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JPH01164800A - Semi-insulating gallium arsenide single crystal - Google Patents

Semi-insulating gallium arsenide single crystal

Info

Publication number
JPH01164800A
JPH01164800A JP32169587A JP32169587A JPH01164800A JP H01164800 A JPH01164800 A JP H01164800A JP 32169587 A JP32169587 A JP 32169587A JP 32169587 A JP32169587 A JP 32169587A JP H01164800 A JPH01164800 A JP H01164800A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
concentration
crystal
semi
oxygen
gaas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP32169587A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masayoshi Aoyama
正義 青山
Seiji Mizuniwa
清治 水庭
Toru Kurihara
徹 栗原
Mitsuaki Onuki
大貫 光明
Seiichi Okubo
誠一 大久保
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Cable Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Cable Ltd filed Critical Hitachi Cable Ltd
Priority to JP32169587A priority Critical patent/JPH01164800A/en
Publication of JPH01164800A publication Critical patent/JPH01164800A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、半絶縁性の砒化ガリウム単結晶に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION "Field of Industrial Application" The present invention relates to semi-insulating gallium arsenide single crystals.

[従来の技術] 近年、砒化ガリウム(GaAs)ICの開発が進むにつ
れ、高品位の半絶縁性GaASの要求が高まりつつある
[Prior Art] In recent years, as the development of gallium arsenide (GaAs) ICs progresses, the demand for high-quality semi-insulating GaAS is increasing.

従来高比抵抗GaASの製造法としては、特公昭4.2
−、1 /1.96 =1号に示されているにうに引上
法又はボート法において、QaΔS融液にクロム(Cr
 )を添加して製造する方法が提案されている。
Conventional methods for manufacturing high resistivity GaAS include
-, 1/1.96 = In the Niuni-pulling method or boat method shown in No. 1, chromium (Cr
) has been proposed.

従来技術(1) 従来、熱的安定性のあるOr支配型のCr−酸素半絶縁
QaΔS結晶の製造方法が提案されており、結晶中の酸
素濃度及びシリ」ン(Si)1度の関係について種々)
ボべられでいる。
Prior art (1) A method for manufacturing a thermally stable Or-dominated Cr-oxygen semi-insulating QaΔS crystal has been proposed, and the relationship between the oxygen concentration in the crystal and silicon (Si) degree has been investigated. many kinds)
I'm bored.

例えば、結晶中の酸素濃度については、特公昭59〜1
9911及び特公昭59−29557に酸素濃度が4×
1016cm3以上の場合、結晶が半絶縁性になったと
いう記載がある。
For example, regarding the oxygen concentration in crystals,
9911 and Special Public Service No. 59-29557 have an oxygen concentration of 4×
There is a description that when the thickness is 1016 cm3 or more, the crystal becomes semi-insulating.

−・方、GaAS結晶中の5ili1度については、特
公昭53−4−6070に、はぼ1015cm ’−3
以ドにするという記載、特公昭59−1911に、5X
 10”cm’<S i < 2X 10””cm−3
にするという記載、特公昭59−46918に、テルル
、3iのうち少なくとも一種の濃度で5×1015cm
’より大きくするという記載、特公昭59−29557
に、Si<2X1015以下にづるという記載があり、
8181度は1 X 10 ”’cm−3以下に抑える
ことが望ましいと考えられる。
-・For 5ili 1 degree in GaAS crystal, in Japanese Patent Publication No. 53-4-6070, 1015 cm '-3
There is a description that it will be made into a
10"cm'<S i <2X 10""cm-3
There is a description in Japanese Patent Publication No. 59-46918 that the concentration of at least one of tellurium and 3i is 5 x 1015 cm.
'Description of making it larger than ', Special Publication No. 59-29557
There is a statement that Si<2X1015 or less,
It is considered desirable to suppress the angle of 8181 degrees to 1×10″'cm-3 or less.

従来技術(2) Cr或いはFeドープ半絶縁結晶を石英材質のボートを
用いて製造する場合には、S1汚染が起こるのでCr或
いは「e等の深いアクゼブタ不純物を多量に添加する必
要があった。
Prior Art (2) When a Cr- or Fe-doped semi-insulating crystal is manufactured using a boat made of quartz material, S1 contamination occurs, so it is necessary to add a large amount of deep acrylic impurities such as Cr or E.

3i汚染の防止法としては、△5203或いはG a 
20等の形で酸素をドープする方法があり、以下に示す
ように、その効果が説明或いは引用されている。
As a method to prevent 3i contamination, △5203 or Ga
There is a method of doping oxygen in the form of 20, etc., and its effects are explained or cited as shown below.

文献 ■  C,N、Cochran  et  al  :
  J  トlectrochem。
Literature ■ C, N, Cochran et al:
J electrochem.

Soc 109(1962)149゜ ■  J、E、Woods  and  N、G  八
1nslie  :  J、Appl、Phys。
Soc 109 (1962) 149゜■ J, E, Woods and N, G 81nslie: J, Appl, Phys.

34(1963)1469゜ ■  J、H,11oodall:Transacti
ons  Met、  Soc、AINF。
34 (1963) 1469゜■ J, H, 11oodall: Transacti
ons Met, Soc, AINF.

