JPH0331677B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔技術分野〕 本発明は、真空中で結晶成長を行なうにあた
り、成長膜厚の制御として単原子層を単位とし
て、一層ごと数えながら任意所望の層数まで成長
を行う結晶成長膜厚制御法に関する。 〔従来技術〕 従来、真空中での結晶成長（以下結晶成長と呼
ぶ）においては、成長膜厚の制御は結晶成長装置
のシヤツタの開いている時間で行なつていた。さ
らに、混晶結晶の混晶組成比（以下組成比と呼
ぶ）は、結晶を成長させた後にＸ線や組成分折装
置等により決定していた。以下、これらを図面を
参照して説明する。 第１図ａは結晶成長装置の慨略構成図であり、
ここで、１は結晶基板（以下基板と呼ぶ）、２は
基板１を加熱するヒータ、３は結晶成長に必要な
材料（以下ソースと呼ぶ）であり、GaAsの場合
にはGaやAs、あるいはドーパントのSiやBeであ
る。ソースをイオンとして得たい場合にはイオン
ガン４を設ける必要がある。さらに、ソースが高
融点材料である場合には電子銃やスパツタリング
装置５が必要である。また、ソースがガス状態で
ある場合には、ボンベ６及び流量コントローラ７
が必要である。それぞれのソースには、ソースの
蒸気（以下フラツクスという）を開閉するセルシ
ヤツタ（以下シヤツタと呼ぶ）８を設けてある。 ９は全てのソースのフラツクスを基板１に対し
て開閉するメインシヤツタである。いずれのシヤ
ツタにもそれを駆動するシヤツタ駆動装置１０が
備えてある。１１は各々のソースのフラツクスの
量を知るための真空計、すなわちフラツクスモニ
タである。 １２は反射電子線回折装置（以下RHEEDとい
う）のガン（銃）の部分であり、このガン１２か
ら出た電子１３は基板１の表面を通りRHEEDの
蛍光スクリーン（以下スクリーンという）１４に
達する。このとき電子１３は基板１によつて回折
を受け回折電子線の像がスクリーン上に映る。こ
れをRHEED像と呼ぶ。第１図ｂはその一例を模
写した図である。以上の各部は全て真空槽１５の
中に入つている。 基板１上に結晶を成長させるには、基板１をヒ
ータ２で適度に加熱しておき、必要とするソース
３やその他のソースのシヤツタ８及びメインシヤ
ツタ９を開き、他方、成長を止めるためにはこれ
らシヤツタ８および９を閉じる。GaAs、
AlGaAsのような結晶を成長させるには、通常As
のフラツクスは常に開けておき、GaやAlのシヤ
ツタのみを開閉して成長の開始及び停止を行な
う。混晶の場合は、GaとAlのシヤツタを同時に
開閉して成長の開始及び停止を行なう。以後、結
晶としてはGaAs、AlAs、混晶としてAlGaAsを
例にして説明を行なう。 従来、成長した結晶の膜厚を知るためには、先
ず、成長前にフラツクスモニタ１１でGa、Al及
びAsのフラツクスをあらかじめ測定し、その後
そのフラツクスで長時間（約１時間）成長した膜
厚（約5000Å〜2μｍ程度）を光学干渉顕微鏡や
薄膜厚計にて計測し、膜厚の成長速度とフラツク
スとの関係を示す成長速度の較正表を作り、２度
目からはフラツクスの値と成長時間のみで成長速
度から膜厚を推定する方法がとられていた。短時
間成長で得られる単原子層に近い数Åから数100
Åの場合にもこの長時間成長で得た成長速度の較
正表を基にして全く同様にフラツクスの値と成長
時間から推定していた。しかし、この方法ではシ
ヤツタを開いた直後のフラツクスの時間変化によ
る成長速度変化を考慮していいため、単原子層程
度の膜厚の制御は不可能である。 第２図にシヤツタを開けた直後のGaのフラツ
