特許 7496974 Ｍｇ２Ｓｉ単結晶体、Ｍｇ２Ｓｉ単結晶基板、赤外線受光素子及びＭｇ２Ｓｉ単結晶体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-31

(45)【発行日】2024-06-10

(54)【発明の名称】Ｍｇ２Ｓｉ単結晶体、Ｍｇ２Ｓｉ単結晶基板、赤外線受光素子及びＭｇ２Ｓｉ単結晶体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/10 20060101AFI20240603BHJP

   C30B 11/08 20060101ALI20240603BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20240603BHJP

【ＦＩ】

C30B29/10

C30B11/08

H01L31/10 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021529487

(86)(22)【出願日】2021-02-25

(86)【国際出願番号】 JP2021007223

(87)【国際公開番号】W WO2022064735

(87)【国際公開日】2022-03-31

【審査請求日】2022-10-24

(31)【優先権主張番号】P 2020161367

(32)【優先日】2020-09-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504203572

【氏名又は名称】国立大学法人茨城大学

(73)【特許権者】

【識別番号】502362758

【氏名又は名称】ＪＸ金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】鵜殿 治彦

【審査官】富永 泰規

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１３２６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第１９／１８７２２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２８９６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１４５５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１６８５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】鱒渕稜平、布施雄太郎、原嘉昭、鵜殿治彦，１４ａ－Ａ２０２－１ 高分解能Ｘ線測定によるＭｇ２Ｓｉの結晶性評価，２０２０年 第６７回応用物理学会春季学術講演会［講演予稿集］，日本，公益社団法人応用物理学会，2020年02月28日，11-223

【文献】矢口楓子，中野浩平，鵜殿治彦，１５ｐ－Ｐ１３－５ Ｍｇ２Ｓｉ結晶の赤外吸収測定と自由電子濃度評価，２０１７年 第６４回応用物理学会春季学術講演会［講演予稿集］，日本，公益社団法人応用物理学会，2017年，p.12-208

【文献】御殿谷真、串田圭祐、鵜殿治彦，１０ａ－ＴＨ－１９ 高純度Ｍｇ原料を用いたＭｇ２Ｓｎ単結晶の成長と電気的特性，２００９年 第７０回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｖｏｌ．３，公益社団法人応用物理学会，2009年，p.1269

【文献】UDONO, Haruhiko et al.，Infrared photoresponse from pn-junction Mg2Si diodes fabricated by thermal diffusion，Journal of Physics and Chemistry of Solids，米国，2012年10月24日

【文献】TOKAIRIN, Toshio et al.，Crystal growth of Mg2Si for IR-detector，Journal of Crystal Growth，2016年12月20日

【文献】DAITOKU, Kenta et al.，Fabrication and Characterization of Mg2Si pn-junction Photodiode with a Ring Electrode，JJAP Conf. Proc.，米国，JJAP Conf. Proc.，2014年07月31日，2015, Vol.3，011103

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ ２９／１０

Ｃ３０Ｂ １１／０８

Ｈ０１Ｌ ３１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＸＲＤで測定された結晶方位のバラツキが、±０．０２０°の範囲内であるＭｇ₂Ｓｉ単結晶体。

【請求項2】

ＸＲＤで測定された結晶方位のバラツキが、±０．０１６°の範囲内である請求項１に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体。

【請求項3】

Ｂ、Ｌｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐ、Ａｓ及びＳｂから選択される少なくとも１種をドーパントとして含む請求項１または２に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体で構成されたＭｇ₂Ｓｉ単結晶基板。

【請求項5】

基板サイズが２５ｍｍ～１５０ｍｍである請求項４に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶基板。