239(1967)378゜ ■ 松判(1!! :住友電気、 97(1968)1
27■ 鈴木他:第12回半導体専門講習会予稿集■ 
赤井:京都人学工学部学位論文(1975)GaAs中
への3i汚染はGaAsメル1〜中のQaのボートの月
質であるS i O2との (1)式の反応にJ:つ−
c /1−すると考えられている。
239 (1967) 378゜■ Matsuban (1!!: Sumitomo Electric, 97 (1968) 1
27■ Suzuki et al.: Proceedings of the 12th Semiconductor Specialized Seminar■
Akai: Kyoto Faculty of Humanities and Engineering Dissertation (1975) 3i contamination into GaAs is caused by the reaction of equation (1) with SiO2, which is the moon substance of the Qa boat in GaAs Mel 1~
c/1-.

(上記文献■〜■)。(References ■~■ above).

4Ga(L)(in  GaAs)+SiO(S)<−
3i(L)(in  GaAs)→2Ga  0(G)
  ↑   ・  (1)(S、固体 1°液体 G、
固体) 一方、(1)式で発生したGa2Oガスは、反応容器内
で(2)式の反応が起こりGa2OガスがGa2O3の
形で反応容器内低温部へ析出するといわれている。
4Ga(L)(in GaAs)+SiO(S)<-
3i (L) (in GaAs) → 2Ga 0 (G)
↑ ・ (1) (S, solid 1° liquid G,
On the other hand, it is said that the Ga2O gas generated in equation (1) undergoes a reaction in equation (2) within the reaction vessel, and the Ga2O gas is deposited in the form of Ga2O3 in the low temperature part of the reaction vessel.

3Ga  0(G)+^3Δ(G)、ITI:Ga  
O(S)+4Ga八5(S)    −’・ (2)反
応容器内の低温部即ち拡散障壁部の温度が低い場合に、
Ga2O3の析出が促進されるに伴って、Ga2Oガス
が消費されるので (1)式の反応が右へ進み3iの汚
染が増大するといわれ、この考えに従つ(−電気的特性
等の間接的、測定結果を基に理論が組立てられて来た。
3Ga 0(G)+^3Δ(G), ITI:Ga
O(S)+4Ga85(S)-'. (2) When the temperature of the low temperature part in the reaction vessel, that is, the diffusion barrier part is low,
It is said that as the precipitation of Ga2O3 is promoted, Ga2O gas is consumed, so the reaction in equation (1) moves to the right and contamination of 3i increases. , theories have been constructed based on the measurement results.

現在まで主流となっている考え方はWooda l l
(前記文献■)のAS203添加による3i低減の考え
方であり、次の(3)〜(8)式から導入される (9
)式に示されるように、Ga2Oガスに対すρ る拡散障壁の抵抗(−一)及び結晶成長速度(V)が一
定である場合にはGaAS結晶中の81濃度が結晶の同
化が進むにつれて高くなることを示す式である。しかし
我々の実験結果は後に示すようにこの式たりでは説明で
きない。
The mainstream way of thinking until now is Wooda l l
This is the idea of reducing 3i by adding AS203 in (the above-mentioned document ■), and it is introduced from the following equations (3) to (8) (9
), when the resistance of the diffusion barrier to Ga2O gas (-1) and the crystal growth rate (V) are constant, the 81 concentration in the GaAS crystal increases as the assimilation of the crystal progresses. This is an expression that shows that However, as will be shown later, our experimental results cannot be explained using this formula.

まず記号を説明し、次に計算過程を示す、。First, we will explain the symbols and then show the calculation process.

P:Ga2Oガス圧、D:へS蒸気圧1気圧FでのGa
2Oガスの拡散係数、Po:初期Ga2Oガス圧力、P
  :1100℃におけるGa2oのガス圧ノJ、V:
結晶成長速度、X:結晶の長手方向の長さ、t:時間、
A:拡散障壁部隙間面積1、O:拡散障壁部の隙間長さ
、■:石英アンプル高温側自由空間体積。
P: Ga2O gas pressure, D: Ga at S vapor pressure 1 atm F
Diffusion coefficient of 2O gas, Po: Initial Ga2O gas pressure, P
: Gas pressure of Ga2o at 1100°C J, V:
Crystal growth rate, X: length of crystal in longitudinal direction, t: time,
A: Diffusion barrier gap area 1, O: Diffusion barrier gap length, ■: Free space volume on the high temperature side of the quartz ampoule.

以下(7)式を導入する計算式を示す。The calculation formula for introducing formula (7) is shown below.

Fickの第1法則から 初期分圧[〕。からt時開時間[〕のガス圧になるとす
ると、 (3)式を積分して (4)式を得る。
From Fick's first law, the initial partial pressure [ ]. Assuming that the gas pressure becomes t at the opening time [ ], then we integrate equation (3) to obtain equation (4).

時間tがOに近い場合はP  >Plど考えられるので
次の (5)式を得る。
When the time t is close to O, it is possible that P > Pl, so the following equation (5) is obtained.

