JPH01212723A - 分子線源用原料精製法および分子線エピタキシャル成長法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は化合物半導体単結晶の分子線エピタキシャル成
長に用いられる分子線源用原料の精製法および分子線エ
ピタキシャル成長法に関するものである。

［従来の技術］ 化合物半導体薄膜を得る技術の一つに分子線エピタキシ
ャル成長法（以下ＭＢＥ法という）がある。このＭＢＥ
法を実施できる分子線エピタキシャル成長装置（以下Ｍ
ＢＥ装置という）は１Ｇ”Ｔｏｒｒ程度の超高真空に保
持された成長室内に、液体窒素シュラウドで囲まれた分
子線源用セルとセルに対向する形で成長室内中央に取り
つけられた基板回転、加熱用のマニピュレータから構成
されている。

エピタキシャル成長膜を得るためには、分１１源用セル
を加熱し、セル中の原料物質を分子線として蒸発させ、
これを噴出させて加熱された基板に照射する。このＭＢ
Ｅ法における、原料の充填法として、従来は分子線源用
セルが装着されている成長室を大気開放した後に、成長
室から分子線源用セルを切り離し、セル内のるつぼに新
しい原料を充填し、その後成長室と分子線源用セルを再
びつなぎ真空排気をする方法、あるいは成長室と分子線
源用セル間にゲートバルブき呼ばれる隔絶バルブを設け
、このゲートバルブによって成長室内を真空に保持した
まま、分子線源用セルのみを大気開放して成長室から切
り離し、原料を充填した後に成長室と分子線源用セルを
ゲートバルブを介してつなぎ、分子線源セル内を真空排
気した後にゲートバルブを開く方法がある。

上記のような原料充填法においては、原料充填時に各部
分を大気にさらしているために真空排気後に吸着した水
分や他の不純物成分をを取り除くために、２００℃はど
の温度で数１０時間の加熱処理を施している。充填され
た原料については、分子線源用セルのヒーターを通常の
使用温度より数１０度高い温度で加熱し、原料表面に形
成された酸化物を取り除く処理を施している。

しかし、通常のＭＢＥ法で使用される原料の酸化物は蒸
気圧が低いため、このような加熱処理を施しても完全に
取り除くことは不可能である。

このような原料充填の煩雑さをなくす方法の一つとして
最近、有機金属ガスや水素化物のガスを原料としてＭＢ
Ｅ成長を行なうＭＯＭＢＥ法、もしくはガスソースＭＢ
Ｅ法と呼ばれる成長法が行われるようになってきた。こ
の方法は基本的にはＭＢＥ成長であるが、原料となるガ
スは成長室の外部がら配管を通して内部へ供給され、成
長室に取り付けられたノズルから分子線として基板上へ
さがれる。そのため原料を消費しきっても原料を充填し
ている容器と成長室間の配管の間のバルブを閉じること
により簡単に原料の交換が行なわれ、成長室を大気にさ
らすこともなく、原料を酸化させることもない。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明したように、従来のＭＢＥの原料充填法では充
填後に加熱処理を施しても原料表面に形成された酸化物
が完全に取り除けないため、エピタキシャル成長膜表面
にこの酸化物に起因する表面欠陥が存在するという問題
があった。

一方、原料にガスを用いるＭＯＭＢＥ法によれば、前記
のような酸化物が形成されないため、エピタキシャル成
長膜表面には上記のような酸化物による表面欠陥が存在
しないが、原料として有機金属を用いるため、未分解の
炭化水素がエピタキシャル成長膜中に取り込まれ、結晶
の純度を悪化させるという解決しなければならない課題
があった。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決するため、ＭＢＥ成長室とは
ゲートバルブで隔絶された分子線源用セルにガスを供給
・するノズルと真空排気孔を設け、ノズルから有機金属
等の原料物質である元素を構成成分とするガス化された
化合物体を分子線源用セル内に導入し、熱分解により原
料物質成分以外のガスを排気し、るつぼ内に酸化物を形
成することなく、原料物質だけを析出せしめ、酸化物に
起因するエピタキシャル成長膜の表面欠陥をなくすよう
にする方法にある。