【請求項6】

請求項１～３のいずれか一項に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を備えた赤外線受光素子。

【請求項7】

下記工程（１）～（５）を含む請求項１～３のいずれか一項に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体の製造方法。
（１）少なくともＭｇ及びＳｉを含む原料を調製する原料調製工程、
（２）工程（１）で調製した原料を、少なくとも内側表面がＢＮコートされたｐＢＮ製の坩堝中に充填する原料充填工程、
（３）前記坩堝全体を加熱して、工程（２）で前記坩堝中に充填した原料を溶融化学反応させる合成工程、
（４）工程（３）で生成した融液を冷却してＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を析出せしめる工程、
（５）工程（４）で析出したＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を前記坩堝から取り出す工程。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体、Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶基板、赤外線受光素子及びＭｇ₂Ｓｉ単結晶体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

人工知能（ＡＩ）等に関する近年の飛躍的な技術革新に伴って、人の目や手に代わって自動で監視、制御を行うシステムの研究開発も精力的に行われている。このような自動監視、自動制御システムにおいては、光、温度、音声等の様々な入力情報を基に適切な応答動作が決定されるため、入力信号を感知するためのハードウェアがシステム全体の中でも重要な役割を果たす一つのキーデバイスとなる。とりわけ光の入力信号を感知するという点においては、人の目を代替するか、場合によっては人の目で感知できない領域の情報までをも感知できるようなデバイスを用いることにより、高度な自動監視、自動制御を実現することが可能になる。

【0003】

光の入力信号に感応するデバイスとしては、光の信号を電子的に処理することが可能な電気信号に変換する素子を有するものが挙げられる。その基本的な素子の例として、半導体材料を用いた光検出素子がある。

【0004】

半導体材料を用いた光検出素子は、半導体材料が有するバンドギャップに応じて感応する波長領域が異なっている。夜間の自動監視や自動車の自動運転などにも対応できるような高度の制御を行うためには、可視光領域の光や画像の情報以外にも赤外線領域の光に関する入力情報が必要となる。そのため、赤外線領域で高感度に光の入力を感知できる赤外線受光素子、デバイスに対する要請は強く、各種の半導体材料を用いた積極的な検討と開発が進められている。

【0005】

光検出素子に用いられる材料として、マグネシウム（Ｍｇ）とシリコン（Ｓｉ）とから構成される化合物半導体であるマグネシウムシリサイド（Ｍｇ₂Ｓｉ）の結晶性材料が提案されており、これまでに所定の成果が得られている（非特許文献１、２）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】T. Akiyama et al., Proc. Asia-Pacific Conf. Semicond. Silicides Relat. Mater. 2016, JJAP Conf. Proc. Vol. 5, 2017, pp. 011102-1-011102-5

【文献】K. Daitoku et al., Proc. Int. Conf. Summer School Adv. Silicide Technol. 2014, JJAP Conf. Proc. Vol. 3, 2015, pp. 011103-1-011103-4

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体は、室温で約０．６１ｅＶの禁制幅をもつ間接遷移型半導体であるため、近年利用が進む短波長赤外域（ＳＷＩＲ、波長λ＝０．９～２．５μｍ）の赤外センサへの応用が期待できる。しかしながら、結晶内に小傾角粒界が存在すると、種々の半導体特性が低下する虞がある。そのため、結晶内に小傾角粒界が発生することを良好に抑制する技術の開発が望まれている。

【0008】

本開示の技術は、上述した技術課題を解決しようとするものであり、結晶内での小傾角粒界の発生が良好に抑制されたＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を提供することを一つの目的とするものであり、また当該Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体で構成されたＭｇ₂Ｓｉ単結晶基板、赤外線受光素子を提供することを別の目的とするものであり、Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体の製造方法を提供することを更に別の目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者は、鋭意検討の結果、Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体における結晶方位のバラツキを所定範囲に制御することで、上記課題を解決できることを見出した。