一方、 (1)式から C(GaAs中の5iilfti度) =K (T) 
/P2・・・ (6) (ここでに:平衡定数) (6)式に (5)式を代入して (7)式を得る。
On the other hand, from equation (1), C (5iilfti degree in GaAs) = K (T)
/P2... (6) (Here: equilibrium constant) Substitute equation (5) into equation (6) to obtain equation (7).

又、K/Po’ =Go・ (8) (ここでC8はGaAs中のSiの初期濃度)(8)式
を (7)式に代入して (9)式を得る。
Also, K/Po' = Go.(8) (Here, C8 is the initial concentration of Si in GaAs) Substituting equation (8) into equation (7), equation (9) is obtained.

ハ v、V、ρ/A、Dを一定とした場合、Xが増加即ち結
晶の固化が進むにつれSi濃度が高くなることを示して
いる。
This shows that when V, V, ρ/A, and D are constant, the Si concentration increases as X increases, that is, the solidification of the crystal progresses.

Woods  (文献■)の実験では結晶のシード側で
高抵抗の酸素ドープGaASが得られ、Wooda l
 l(文献■)の実験及び元弁(文献■)の実験では結
晶後端程キャリア濃度が高い結果が得られている。しか
し、これは結晶中のSi濶度を直接測定したものでは無
い。
In the experiment of Woods (Reference ■), a high-resistance oxygen-doped GaAS was obtained on the seed side of the crystal, and Woodal
In the experiments of I (Reference ■) and Motoben (Reference ■), results were obtained in which the carrier concentration is higher toward the rear end of the crystal. However, this is not a direct measurement of the Si content in the crystal.

我々の実験では、後の実施例に示すように、結晶固化が
進むにつれSi1度が低減していたので、(9)式のみ
により我々の実験事実を説明することは出来ないと考え
る。
In our experiment, as shown in the later examples, Si1 degree decreased as the crystal solidification progressed, so we believe that the fact of our experiment cannot be explained solely by equation (9).

以上の検討から我々の実験結果は、従来の考え方のみで
ない新しい考えの導入にJ:って説明される可能性があ
ることを示しているといえる。
Based on the above considerations, our experimental results can be said to indicate that there is a possibility that the introduction of new ideas, not just conventional ones, may be explained as J:.

従来技術3 酸素ドープを行うとGaAs結晶の後端にぬれが生じる
問題点がある。元弁(文献■)はぬれは、Ga2O蒸気
の凝縮反応が抑制されている間はひどいぬれは生じにく
く寄宿反応の進行が活発になるとぬれが助長されると惟
吊し、凝縮反応を生じさせないように、拡散障壁部の温
度を高くする3温度LIB法を開発した。
Prior Art 3 There is a problem in that oxygen doping causes wetting at the rear end of the GaAs crystal. Motoben (Reference ■) states that as long as the condensation reaction of Ga2O vapor is suppressed, severe wetting is unlikely to occur, and when the boarding reaction becomes active, wetting is promoted, and the condensation reaction does not occur. We developed a three-temperature LIB method that increases the temperature of the diffusion barrier.

しかしこの考え方は、次に示Jように不明な点がある。However, this idea has some unclear points as shown below.

即ち、前述した (1)式において 4Ga(1,)+SiO(s)4Si(1−)(in 
 GaAs)+2Ga  0(G)  ↑・・・ (1
) 凝縮反応が抑制されている場合にはGa2Oガス圧が高
いので (1)式の平行が成り立ち石英ボート内のαク
リストバライトは減少せずGaAs結晶とボートの間に
ぬれは生じない。
That is, in the above equation (1), 4Ga(1,)+SiO(s)4Si(1-)(in
GaAs)+2Ga 0(G) ↑・・・ (1
) When the condensation reaction is suppressed, the Ga2O gas pressure is high, so the parallelism of equation (1) holds, the α-cristobalite inside the quartz boat does not decrease, and no wetting occurs between the GaAs crystal and the boat.

−・方凝縮反応の進行が活発になるとGa2oガスが減
少づるので (1)式が右側に進行しS i 11度が
増大′リ−る可能性がある。故にぬれの生じる結晶後端
程SI濃度が高くなりそうであるといえる。
As the progress of the condensation reaction becomes more active, the Ga2O gas decreases, so there is a possibility that equation (1) moves to the right and S i 11 degrees increases. Therefore, it can be said that the SI concentration is likely to be higher at the rear end of the crystal where wetting occurs.

しかしSlの直接測定は行われていない。我々の実験で
は、結晶後端のSi1度が低くかつぬれが生じる現象が
観察された。
However, direct measurement of Sl has not been performed. In our experiments, we observed a phenomenon in which the Si1 degree at the rear end of the crystal was low and wetting occurred.

従来技術(4) PUNボートを使用すれば、3iの汚染はない−Q  
  、− ものと思われていたが、実際に石英アンプル内に1〕B
 Nボートを置いてGaΔS単結晶を製造したところ、
3i汚染が認められ導電性のn型結晶が得られている。
Conventional technology (4) If a PUN boat is used, there will be no 3i contamination-Q
, - Although it was thought to be a thing, there was actually 1]B in the quartz ampoule.
When a GaΔS single crystal was produced by placing an N boat,
3i contamination was observed, and a conductive n-type crystal was obtained.