以下、本発明を実施する装置を説明し、本発明の詳細な
説明する。

第１図は本発明を実施できる装置の一例を示す。６はＭ
ＢＥ成長室を示し、５はＭＢＥ成長室６内で、エピタキ
シャル成長工程中、分子線源用セルるつぼ１を囲む液体
窒素シラウドを示す。

ＭＢＥ成長室６の下側において、ゲートバルブ７を介し
て、分子線源用セル用ロードロック機構１０が設けられ
る。分子線源用ロードロック機構ｉ。

は、底板１４上に管体１５が固定され、その頂部に分子
線源用セルるつぼ１を保持できるように構成され、この
管体Ｉ５の周囲を覆って、底板１４と成長室側にわたっ
て、上下方向に金属製のベローズＩＧが取り付けられ、
内部を密封室とし、底板１４はペースＩ７と成長室側に
設けた支持部！８の間に固定された複数のガイド棒１９
と係合し、上下に移動でき、かつ所定の位置で停止して
維持できるように構成されている。

分子線源用セルるつぼ１に対する加熱用電力供給線２０
．るつぼ温度測定用の熱電対に対する電線２１は、管体
１５の下部となる底板１４より密封の状態で外部に引出
される。

ＭＢＥ成長室６の下部に設けたゲートバルブ７の外側で
、ゲートバルブ７と分子線源用セルるつぼ１との間に、
ゲートバルブ９を介して横方向よりガス導入用ノズル４
がガス導入用ノズル用ロードロック機構１１によって、
保持され、ゲートバルブ９の開によって分子線源用セル
るつぼ１の面を向いて突出させ、これを引込めてゲート
バルブ９を閉じるように構成される。ガス導入用ノズル
４はベローズ２２に一端が固定されており、ベローズ配
管１２をもってガス流量調整器３を介して有機金属シリ
ンダー２と連結され、又ベローズ配管１２をもってガス
導入ノズル排気用真空ポンプ１３と連結される。さらに
、ゲートバルブ７の下部で分子線源用セルるつぼ１に近
接する位置で排気孔２３が設けられ、排気孔２３は、バ
ルブ２４を介して真空ポンプ８に連結される。

図において、ベローズ１６は伸長した状態を示している
が、ゲートバルブ７を開き、管体１５を上方に移動させ
るとき、分子線源用セルるつぼ１はゲートバルブ７を通
り、第２図に示すように、液体窒素シュラウド５によっ
て取り囲まれる位置で維持することができる。

次にＧａＡｓエピタキシャル成長用ＭＢＥｇ置に装いて
、前記装置を用いてガリウムの精製を例に説明する。ガ
リウム精製の原料としてはＭＯＭＢＥ法の原料として使
用されているトリメチルガリウムを使用する。

超高真空に排気された状態で、第１図に示すように分子
線源用セルるつぼ１をロードロック機構１０の中に移し
、ゲートバルブ７を閉じた状態においてゲートバルブ８
を開き、あらかじめ真空ポンプＩ３により内部を排気し
ておいたガス導入用ノズル４を挿入する。

次にトリメチルガリウムが充填されているシリンダー２
のバルブ２５を開き、ガス流量調整器３において流■が
制御されたガスをノズル４から導入する。このとき、る
つぼはその周囲に配置されたヒーターによりトリメチル
ガリウムが熱分解する温度より高い６００℃に加熱され
ており、るつぼ内に導入されたトリメチルガリウムはガ
リウムとメタン等の炭化水素ガスに分解する。分解によ
り生した炭化水素ガスは真空ポンプ８によってロードロ
ツタ機構ｌＯから排気され、るつぼ内には６００℃では
ほとんどガス化しないガリウムのみが析出する。

上記のような方法をとることにより酸化膜を形成するこ
となしにガリウムを精製することが可能となり、この分
子線源セルを成長室に移して、分子線エビタキンヤル成
長を行なうと、従来、ガリウムの酸化膜に起因していた
ＧａＡｓエピタキシャル成長表面の表面欠陥除去に有効
にｅく。又、ＭＯＭＢＥ法と同じ原料を使用しているが
、を機金属を完全に分解してガリウムを精製しているた
め、炭化水素のエピタキシャル成長膜への取り込みも防
ぐことができ、成長膜の純度を悪化させることもなく、
高純度の成長膜作成に関しても有効に働く。