【0010】

このような知見と着想に基づき、本開示は以下の発明を提供するものである。
１） ＸＲＤで測定された結晶方位のバラツキが、±０．０２０°の範囲内であるＭｇ₂Ｓｉ単結晶体。
２） ＸＲＤで測定された結晶方位のバラツキが、±０．０１６°の範囲内である１）に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体。
３） Ｂ、Ｌｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐ、Ａｓ及びＳｂから選択される少なくとも１種をドーパントとして含む、１）または２）に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体。
４） １）～３）のいずれかに記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体で構成されたＭｇ₂Ｓｉ単結晶基板。
５） 基板サイズが２５ｍｍ～１５０ｍｍである、４）に記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶基板。
６） １）～３）のいずれかに記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を備えた赤外線受光素子。
７） 下記工程（１）～（５）を含む、１）～３）のいずれかに記載のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体の製造方法。
（１）少なくともＭｇ及びＳｉを含む原料を調製する原料調製工程、
（２）工程（１）で調製した原料を、少なくとも内側表面がＢＮコートされたｐＢＮ製の坩堝中に充填する原料充填工程、
（３）前記坩堝全体を加熱して、工程（２）で前記坩堝中に充填した原料を溶融化学反応させる合成工程、
（４）工程（３）で生成した融液を冷却してＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を析出せしめる工程、
（５）工程（４）で析出したＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を前記坩堝から取り出す工程。

【発明の効果】

【0011】

本開示の技術によれば、結晶内での小傾角粒界の発生が良好に抑制されたＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例及び比較例に係る、研磨後の基板表面の外観観察写真である。

【図2】実施例及び比較例に係る、背面反射ラウエによる結晶性の評価写真である。

【図3】実施例及び比較例に係る、ＸＲＤチャートである。

【図4】実施例に係る、基板の表面観察写真である。

【図5】実施例に係る、ＸＲＤチャートである。

【図6】実施例及び比較例に係る、サンプルの製造工程の概要である。

【図7】実施例及び比較例に係る、サンプルのＩ－Ｖ特性を示すグラフである。

【図8】実施例及び比較例に係る、サンプルの受光感度特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体）
本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体は、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）で測定された結晶方位のバラツキが、±０．０２０°の範囲内となるように制御されている。結晶粒界は転位の集合体とみなすことができるため、その性質を転位の性質から予測することができる。このとき転位の集合密度が大きいほど結晶方向の違いが大きくなる。この結晶方向の違いが小さい結晶粒界は、小傾角粒界と呼ばれている。本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体のように、結晶方位のバラツキが、±０．０２０°の範囲内となっていれば、結晶内の小傾角粒界がほぼ見られない。結晶内の小傾角粒界がほぼ存在しない、または、全く存在しないと、Ｍｇ₂Ｓｉ内で発生した電子－正孔対が再結合しにくくなるため、Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体のキャリア寿命など電気的特性の均質性が向上する。

【0014】

本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体は、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）で測定された結晶方位のバラツキが、±０．０１６°の範囲内となるように制御されているのが好ましく、±０．０１°の範囲内となるように制御されているのがより好ましく、当該結晶方位のバラツキが０°であるのが更により好ましい。

【0015】

本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体は、Ｂ、Ｌｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐ、Ａｓ及びＳｂから選択される少なくとも１種をドーパント（不純物）として含んでもよい。当該Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体がこれらの元素をドーパントとして含むことで、キャリア濃度が向上し、半導体デバイスとしたときの導電性やＩ－Ｖ特性が良好となる。

【0016】

本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体が、ドーパントとしてＢを含む場合、キャリア濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下となるように含むことが好ましく、ドーパントとしてＬｉを含む場合、キャリア濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下となるように含むことが好ましく、Ａｌ、Ａｇ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂを含む場合、いずれもキャリア濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下となるように含むことが好ましい。

【0017】

本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体は、特に限定されないが、後述のようにＶＢ（垂直ブリッヂマン）法、ＶＧＦ（垂直温度傾斜凝固）法などの融液成長法により製造される場合が多いため、円柱状の直胴部を含む形状を有している。また、当該直胴部の直径が２５ｍｍ～２００ｍｍである。