[従来技術の問題点] 特公昭53−46070号等では、結晶中の酸素が全で
深いドナー不純物どし−C機能するよう述べられている
が、その当時酸素がどのような形態(例えば、単体、化
合物、イオン)で結晶中に存在しているのかについては
解明されておらず、しかも結晶中の酸素の濃度を測定−
する手段が存在していなかったことを考えると、酸素の
全てがイオン化しているとは言いぎれない。更に、As
2O3を添加してボート法により製造されたクロムドー
プの半絶縁性GaAs単結晶中の酸素濃度が放射化分析
法による測定では2.0〜7.2×1015cm−3で
あったという報告(oxygendistributi
on  in  a  horizontal  Br
idgmann−grown semi−insula
tion GaAs ingot:に、5hikano
[Problems with the Prior Art] In Japanese Patent Publication No. 53-46070, etc., it is stated that all oxygen in the crystal functions as a deep donor impurity. It is not clear whether it exists in the crystal as a single substance, a compound, or an ion, and furthermore, it is possible to measure the concentration of oxygen in the crystal.
Considering that there was no means to do this, it cannot be said with certainty that all of the oxygen was ionized. Furthermore, As
It is reported that the oxygen concentration in a chromium-doped semi-insulating GaAs single crystal produced by the boat method with addition of 2O3 was 2.0 to 7.2 x 1015 cm-3 as measured by activation analysis.
on in a horizontal Br
idgmann-grown semi-insula
tion GaAs ingot: 5 hikano
.

et  at、八pD1.DhyS、1−ett、、4
6(1985)  391〜393)  とを合わけて
検討してみると、GaAStiII1品中で深いドナー
として機能するものの量は酸素だけでは不充分であり、
ほかに深いドナーとして機能ザるものがあると考えられ
る。近年、深いドナーとして機能するものとして、FL
2が発見され−(おり、その1li1度は通常1 ”−
2X 1016cm−3である。
et at, 8pD1. DhyS,1-ett,,4
6 (1985) 391-393), oxygen alone is insufficient to function as a deep donor in a single GaAStiII product;
It is thought that there are other things that can function as deep donors. In recent years, FL has been recognized as a deep donor.
2 is discovered - (and its 1li1 degree is usually 1 ”-
2X 1016 cm-3.

従って、酸素の全てがイオン化しているかどうか不明で
あることも含めて考えると、CrドープGaAS単結晶
中で深いトーナーとして機能するものの殆どは1=12
のJこうである。
Therefore, considering the fact that it is unknown whether all of the oxygen is ionized, most of what functions as a deep toner in the Cr-doped GaAS single crystal is 1=12
J is like this.

又、従来技術(2)、  (3)について検討してみる
と、5102ボートを使ってOr−酸素半絶縁性結晶を
成長した場合に結晶にぬれが生じるが、そのぬれのメカ
ニズムは明確に41っていない。従来の考え方では、結
晶v1端程5illfa度が高くなる。
Furthermore, when considering conventional techniques (2) and (3), wetting occurs in the crystal when an Or-oxygen semi-insulating crystal is grown using a 5102 boat, but the wetting mechanism is clearly 41 Not yet. According to the conventional thinking, the degree of 5illfa increases as the crystal v1 ends.

しかし我々の実験では結晶後端の3i濶度が低くかつぬ
れが生じている事実がある。このように従来の理論では
、我々の実験結果を説明することが出来ない。
However, in our experiments, the 3i degree at the rear end of the crystal is low and wetting occurs. In this way, conventional theories cannot explain our experimental results.

更に、従来技術(4)について検討してみると石=  
11 − 英アンプルを用いてPBNボー1〜にてGaAs結晶を
成長づるどGa或いはGaAsが石英アンプル内面に(
=J @L反応してSiOのガスが発住すると考えられ
、このSiOがP 13Nボート内のGaAS中に溶解
しS1汚染が生じると考えられる。
Furthermore, when considering conventional technology (4), stone =
11 - Grow a GaAs crystal in PBN bow 1 using a quartz ampoule.
It is thought that SiO gas is generated by the =J@L reaction, and that this SiO is dissolved in the GaAS in the P 13N boat, causing S1 contamination.

(SiO2の酸素成分が結晶中に取り込まれることも考
えられる)。故にP 13 Nボートを用いた場合にお
いても酸素添加により3iを減少させるとどもにOrを
同時に添加ザることにより半絶縁結晶を1qることが出
来る。
(It is also possible that the oxygen component of SiO2 is incorporated into the crystal). Therefore, even when a P 13 N boat is used, the semi-insulating crystal can be made 1q by simultaneously adding Or while reducing 3i by adding oxygen.

「発明の目的」 本発明の[1的は、結晶中の酸素濃度に殆ど影響される
ことなく、熱的安定性に優れた半絶縁性Ga A S単
結晶を提供づることにある。
OBJECTS OF THE INVENTION One object of the present invention is to provide a semi-insulating Ga AS single crystal that is hardly affected by the oxygen concentration in the crystal and has excellent thermal stability.