クスの時間変化の実施例を示す。 シヤツタを開いてから数分間にわたりフラツク
スが変化し、この間は成長速度は一定ではない。
従つて、従来行なわれてきた成長速度の較正表を
用いる方法は、成長速度が一定とならない時間帯
では適用できない。特に超格子のようなデバイス
を作る場合には、数秒間から数分間にシヤツタの
開閉を必要とするため、成長速度が一定となつて
いない時間帯にシヤツタの開閉を行なうことにな
り膜厚が定まらないことになる。 第３図ａおよびｂにＡ，Ｂの２種類の結晶を遂
次成長した場合の単原子層の並びの２つの例を模
式的に示す。 第３図ａは、上述のように従来の方法で成長し
た場合の例であり、単原子層単位では界面がゆら
いでいる。 第３図ｂは、本発明による方法で成長した場合
の例であり、単原子層単位で界面が定まつてお
り、膜厚が正しく制御されていることを示してい
る。 さらにまた、Al_xGa_1-xAsのような混晶結晶を
作つた場合には混晶組成比ｘを決定する必要があ
る。このｘを決定するには、従来、次の方法がと
られている。即ち、成長前にGa、Al、Asのフラ
ツクスを第１図のフラツクスモニタ１１で測定し
ておき、それぞれのフラツクスでのGaAs及び
AlAsの両結晶の成長速度を出しそれぞれの較正
表を作る。GaAsとAlAsの成長速度から同時成長
した場合の成長速度と組成比ｘを求め、成長後に
Ｘ線による格子定数の測定、組成分折による分折
などを行ない、どデータも矛盾なく説明できる値
を組成比ｘの値と決定する。従来行われているこ
の組成比の決定においても、長時間成長における
成長速度を基にしているため、フラツクスが一定
値とならない時間帯では組成比を決定できない。 このように、従来行なわれている膜厚制御およ
び組成比決定に必要な成長速度の決定において、
最も重要な長時間成長による膜厚の測定には実際
上かなりの因難があり、それほど正確には求まら
ず、有効数字にして１桁から２桁の精度である。
従つて、従来の方法による膜厚の精度や組成比の
精度も高々２桁である。しかも、短時間成長の場
合は、これよりさらに精度が低い。組成比を原理
的に高精度に求めることができれば、組成比の定
まつた標準結晶ができることになる。 従来の膜厚の制御方法では、上述のように膜厚
が定まらず、ヘテロ接合の界面が不確定になる。
しかもまた、混晶の組成比が定まらないため、実
際にはデバイスの設計通りには製作できないこと
になる。 従つて量子井戸レーザや多量子井戸レーザのレ
ーザ波長が広がつたり、数本に分裂したり、レー
ザ波長自身が設計値通りには実現されなかつたり
する。LEDにおいては、発光波長が設計値から
ずれたり、効率が悪くなつたりする。また、
HEMT（高電子移動度トランジスタ）や２次元電
子の伝導を用いるデバイスでは、界面の乱れや、
ポテンシヤル段差の設計値からのずれのため、界
面による散乱や２次元電子濃度の設計値からのず
れなどを生じ、高速動作の妨げとなる。 さらに、１バリアダイオード、２バリアダイオ
ード、チヤープ超格子のように、縦形の超格子デ
バイスや、超格子ゲートFETなどにおいては、
界面の不確定性や設計値のずれにより、特性が大
きくばらつくことになる。 このように、各素子を作成するにあたりいずれ
も上述の問題点の解決、改善が強く期待される。 〔発明の目的〕 そこで、本発明の目的は、上述のような欠点を
取り除き、量子井戸レーザや多量子井戸レーザや
LEDにおいては、その波長の狭帯化、波長安定
化高効率化、さらに、HEMTや２次元電子デバ
イスでは、高速化、高信頼化、超格子デバイスで
は特性の安定化、高精度化、高信頼化が行なえる
ように、定まつた界面と、非常に良く制御された