【0018】

（Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶基板）
本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶基板は、上述の本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体で構成されている。Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶基板のサイズ（最大径）は特に限定されないが、２５ｍｍ～１５０ｍｍであってもよい。また、Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶基板の平面形状は、円形であってもよく、四角形等の矩形であってもよい。

【0019】

Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶基板の厚みは特に限定されないが、例えば、２００μｍ～１０００μｍであるのが好ましく、３００μｍ～７００μｍであるのがより好ましい。特に口径が大きい場合、Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶基板が３００μｍ未満であると割れる虞があり、１０００μｍを超えると母材の単結晶体が無駄になる虞がある。

【0020】

（赤外線受光素子）
本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を用いて赤外線受光素子を作製することができる。赤外線受光素子は、特に限定されないが、例えばｐｎ接合フォトダイオードに用いるｐ型またはｎ型の光吸収領域として本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を用いることができる。本開示の技術によれば、種々の半導体特性が良好なＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を提供することが可能となる。また、禁制帯エネルギー付近の光吸収係数が増大するため、光検出感度を高くできる。更にエネルギーギャップ（Ｅｇ）が低減できるため受光可能なカットオフ波長を伸ばすことが可能で、より波長の長い赤外光を検出可能な赤外線受光素子を作製できる。そのため、当該半導体材料を備えた赤外線受光素子を作製することで、赤外線領域のセンシング、撮像を目的とした各種デバイスの劣化を抑制することができる。それに伴い、各種画像分析、画像診断等の技術、さらにはそれらを利用した自動監視、自動制御技術と、それらの技術を用いた産業分野等にも大きな貢献が期待できる。

【0021】

（Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体の製造方法）
本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体は、下記工程（１）～（５）を含む溶融法によって製造することができる。
（１）少なくともＭｇ及びＳｉを含む原料を調製する原料調製工程、
（２）工程（１）で調製した原料を、少なくとも内側表面がＢＮコートされたｐＢＮ製の坩堝中に充填する原料充填工程、
（３）前記坩堝全体を加熱して、工程（２）で前記坩堝中に充填した原料を溶融化学反応させる合成工程、
（４）工程（３）で生成した融液を冷却してＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を析出せしめる工程、
（５）工程（４）で析出したＭｇ₂Ｓｉ単結晶体を前記坩堝から取り出す工程。

【0022】

上述のＭｇ₂Ｓｉ単結晶体の製造方法は、特に限定されないが、効率的に高純度の単結晶体を製造できることから、ＶＢ（垂直ブリッヂマン）法、ＶＧＦ（垂直温度傾斜凝固）法などの融液成長法によることが好ましい。また、製造装置は、坩堝以外は公知の構成を採用することができる。

【0023】

上記工程（１）で調整する原料のＭｇ、Ｓｉとしては、高純度に精製した純度４Ｎ（９９．９９％）以上、より好ましくは純度５Ｎ（９９．９９９％）以上、より好ましくは純度６Ｎ（９９．９９９９％）以上の平均粒径が約２～３ｍｍのチャンク状の粒子を好ましく使用できる。通常は原料のＭｇ粒子とＳｉ粒子の合計は元素比が２：１となるように混合する。また、ドーパントを含む単結晶体を作製する場合は、上記工程（１）の原料調製工程で原料に適量を添加しておく。