本発明の要旨は、深いトノーー準位形成するちのの殆ど
がトL2であり、り[]ムを含む)′クセブタ不純物の
濃度が総和をFl−2を含むドナー不純物濃度の総和よ
り大きくし、浅いアクセプタ不純物の濃度がFl−2を
含むドナー不純物準位の総和J:り小さい半絶縁性Ga
AS単結晶としたことにある。
The gist of the present invention is that most of the deep tonneau level formed is at L2, and the total concentration of donor impurities (including Lime) is greater than the total concentration of donor impurities including Fl-2; Semi-insulating Ga where the shallow acceptor impurity concentration is small sum J of donor impurity levels including Fl-2
The reason is that it is made of AS single crystal.

[補足説明] 本発明のエネルギバードによる説明 第1図(a)及び(b)は、本発明ににる半絶縁性砒化
ガリウムの電子状態を示している。
[Supplementary Explanation] Explanation of the Present Invention by Energie Bird FIGS. 1(a) and 1(b) show the electronic state of semi-insulating gallium arsenide according to the present invention.

第1図(a)及び(b)において”SDは浅いドナー不
純物準位のi11度、NSAは、浅いアクセプター不純
物準位の濃度、NDOは、深いドナー不純物準位の濃度
、NEL2は、不純物では無いFL2準位の濃度、ND
Aは深いアクセプター不純物準位の濃度、[fは)lル
ミ準位、1は伝導帯、2は価電子帯を示している。N、
。を酸素不純物の準位、NBp、@り1]ム不純物の準
位と考える。
In FIGS. 1(a) and (b), "SD is i11 degrees of the shallow donor impurity level, NSA is the concentration of the shallow acceptor impurity level, NDO is the concentration of the deep donor impurity level, and NEL2 is the concentration of the impurity level. Concentration of FL2 level without, ND
A represents the concentration of a deep acceptor impurity level, [f] represents the lumi level, 1 represents the conduction band, and 2 represents the valence band. N,
. is considered to be the level of oxygen impurity, and the level of NBp, @rim impurity.

半絶縁結晶は熱的に安定である必要がある。Semi-insulating crystals need to be thermally stable.

即ち、エビ成長等のプロセス]二程中加熱を受けるから
である。
That is, the process of shrimp growth, etc.] is heated during the second stage.

熱処理しても高抵抗を保つための条件は、フェルミ準位
(]三f)が、N、N、EL2の準位DD     D
へ の近傍にあることであると考えられる。
The conditions for maintaining high resistance even after heat treatment are that the Fermi level (]3f) is at the level of N, N, EL2 DD D
It is thought that it is located in the vicinity of .

第1図(a)はOr支配型の結晶が高抵抗を保−19一 つだめの電子状態を示している。高抵抗の条件は、フェ
ルミレベルETがNDD近傍にあることであり、次式が
成立する。
FIG. 1(a) shows an electronic state in which an Or-dominated crystal maintains high resistance. The condition for high resistance is that the Fermi level ET is near NDD, and the following equation holds true.

N DA> N SD−N SA> O〈 ”  NS
A十 N DA〉 NSO2N5A)   ・・・ (
10)又第1図(b)はFL2支配型の結晶が高抵抗を
保つための電子状態を示している。
N DA> N SD-N SA> O〈 ” NS
A ten N DA〉 NSO2N5A) ... (
10) Furthermore, FIG. 1(b) shows the electronic state in which the FL2-dominated crystal maintains high resistance.

高抵抗の条件は、フ」−ルミレベル「[がNDD近傍に
あることであり、次式が成立づ−る。
The condition for high resistance is that the full level is near NDD, and the following equation holds true.

NDD−I−N[L2>NSA−NSD>ON [L2
− ”DD″−N SA”  N  DD”−N  E
L2 − N SD> N SA)・・・(10) (10)及び(11)式が整列Jるときに熱的に安定な
半絶縁結晶が得られる。
NDD-I-N[L2>NSA-NSD>ON [L2
- “DD”-N SA” N DD”-N E
L2 − N SD > N SA) (10) When the equations (10) and (11) are aligned, a thermally stable semi-insulating crystal is obtained.

[実 施 例] 実施例1 G「法(グラジ]ントフリージング法)で、石英ボート
・を用いてCrドープ結晶を成長した。
[Examples] Example 1 A Cr-doped crystal was grown using a quartz boat using the G method (gradient freezing method).

6N(純度99.9999%)のGaとASを用いて2
500gのGaAS単結晶を成長した。
2 using 6N (purity 99.9999%) Ga and AS
500 g of GaAS single crystal was grown.

この際AS203は30mqをボートの外側に設置した
。5N(純度99.999%)のCrはボー1へ内に5
60ppma(GaAs2500gに対し)添加した。
At this time, 30 mq of AS203 was installed outside the boat. 5N (purity 99.999%) Cr is 5N (purity 99.999%)
60 ppma (to 2500 g of GaAs) was added.

得られたGaAs単結晶は、転位密度が約6000 c
m ”以下であった。
The obtained GaAs single crystal has a dislocation density of approximately 6000 c
m” or less.