［実施例］ 第１図に示した装置でトリメチルガリウムからガリウム
の精製を行った。

ガリウム精製の条件は次のとおりとした。

（１）トリメチルガリウム導入前のロードロツタ機構内
圧カニ　Ｉ　Ｘ　ｌｏ−９Ｔｏｒｒ ■ガリウム精製時圧カニ　１．５Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ
ｃ３）トリメチルガリウム導入ｍ　：　１００ｃｃ　／
分（Φるつぼ加熱温度＝６００°Ｃ ■精製時間＝３時間 上記条件でガリウム精製を行い、約５０ｇのガリウムを
得た。

トリメチルガリウム供給停止後、ロードロック機構を再
びｌＸｌ０”θＴｏｒｒまで排気した後、成長室と分子
線源セルとの間のゲートバルブを開き、第２図に示すよ
うな位置に分子線源用セルを挿入した後に、ＧａＡｓエ
ピタキシャル膜の成長を行なった。

成長条件は下記のとおりである。

（１）基板二半絶縁性ＧａＡｓ　（１００）基板■成長
温度＝６００℃ ■ガリウムセル温度：　１０１０℃ （４ヒ素セル温度：２４５℃ ■成長時間＝３時間 （ｅシリコンをキャリア濃度が３　Ｘ　１０”ｃｍ−’
程度となるように添加した。

結果として、厚さ３．５μｍのエピタキシャル成長膜を
得た。表面欠陥密度は約１８０個／ｃＪとなり、通常の
ＭＢＥ成長により得られた同じ膜厚のものに比べて欠陥
は約２０分の１も減少させることができた。

気 電億特性に関しても、液体窒素温度での電子移動度が７
８．０００　ｃぜ／Ｖ−（８）と高純度であり、炭化水
素の膜中への取り込みによる純度悪化は見られなかった
。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によればＭＢＥ装置におい
て、原料充填時に形成される酸化物に起因するエピタキ
シャル成長膜の表面の欠陥の低減に効果的である。また
、原料物質を超高真空を保ったまま、成長室に移し、直
ちに分子線エピタキシャル成長工程に入ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する装置を示し、第２図は第１図
装置において、分子線源セルるつぼの移動状態を示す。 １・・・分子線源用セルるつぼ、２・・・有機金属シリ
ンダ、３・・・ガス流量調整器、４・・・ガス導入用ノ
ズル、５・・・液体窒素シュラウド、６・・・ＭＢＥ装
置、７・・・ゲートバルブ、８・・・真空ポンプ、９・
・・ゲートバルブ、１０・・・分子線源セル用ロードロ
ック機構、１１・・・ガス導入用ノズル用ロードロツタ
機構、１２・・・ベローズ配管、！３・・・ガス導入用
ノズル排気用真空ポンプ。 壽１　図 埠２　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）分子線エピタキシャル成長装置の成長室に配置さ
   れ、原料物質を加熱し、分子線として噴出させる分子線
   源セルを前記成長室とはゲートバルブで隔絶した密封室
   に移した状態で、前記密封室内の分子線源セルのるつぼ
   に原料物質である元素を構成成分とする化合物体を導入
   して加熱し、熱分解により生じた原料物質以外のガスを
   真空排気することにより前記分子線用セルのるつぼ内に
   原料を析出させることを特徴とする分子線源用原料精製
   方法。
2. （２）分子線源用セル内に導入する化合物体として有機
   金属化合物を使用することを特徴とする請求項１記載の
   分子線源用原料精製法。
3. （３）請求項１記載の発明により、るつぼに原料物質の
   析出した分子線源セルをゲートバルブを開いて分子線エ
   ピタキシャル成長装置の成長室に移し、分子線エピタキ
   シャル成長を行うことを特徴とする分子線エピタキシャ
   ル成長法。