【0024】

上記工程（２）で使用する坩堝は、ｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製であり、ＢＮ（窒化ホウ素）で内側表面がコートされている。ここで、ＢＮコートされたｐＢＮ製の坩堝とは、ｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製坩堝の表面にＢＮ微粒子の層が形成されているものであり、例えば、ｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製坩堝の表面にＢＮ微粒子（オーデック製の「ホワイティ・セブン」等の市販のＢＮコーティング材）を塗布したもの等を示す。従来の坩堝は、カーボン製坩堝、または、ＰＧ（熱分解黒鉛）で内側表面がコートされたカーボン製坩堝等を使用しており、坩堝の濡れ性が大きく、坩堝内で成長したＭｇ₂Ｓｉ単結晶体が坩堝の内側表面に固着してしまうことがあった。このため、結晶成長後の冷却の際に、結晶内に大きな応力がかかり、結晶内に小傾角粒界が生じやすかった。これに対し、本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体の製造方法では、上述のように、使用する坩堝が、ｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製であり、ＢＮ（窒化ホウ素）で内側表面がコートされているため、坩堝の濡れ性が小さく、坩堝内で成長したＭｇ₂Ｓｉ単結晶体が坩堝の内側表面に固着することを良好に抑制することができる。このため、結晶成長後の冷却の際に、結晶内に大きな応力がかからず、結晶内に小傾角粒界が生じることを抑制し、Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体における結晶方位のバラツキが、±０．０２０°の範囲内となるように制御することができる。

【0025】

上記工程（３）の合成工程における加熱時の圧力は大気圧でも良いが３気圧程度のＡｒガス中での加熱が望ましい。加熱温度は１０８５℃（Ｍｇ₂Ｓｉの融点）～１０９５℃であり、例えば合計で約１５分～１４時間程度熱処理する。１０８５℃以上の温度で加熱することで、ＭｇとＳｉが溶融したＭｇ－Ｓｉ融液になる。

【0026】

上記工程（３）の合成工程では、ＶＢ法においては、坩堝を軸方向下側に向けて移動させることにより、ＶＧＦ法においてはヒータの温度を調節することにより、坩堝の軸方向においてＭｇ₂Ｓｉ種結晶側の温度が相対的に低く、Ｍｇ₂Ｓｉ原料側の温度が相対的に高い温度勾配を形成する。これにより、溶融していたＭｇ₂Ｓｉ原料は、Ｍｇ₂Ｓｉ種結晶側から順に凝固することによりＭｇ₂Ｓｉ単結晶が成長する。結晶成長部の円錐部および直胴部内の溶融していたＭｇ₂Ｓｉ原料がこの順にすべて凝固することによりＭｇ₂Ｓｉ単結晶体が形成される。

【0027】

また、赤外線検出器を作る上では、検出器の光吸収領域に本開示の技術に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体からなる半導体材料の単結晶膜を用いることができる。この場合、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属化学気相法（ＭＯＣＶＤ法）、スパッタ堆積法など一般に知られている半導体膜の成膜技術での単結晶膜の作製が可能である。

【0028】

ＭＢＥ法では一般には真空容器内でＭｇ、Ｓｉを蒸発させた分子線によって同時に供給し、その組成比を調整してＭｇ₂Ｓｉを所定の基板上に堆積する。この堆積時中、一般には基板を加熱する。加熱温度は一般には１００℃以上で６５０℃（Ｍｇの融点温度）以下にする。この加熱によって基板上に堆積した分子が反応して単結晶のＭｇ₂Ｓｉ膜が成長する。

【0029】

ＭＯＣＶＤ法では一般には反応容器内でＭｇ、Ｓｉを含む有機金属ガスを同時に供給し、その組成比を調整してＭｇ₂Ｓｉを所定の基板上に堆積する。この堆積時中、一般には基板を加熱する。加熱温度は一般には１００℃以上で６５０℃（Ｍｇの融点温度）以下にする。この加熱によって基板上で有機金属ガスが反応して単結晶のＭｇ₂Ｓｉ膜が成長する。

【0030】

スパッタ堆積法では一般には反応容器内でＭｇ、Ｓｉを含む固体のターゲットをＡｒイオンなどでスパッタリングすることでスパッタ分子を供給し、その組成比を調整してＭｇ₂Ｓｉを所定の基板上に堆積する。この堆積時中、一般には基板を加熱する。加熱温度は一般には１００℃以上で６５０℃（Ｍｇの融点温度）以下にする。この加熱によって基板上でスパッタ分子が反応して単結晶のＭｇ₂Ｓｉ膜が成長する。