この結晶内のCr及び3iの分析はグ1〕−放電質量分
析器(GDMS)により行った。酸素の分析は、放射化
分析により行った。
Analysis of Cr and 3i in this crystal was performed using a G1]-discharge mass spectrometer (GDMS). Oxygen analysis was performed by activation analysis.

図2は結晶中のSi濃度(GDMS測定値Cr及びSl
についてはイオン強度比が原子温度(ppma)に等し
いといわれでいる)及び酸素濃度を示したものである(
文献:柴田他1名、第22回応用スペクトロメトり東京
討論会謡演予稿集(1987) 61 )。
Figure 2 shows the Si concentration in the crystal (GDMS measured values Cr and Sl
It is said that the ionic strength ratio is equal to the atomic temperature (ppma)) and the oxygen concentration (
Literature: Shibata et al., Proceedings of the 22nd Tokyo Symposium on Applied Spectrometry (1987) 61).

3i濃度はシード部、固化率Q=0.1で0、4II1
1ma(1、−17x 1.016cm−3> 、ディ
ル部固化率q=0.8でO,(0,89X 1015c
m−3>であった。Cr1度は固化率:G=0.1で0
、5pl)ma(2,2X 1016ctn−”) 、
 o=−o、 8で2.7ppma(1、2X 101
7cm’−”)であった。
3i concentration is 0 at seed part, solidification rate Q=0.1, 4II1
1ma (1, -17x 1.016cm-3>, dill part solidification rate q = 0.8 O, (0,89x 1015c
m-3>. Cr1 degree has solidification rate: 0 at G=0.1
, 5pl) ma (2,2X 1016ctn-”),
o=-o, 2.7 ppma at 8 (1, 2X 101
7 cm'-'').

浅いアクセプタ不純物となるに、Ca等の和は0.02
1)Dma(1,8X1015cm−3) 、I’A素
は1X10  cm  X[L2は1×10 cmであ
った。
For shallow acceptor impurities, the sum of Ca etc. is 0.02
1) Dma (1,8X1015 cm-3), I'A element was 1X10 cm X [L2 was 1x10 cm.

酸素濃度はシード部固化率q−0,1で約1.5X 1
0 ”’cm−3テイル部a=0.8で約1×1016
cm’であった。
The oxygen concentration is approximately 1.5X 1 at the seed solidification rate q-0.1
0"' cm-3 tail part a=0.8, approximately 1 x 1016
cm'.

この結晶の比抵抗をファン・デル・パラ法で測定すると
約5×107Ωcm以上であることが分った。
When the specific resistance of this crystal was measured by the van der Para method, it was found to be approximately 5×10 7 Ωcm or more.

更に、1−12気流中で800°CX30m1nの熱処
理を行ってもその比抵抗は約5×107Ωcm以上であ
ることが判った。この結晶中の酸素は結晶の成長とどち
に増加することが分り次(、二示すノーマルフリージン
グの式に従って偏析することが分った。
Furthermore, it was found that even when heat treatment was carried out at 800 DEG C. and 30 ml in a 1-12 air flow, the specific resistance was approximately 5.times.10@7 .OMEGA.cm or more. It was found that oxygen in this crystal increased as the crystal grew, and that it segregated according to the normal freezing equation shown in Figure 2.

C(Q)−C0Keff (1−(J)””f−10゜ Ci初期酸素濃度)、Keff:(実効偏析係数)、 
g: (固化率)、C(g)固化率qのとぎの酸素濃度
K e f fは約0.35〜0.4の値が得られたの
で偏析により結晶中の酸素濃度が変化しCいることが判
った。
C(Q)-C0Keff (1-(J)""f-10°Ci initial oxygen concentration), Keff: (effective segregation coefficient),
g: (Solidification rate), C (g) The oxygen concentration K e f f at the end of the solidification rate q was obtained as a value of about 0.35 to 0.4, so the oxygen concentration in the crystal changes due to segregation and C It turned out that there was.

結晶中の酸素とSiの挙動については、不明な点が多い
There are many unknown points regarding the behavior of oxygen and Si in crystals.

As2O3或いはGa2O3等の酸化物添加によるSi
汚染の抑制は従来技術(3)で示したようにGa2Oガ
ス分圧にJ:るものであり、疑いは無い。しかしこの考
え方では、従来技術で示したように結晶固化にともなっ
て、拡散障壁部の温度が低下しGa  OガスがGa2
O3の形で析出し分圧低下をぎたし、Si濃度が高くな
ると考えられる。
Si by adding oxides such as As2O3 or Ga2O3
There is no doubt that the suppression of contamination depends on the Ga2O gas partial pressure as shown in the prior art (3). However, in this way of thinking, as shown in the prior art, as the crystal solidifies, the temperature of the diffusion barrier decreases and the GaO gas becomes Ga2.
It is thought that Si is precipitated in the form of O3, which reduces the partial pressure and increases the Si concentration.

しかし、本発明結晶では、結晶固化に伴って5iif1
度が低下し従来の結晶とは異なっていることが判る。
However, in the crystal of the present invention, as the crystal solidifies, 5iif1
It can be seen that the crystallinity is lower and different from conventional crystals.

