的增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度a大于等于120°且小于160°時(條件1)、當增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度a小于120°時(條件2)、當增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度a大于等于160°時(條件3)，觀察溫度梯度和總單晶體的比例關(guān)系。
在實施例中，雖然溫度梯度均設(shè)定為6℃/cm，但在溫度梯度發(fā)生變化的情況下的(條件1)、(條件2)、(條件3)的總單晶體的比例，通常是(條件1)(a大于等于120°且小于160°時)的比例高于(條件2)(a小于120°時)和(條件3)(a大于等于160°時)的比例。
其它實施例上述實施例中，針對利用垂直坩鍋下降法(VB)進行的GaAs單晶體生長的晶體生長用容器進行了描述。但是，本發(fā)明并不局限于GaAs的單晶體生長，也適用于采用垂直坩鍋下降法進行InP、GaP等閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的化合物半導體的單晶體的生長時的晶體生長用容器，可得到相同效果。
此外，可適用于VB法以外的縱型船法，例如VGF法。
以本發(fā)明的晶體生長用容器得到的化合物半導體單晶體，與以往的方法相比，不僅總單晶體的比例高，而且與以往方法得到的化合物半導體單晶體相比，轉(zhuǎn)位等結(jié)晶缺陷少。這是因為在以往方法的情況下，即使是總單晶體，在未發(fā)展到嵌晶、亞晶界時，轉(zhuǎn)位就已聚集。本發(fā)明得到的化合物半導體單晶體單晶片，在使用其制成元件時，可以防止由于轉(zhuǎn)位等結(jié)晶缺陷所致的元件產(chǎn)率的下降。因此，本發(fā)明所產(chǎn)生的工業(yè)生產(chǎn)性的經(jīng)濟效益表現(xiàn)多方面。
權(quán)利要求
1.化合物半導體單晶體的晶體生長用容器，包括容納晶種的細徑部、從該細徑部向上方直徑變大的增徑部、以及從該增徑部向上方延伸的作為晶體生長部的筒狀的定徑部，其特征在于，生長用容器的增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體生長用容器，其中，所述細徑部為圓管狀，所述定徑部為直徑幾乎一定的圓筒狀，連接細徑部和定徑部的所述增徑部為倒圓錐臺的管狀。
3.化合物半導體單晶體的制造方法，其包括將原料熔體注入生長用容器，通過預先配置于該生長用容器的底部的晶種開始晶體生長，緩慢向上方進行結(jié)晶化，最后使原料熔體完全結(jié)晶化，其特征在于，作為生長用容器，使用具有作為晶種容納部的細徑部、從該細徑部向上方直徑變大的增徑部、以及從該增徑部向上方延伸的作為晶體生長部的筒狀的定徑部的容器，且該增徑部的內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°的容器來制造化合物半導體單晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化合物半導體單晶體的制造方法，其特征在于，作為生長用容器，使用具有作為晶種容納部的圓管狀的細徑部、從該細徑部向上方直徑變大的倒圓錐臺的管狀的增徑部、以及從該增徑部向上方延伸的作為晶體生長部的直徑幾乎一定的圓筒狀的定徑部的容器，且該增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°的容器來制造化合物半導體單晶體。
全文摘要
本發(fā)明提供在以VB法或VGF法制造化合物半導體單晶體中，不需要復雜的設(shè)備，可抑制結(jié)晶增徑部的雙晶、多晶體的產(chǎn)生，以高收率制造化合物半導體單晶體的單晶體生長用容器。在具有作為晶種容納部的細徑部、從該細徑部向上方直徑變大的增徑部、以及從該增徑部向上方延伸的作為晶體生長部的筒狀的定徑部的化合物半導體單晶體生長用容器中，該增徑部內(nèi)壁的構(gòu)成角度大于等于120°且小于160°。
文檔編號C30B9/00GK1683606SQ200510055428
公開日2005年10月19日 申請日期2005年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者和地三千則, 佐佐邊博, 山本俊輔 申請人:日立電線株式會社