【0031】

なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【実施例】

【0032】

以下、本開示の技術的内容を実施例に基づいて具体的に説明する。以下の実施例の記載は、あくまで本開示の技術的内容の理解を容易とするための具体例であり、本発明の技術的範囲はこれらの具体例によって制限されるものでない。

【0033】

－実施例１－
（Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体の作製）
実施例１に係るＭｇ₂Ｓｉ単結晶体の作製は、ＶＢ（垂直ブリッヂマン）法を用いた。まず、内径１９ｍｍφ長さ１０ｃｍのｐＢＮ製坩堝を用意し、ｐＢＮ製坩堝の内側表面へのＢＮコートは、オーデック製のＢＮコーティング材「ホワイティ・セブン」を厚さ０．１ｍｍで塗布し、１２時間の自然乾燥させた後、２００℃で加熱処理を施して、ＢＮコート付きｐＢＮ製坩堝を準備した。次に、内側表面がＢＮコートされたｐＢＮ製の坩堝に、純度６ＮのＭｇ粒子［大阪アサヒメタル製、チャンク材（平均粒径２～３ｍｍ）］、純度１０ＮのＳｉ粒子［フルウチ化学製、チャンク材（平均粒径２～３ｍｍ）］の原料混合物を充填した。

【0034】

次に、坩堝を坩堝保持台に載せて、５６０ＴｏｒｒのＡｒガスと共に石英アンプルに封入し、これを電気炉（抵抗加熱炉）に入れて、１．５時間かけて１０８５℃（表示温度）に加熱した。更に同温度で１．５時間加熱して、融解した後、１０ｍｍ／ｈの成長速度となるように電気炉を上昇させ、結晶を成長させた。その後、自然冷却し、室温になった時点で電気炉から坩堝を取り出し、実施例１に係る単結晶体のサンプルを得た。

【0035】

－比較例１－
坩堝として、内側表面をＰＧ（熱分解黒鉛）コートしたカーボン製坩堝を使用した以外は、実施例１と同様にサンプルを作製した。

【0036】

－比較例２－
坩堝として、比較例１のＰＧ（熱分解黒鉛）コート上にさらにＢＮコートを施したカーボン製坩堝を使用した以外は、実施例１と同様にサンプルを作製した。

【0037】

－比較例３－
坩堝として、内側表面をコートしていないｐＢＮ製坩堝を使用した以外は、実施例１と同様にサンプルを作製した。

【0038】

－比較例４－
坩堝として、内側表面をコートしていないＢＮ製坩堝を使用した以外は、実施例１と同様にサンプルを作製した。

【0039】

－比較例５－
坩堝として、内側表面をＳｉＣコートしたカーボン製坩堝を使用した以外は、実施例１と同様にサンプルを作製した。

【0040】

（Ｍｇ₂Ｓｉ単結晶体の組成）
実施例１に係る単結晶体のサンプルの組成を、蛍光Ｘ線分析装置を用いて測定したところ、Ｍｇ₂Ｓｉであった。また、比較例１～５に係る単結晶体のサンプルの組成を同様に測定したところ、Ｍｇ₂Ｓｉであった。

【0041】

（粒界の観察）
各サンプルから、厚さ０．６ｍｍで直径１１～１９ｍｍの基板を作製し、表面を番手＃４０００の研磨材で研磨した。研磨後の基板表面の外観観察写真（図１）を得て、粒界の有無を評価した。
図１において、（ａ）ＰＧが比較例１、（ｂ）ｐＢＮが比較例３、（ｃ）ｐＢＮ＋ＢＮコートが実施例１、（ｄ）ＢＮが比較例４、（ｅ）ＳｉＣが比較例５、（ｆ）ＰＧ＋ＢＮが比較例２を示す。
実施例１では、坩堝の内側表面の濡れ性が悪く、成長した結晶体が坩堝に固着していなかったため、結晶内での小傾角粒界の発生が良好に抑制されていた。
比較例１～５では、いずれも坩堝の内側表面の濡れ性が良く、成長した結晶体が坩堝に固着し、冷却中の坩堝とＭｇ₂Ｓｉ単結晶の熱膨張率差等に起因して応力が係り、結晶内に結晶欠陥の誘発により、小傾角粒界の発生が生じた。
本発明における実施例１のＢＮコート付きｐＢＮ坩堝と、比較例３のコートしていないｐＢＮ製坩堝、比較例４のコートしていないＢＮ製坩堝を比較した場合、ＢＮコート付きｐＢＮ製坩堝は、二重構造の内壁表面であって薄いＢＮコート層が干渉材の役割を果たし、熱膨張率差の影響を緩和させ、原料融液と坩堝内壁との濡れ性が小さく抑えられ、小傾角粒界の発生が良好に抑制されると考えられる。