Siの汚染について考察してみると、GaAsメルト中
の81と酸素の関係は基本的には次の(14)式で説明
できるS + 02  (石英ボート>−>s:(i 
 nQaΔ5)4−20(inGaAs>・ (141
GaΔSの凝固による酸素の偏析が起こる融点(123
8℃)近傍での平衡定数には次のJ:うに表現出来る。
Considering Si contamination, the relationship between 81 and oxygen in the GaAs melt can basically be explained by the following equation (14): S + 02 (quartz boat>->s: (i
nQaΔ5)4-20(inGaAs>・(141
The melting point (123
The equilibrium constant near 8°C can be expressed as follows:

s+   O5i02μ3i、酸素、3iここでa ・
、a  、a O?の夫々の活量、但し、a、1o2−1゜Si濃度と
酸素濃度は極めて微量なので活量係数を1どザると(1
5)式は(16)式のように示ザことが出来る。
s+ O5i02μ3i, oxygen, 3i where a ・
, a , a O? The respective activities of a, 1o2-1°Si concentration and oxygen concentration are extremely small, so if the activity coefficient is 1, then (1
Equation 5) can be expressed as equation (16).

に=Ns、−No            ・ (16
)(16)式の対数をとると(17)式となる本発明結
晶について固化率一定の揚台の10(INoとIQ(I
Nsiの関係を求めてみるとその傾ぎは−−一どなりG
aA結晶中においてはS1温度とを温度の積が一定であ
ることが判った。
ni = Ns, -No ・ (16
) Taking the logarithm of equation (16) gives equation (17).10 (INo and IQ(I
When we look for the relationship between Nsi, the slope is - 1dandariG
It was found that the product of temperature and S1 temperature is constant in the aA crystal.

即ち結晶成長初期に適Ifi酸素を存在させ−(おけば
結晶凝固開始部よりも3i濶度の低い熱安定性の良い結
晶が得られることになる。しかし、この′熱安定ヤVは
、酸素濃度が低いことからみてIE L 2によるもの
と思われる。
In other words, if appropriate Ifi oxygen is present at the initial stage of crystal growth, a crystal with good thermal stability with a lower 3i degree than that at the beginning of crystal solidification will be obtained. Judging from the low concentration, this seems to be due to IE L2.

実施例2 GF法でBNを:」−ティングした石英ボートを用いて
Crドープ結晶を成長した。
Example 2 A Cr-doped crystal was grown using a quartz boat coated with BN by the GF method.

6NのGaとAsを用いて2500QのGaAs単結晶
を成長させた。この際AS203を30mQポートの外
側に設置した。5NのCrはポート内に560 ppm
a (G aΔ525000に対し)添加した。1エフ
られた砒化ガリウム単結晶は転位密度が約8000cm
−3以下であった。
A 2500Q GaAs single crystal was grown using 6N Ga and As. At this time, AS203 was installed outside the 30mQ port. 5N Cr is 560 ppm in the port
a (for GaΔ525,000) was added. 1F gallium arsenide single crystal has a dislocation density of approximately 8000 cm
-3 or less.

この結晶内のSi1度は1 、5 X 1016cm−
3以下であった。
The Si degree in this crystal is 1,5 x 1016 cm-
It was 3 or less.

Cr濃度は、0==0.1で0 、51)I)ma (
2、2X 1016cm−3) g=o、 8で2 、
7 ppma (1、2X 1017cm−3)であっ
た。
The Cr concentration is 0 = = 0.1, 51) I) ma (
2, 2X 1016cm-3) g=o, 2 at 8,
It was 7 ppma (1,2X 1017 cm-3).

浅いアクセプタ不純物の総和は、1.5×15’  −
3 10cm  、EL21.2X1016cm−3であっ
た。
The total sum of shallow acceptor impurities is 1.5×15' −
310cm, EL21.2X1016cm-3.

酸素濃度はI X 1016cm−3以下であった。1
しかし比抵抗を測定すると約5×107Ωcm以上の半
絶縁結晶であることが判った。
The oxygen concentration was below I x 1016 cm-3. 1
However, when the specific resistance was measured, it was found that it was a semi-insulating crystal with a resistivity of approximately 5×10 7 Ωcm or more.

更にH2気流中で800℃X 30 minの熱処理を
行ってもその比抵抗は約5X107Ωcmであることも
判った。
Furthermore, it was found that even if heat treatment was performed at 800° C. for 30 minutes in a H2 stream, the specific resistance was approximately 5×10 7 Ωcm.

以上の結果から13Nを]−ティングした石英ボートを
用いでも雰凹気中の酸素が3iの発生を抑えることによ
り3i濃度が低い比抵抗の高い熱安定性の良い結晶が得
られた。この熱安定性は、結晶中の酸素濃度が低いこと
からみて[1−2に起因づるものと思われる。
From the above results, even if a 13N-treated quartz boat was used, oxygen in the atmosphere suppressed the generation of 3i, so that a crystal with a low 3i concentration, high resistivity, and good thermal stability was obtained. This thermal stability is thought to be due to [1-2], considering the low oxygen concentration in the crystal.