膜厚や組成比をもつた結晶が成長できる結晶成長
膜厚制御法を提供することにある。 〔発明の構成〕 かかる目的を達成するために、本発明は、真空
中における結晶成長にあたり、反射電子線回折装
置により反射電子線回折像を形成し、その回折像
の強度の時間変化に同期して結晶成長の開始及び
停止を制御することを特徴とする。 〔実施例〕 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。 第４図は本発明に適用される結晶成長装置の概
略構成図を示す。ここで、第１図と同様の部分に
ついては同一符号を付してその詳細な説明は省略
する。 図において、１６はカメラレンズ、１７は光フ
アイバ、１８は光フアイバを縦横に移動させるＸ
−Ｙステージ、１９は受光器、２０はレコーダ、
２１はＡ−Ｄ変換器、２２はコンピユータ、２３
はシヤツタ開閉駆動制御装置である。 いまスクリーン１４上に映出されたRHEED像
をカメラレンズ１６でＸ−Ｙステージ１８の上の
結像させ、その像の適当な一点の光をフアイバ１
７で受光器１９に導き、その出力信号をＡ−Ｄ変
換器２１を通してコンピユータ２２に供給する。
一方、受光器１９の出力信号をレコーダ２０にも
出力してモニタする。コンピユータ２２の指令に
基づきシヤツタ開閉駆動制御装置２３が働き、そ
れぞれのソースのシヤツタ８、メインシヤツタ
９、イオン銃４の引き出し電圧、ガスの流量制
御、電子銃５の電子電流等が開閉、半開、ON、
OFF等の制御ができるようにすることができる。 RHEED像の中でも特に強度の強い、鏡面反射
の電子線の像（以後スペキユラという）の強度を
結晶成長開始と同時にレコーダに記録した実測例
を第５図ａに示す。GaAs結晶を成長しているた
め、Gaソースのシヤツタを開けて結晶成長を開
始した時点が第５図ａのであり、この時点から
結晶の成長は開始し、時間とともに、このスペキ
ユラの強度は、、、…と振動する。ス
ペキユラ以外の点でも振動は生じている。 現在このRHEED像に振動が出る理由として
は、結晶の成長メカニズムが第５図ｂに示すよう
になつているためと解釈されている。即ち成長が
進むときは、一面に点々と島状に微結晶が広がつ
てゆき、のように被覆率が半分（θ＝0.5）の
とき最も凹凸のはげしい表面となる。さらに成長
が進み、の時に一層の成長が終り、そのほとん
どが新しい成長層で覆われ、再びきれない平面状
態を示すようになる。以下これを繰り返すため、
RHEED像の強度が振動する。さらにこの振動数
が成長速度に比例することが知られている。 ところで、本発明者は、後に示すように、この
RHEED像の振動の１周期が１単原子層に正確に
対応することを確認した。以下、RHEED像の１
周期は１単原子層に相当するとして説明する。従
つて、第５図ａのからの間に１単原子層、
からまでに１単原子層が成長したことになる。
そこで成長開始と同時にこの振動の数を計数する
ことにより、何層目の成長をしているかを知るこ
とができる。GaAs、AlAs結晶の単原子層は、
GaとAsの対層、AlとAsの対層がそれぞれ単原子
層である。Al_xGa_1-xAsのように混晶の場合は、
（AlAs）_xと（GaAs）_1-xとの両方で１単原子層を
形成する。 このRHEED像の振動の開始する初期位相は、
RHEED像の像位置、結晶方位、電子線の入射
角、電子線の入射方向、電子線のエネルギー、基
板の温度、Asフラツクス強度に依存し、正確に
初期位相を制御することが現在はかなり困難であ
る。 初期位相が変わつた場合の実測例を第６図ａ〜
ｅに示す。 第６図ａ〜ｅにおける番号〜のうち、どの
初期位相で振動が開始したとしても〜が１単