【0042】

（Ｘ線回折測定）
得られた単結晶体のサンプルに対して入射Ｘ線のスポットサイズ１ｍｍφで背面反射ラウエ観察を行った。実施例１ではサンプル内の如何なる部分でも図２（ａ）のように単一の回折スポットが得られ、結晶全体において小傾角粒界を含まない単結晶であることが確認された。一方、比較例１～５では単一の回折スポットが見られる部分もあったが、図２（ｂ）のような回折スポットが二重に見られる部分が観察され、結晶面内の何処かには小傾角粒界を含む単結晶であることが確認された。

【0043】

Ｘ線回折（ＸＲＤ）装置によってロッキングカーブ測定を行った結果、実施例１のサンプルでは図３（ａ）に示すようにＭｇ₂Ｓｉ４４０回折におけるＦＷＨＭ（半値全幅）が０．０２°の鋭い単一ピークが得られ、サンプル内での結晶方位のバラツキが、±０．０２０°の範囲内であることが確認された。一方、比較例１～５のサンプルでは、方位がわずかにずれた小傾角粒からの回折ピークが複数見られ図３（ｂ）に示すように、最大２°の方位ずれが見られた。

【0044】

実施例２として坩堝の内径２５ｍｍφ長さ１０ｃｍで、内側表面がＢＮコートされたｐＢＮ製の坩堝で実施例１と同様にＭｇ₂Ｓｉ結晶を成長させた。結晶を切り出し、研磨した基板の表面観察写真を図４に示す。直径２５ｍｍφの小傾角粒界を含まない基板結晶が得られている。この基板結晶のロッキングカーブ測定を行った結果、図５に示すようにＭｇ₂Ｓｉ４００回折におけるＦＷＨＭ（半値全幅）が０．０１６°の鋭い単一ピークが得られ、サンプル内全体に渡って結晶方位のバラツキが、±０．０２０°の範囲内であることが確認された。

【0045】

（Ｉ－Ｖ特性の測定）
実施例２のｐＢＮ＋ＢＮコート坩堝での基板上および比較例１のＰＧ坩堝での基板上に、Ａｌを熱拡散して事前に裏面電極を作製し、さらにＡｕ保護電極を裏面に設けた。次に、表面にＡｇ拡散源（Ａｇ）およびＡｕキャップ層（Ａｕ）を真空蒸着により堆積し、熱拡散させた後、表面をウェットエッチングすることで、メサ構造を形成し、これによりｐｎ接合フォトダイオードを作製した。これらのフォトダイオードの製造工程の概要を図６に示す。
また、サンプルのＩ－Ｖ特性を図７に示す。実施例１の基板上のデバイスでは逆方向電流密度が十分に低く、順方向電流密度は高くなり、－１Ｖと＋０．５Ｖの電圧印加における整流比は２３００以上と良好な値を示した。一方、比較例１の基板上で小傾角粒界を含む部分に作製されたフォトダイオードでは整流性は確認されたものの整流比は６と小さい。
図８に同フォトダイオードの受光感度特性を示す。実施例２の基板上のフォトダイオードは比較例１の基板上のフォトダイオードに比べて概ね２桁高い感度が得られている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】