「発明の効果」 本発明によれば、次のような顕著効果を奏する。"Effect of the invention" According to the present invention, the following remarkable effects are achieved.

(1)本発明によれば、次のような顕著な効果を奏する
。従来のクロム、酸素、ドープGaAsヰ1結晶中のよ
うに酸素濃度により影響されることなく熱的安定性に優
れている。
(1) According to the present invention, the following remarkable effects are achieved. Unlike conventional chromium, oxygen, and doped GaAs-1 crystals, it has excellent thermal stability without being affected by oxygen concentration.

(2)従来主にGaAS結晶内のSi汚染は、石英ボー
トとQaの反応によって起るといわれ、△5203の添
加による3i低減が行われてきた。しかしBNコーティ
ング石英ボー トを用いて成長した結晶内にもSlの汚
染が認められ導電性結晶になるごとを確認した。そして
BNコーティングボ・−トを用いてOrをドープした半
絶縁結晶を開発することができた。
(2) Conventionally, it has been said that Si contamination in GaAS crystals mainly occurs due to the reaction between quartz boats and Qa, and 3i reduction has been carried out by adding Δ5203. However, it was confirmed that Sl contamination was observed in the crystals grown using the BN-coated quartz boat, and the crystals became conductive. Using a BN coating boat, we were able to develop a semi-insulating crystal doped with Or.

(3)前項(2)のCrドープ結晶は、Si1度が極め
て少ないので3iの析出がなく面内比抵抗が高いという
高品質面での長所がある。
(3) The Cr-doped crystal described in the previous item (2) has an advantage in terms of high quality, such as extremely low Si 1 degree, no precipitation of 3i, and high in-plane resistivity.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明半絶縁砒化ガリウムの電子状態を示ず
説明図であり、NSOは浅いドブーー不純物単位の濃度
、NSAは浅いアクセプタ不純物準位の濃度、NDDは
深い1リ−一不純物準位の濃度、NFL2は不純物では
無いL:L2準位のm度、NDAは深いアクセプタ不純
物準位の濃度、E fはフ−[ルミ準位、1は伝導体、
2&:1価電子帯を示している。 第2図は本発明結晶中のSi1度どO濃度の関係を示り
説明図であり、3はSi濃度曲線、4は第 1 目 (α)  Cr支面亡を −e−+  N5D (b)酸木女髪型 −()−Ns[)
FIG. 1 is an explanatory diagram (not showing the electronic state) of the semi-insulating gallium arsenide of the present invention, where NSO is the concentration of a shallow deboe impurity unit, NSA is the concentration of a shallow acceptor impurity level, and NDD is a deep 1 Li-1 impurity level. NFL2 is the concentration of the L:L2 level that is not an impurity, NDA is the concentration of the deep acceptor impurity level, E f is the F[lumi level, 1 is the conductor,
2&: indicates a single valence band. Figure 2 is an explanatory diagram showing the relationship between Si1 degree and O concentration in the crystal of the present invention, 3 is the Si concentration curve, 4 is the 1st (α) Cr bearing surface -e-+ N5D (b ) acid tree woman hairstyle-()-Ns[)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)300°Kにおける比電気抵抗が10^6Ω・c
m以上の半絶縁性砒化ガリウム単結晶において、深いア
クセプター準位を形成する電気的に活性なものとして少
なくともクロムを含み、深いドナー準位を形成する電気
的に活性なものとしてEL_2を含み、浅いドナー準位
を形成する電気的に活性な不純物及び格子欠陥の濃度の
総和と、浅いアクセプター準位を形成する電気的に活性
な不純物及び格子欠陥の濃度の総和との大小関係の如何
んにかかわらず、関係式 N_D_A>N_S_D−N_S_A>−N_E_1_
2を満足するよう不純物の濃度、格子欠陥の濃度及びE
L_2の濃度が含まれていることを特徴とする半絶縁性
ガリウム単結晶。 但し、N_D_Aは深いアクセプター濃度、N_S_D
は浅いドナー濃度、 N_S_Aは浅いアクセプター濃度、 N_E_L_2は深いドナー準位を形成する電気的に活
性なEL_2の濃度である。
(1) Specific electrical resistance at 300°K is 10^6Ω・c
In a semi-insulating gallium arsenide single crystal with a diameter of m or more, at least chromium is included as an electrically active substance forming a deep acceptor level, EL_2 is included as an electrically active substance forming a deep donor level, and a shallow Regardless of the magnitude relationship between the sum of the concentrations of electrically active impurities and lattice defects that form the donor level and the sum of the concentrations of electrically active impurities and lattice defects that form the shallow acceptor level. First, the relational expression N_D_A>N_S_D-N_S_A>-N_E_1_
The concentration of impurities, the concentration of lattice defects, and E
A semi-insulating gallium single crystal characterized by containing a concentration of L_2. However, N_D_A is the deep acceptor concentration, N_S_D
is the shallow donor concentration, N_S_A is the shallow acceptor concentration, and N_E_L_2 is the concentration of electrically active EL_2 that forms the deep donor level.
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