原子層であり、〜が次の１単原子層に相当す
る。従つて、第４図において、受光器１９の出力
信号をＡ−Ｄ変換器２１を通してコンピユータ２
２に入力し、コンピユータ２２にて、成長開始の
時点からこのRHEED像の振動の様子を測定し、
成長中には第何層目のどの位相点で成長中かをコ
ンピユータ２２に判断させることができる。従つ
て、第６図ａ〜ｅにおいて丁度成長を開始した初
期位相に整合のとれたやと同等の位相に同
期して、成長をとめることができるようにコンピ
ユータ２２からシヤツタ開閉駆動制御装置２３に
信号を送ることができる。シヤツタ開閉駆動制御
装置２３はコンピユータの信号によつてシヤツタ
駆動装置１０を起動する。さらに、この制御装置
２３はガスの流量コントローラ７、イオン銃４の
引き出し電圧、電子銃５の電子電流を制御して結
晶成長を停止することができる。以上のようにし
て、任意の単原子層数のところで成長を止めるこ
とができる。 RHEED像の振動は第５図、第６図に示すよう
に減衰振動を示しており、長時間経ると振動は見
られなくなり、単原子層数が数えられなくなる。
しかし、種々の初期位相を持つたRHEED像の振
動が、シヤツタを開いて成長を開始した後に、減
衰したとしても、第７図ａ〜ｅに示すように、シ
ヤツタを閉じて成長を一時中断し、回復時間をお
いて、再びシヤツタを開いて成長を開始すると、
再び振動が現われる。このとき、回復時間が短い
と、生じる振動の振幅も小さく、回復時間が十分
に長いと全く同じ振幅で振動が再開される。第７
図ａ〜ｅにおいて黒くなつているところが、振動
しているところである。 第８図の実施例では、GaAs結晶の成長の停止
は完全に振動が消滅する前に行ない、しばらくの
回復時間をおいて再び成長を再開する方法で、
GaAs層を、37層積層し、その上に同じく30層さ
らにその上に18層を成長させ、計85層、膜厚にし
て240.55Å（１単原子層をGaAsの格子定数 a₀＝5.65Åの半分a₀／２＝2.83Å として計算）積層したことになる。振動の減衰が
はげしく振動の山谷がノイズレベルになる場合に
は、コンピユータによつてこれを判断し、上述の
回復期間を入れて成長を再開することにより、ほ
ぼ無限に近い、すなわちソースが無くなるまで、
成長層数をデジタル計数しながら成長させること
ができる。従つて、成長膜厚も単原子層に換算し
て何層まで成長したかに応じて、（層数）×（単原
子層の厚み）で計算することができる。 第９図の実施例は、異なる結晶のヘテロ接合及
び混晶を成長させたときのRHEED像の振動の例
である。 この例では、先ずGaシヤツタを開いてGaAsを
10層成長し、次にGaは開いたままAlのシツタを
開きAlGaAsを10層成長させ、その上にGaシヤ
ツタを閉じてAlAsのみを10層成長させ、さらに
Gaシヤツタを開いてAlGaAsを10層成長させ、
最後にGaAsのみを10層成長させたものである。
以上により合計50層（約142.5Å）成長した。 第９図から明らかなように、RHEED像の強度
の１振動が１単原子層に相当しているため、この
振動数から混晶Al×Ga_1-xAsの組成比ｘを直接知
ることができる。即ち、GaAsの振動数をｆ
（GaAs）AlAsの振動数をｆ（AlAs）とするなら
ば、組成比ｘは、 ｘ＝ｆ（AlAs）／ｆ（GaAs）＋ｆ（AlAs） (1) で与えられる。一方、Al_xGa_1-xAsの振動数をｆ
（AlGaAs）とするならば、組成比ｘは ｘ＝ｆ（AlGaAs）−ｆ（GaAs）／ｆ（AlGaAs）
(2) で与えられる。式(1)と(2)で与えられるｘの値は本
来一致すべきである。式(1)はAlAs、GaAsの各々
の振動数が知れていて、これら両方を同時に成長
させたとき成長する混晶Al_xGa_1-xAsの組成比ｘ
を与えるものである。式(2)は、AlGaAs、GaAs
の各々の振動数が知れていて、これから成長して
いるAlの濃度を知る方法である。Gaのセル温度、
即ち出てくるGaのフラツクスを一定にしておき、
Alのセル温度、即ちAlのフラツクスを変えなが
ら式(1)と(2)の一致の仕方を見たのが次の第１表で
ある。第１表からわかるように、両式(1)と(2)との
一致は非常に良い。

〔効果〕

以上から明らかなように、本発明によれば、
RHEED像の強度変化に同期して成長をオン・オ
フすることにより、単原子層の膜厚単位で成長を
行うことができ、膜厚制御の精度が大幅に向上す
る。従つて、成長した膜厚を正確に測定すること
ができる。さらに加えて、ヘテロ接合を行なつた
場合でもその界面が原子層単位で平担である。こ
のため、量子井戸レーザLEDではその波長の狭
帯化および高信頼性ができ、HEMTでは高速化、
超格子デバイスでは特性の安定化がはかられる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来の結晶成長装置の概略構成図、
第１図ｂは第１図ａの装置のスクリーン上に映る
RHEED像の模写図、第２図はシヤツタを開けた
直後のGaのフラツクスの時間変化の実測例を示
す線図、第３図ａおよびｂはそれぞれ２種類の結
晶を遂次成長した場合の単原子層の配列例の模式
図、第４図は本発明の適用される結晶成長装置の
一例を示す概略構成図、第５図ａは回折線像の鏡
面反射点の強度の振動を示す波形図、第５図ｂは
第５図ａの振動に対応する成長結晶表面の状態を
示す線図、第６図ａ〜ｅはそれぞれ初期位相が異
なるときの回折線像の鏡面反射点の強度の振動を
示す波形図、第７図ａ〜ｅはそれぞれ結晶成長過
程におけるRHEED像の振動とその回復時間の関
係の一例を示す波形図、第８図は結晶成長過程に
おけるRHEED像の振動の一例を示す波形図、第
９図は結晶のヘテロ接合および混晶を成長したと
きのRHEED像の振動の一例を示す波形図、第１
０図はGaAs結晶中に所定層のAlAsを配した結晶
の断面の一例を、その結晶構造を示す写真と共に
示す模式図、第１１図はGaAs3層、AlAsを３層
交互に成長して（GaAs）₃（AlAs）₃超格子を形成
したときのRHEED像の振動波形の一例を示す波
形図、第１２図および第１３図それぞれ本発明を
実施するのに適用される結晶成長装置の他の構成
の２例を示す概略構成図である。 １……結晶基板（基板）、２……ヒータ、３…
…結晶成長に必要な材料（ソース）、４……イオ
ンガン、５……スパツタリング装置又は電子銃、
６……ボンベ、７……流量コントローラ、８……
セルシヤツタ、９……メインシヤツタ、１０……
シヤツタ駆動装置、１１……真空計（フラツクス
モニタ）、１２……反射電子線回折装置の銃、１
３……電子、１４……蛍光スクリーン、１５……
真空槽、１６……カメラレンズ、１７……光フア
イバ、１８……Ｘ−Ｙステージ、１９……受光
器、２０……レコーダ、２１……Ａ−Ｄ変換器、
２２……コンピユータ、２３……シヤツタ開閉駆
動制御装置、２４……交流磁界発生コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 真空中における結晶成長にあたり、反射電子
   線回折装置により反射電子線回折像を形成し、そ
   の回折像の強度の時間変化に同期して結晶成長の
   開始および停止を制御することを特徴とする結晶
   成長膜厚制御法。