JPH0354191A - 分子線結晶成長装置 - 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） 本発明は、■−■族化合物半導体の薄膜結晶をエピタキ
シャル成長させる分子線結晶成長装置に関する。

（従来の技術） 第７図及び第８図は、従来の分子線結晶成長装置の概念
図である。

第７図の装置は、液体窒素シュラウドｌ１を備えた成長
室ｌの中央に、半導体基板２をマニピ１レータ３で支持
し、該基板に対向する拉置に、薄膜結晶の構戊元素の固
体原料を充填する複数の分子線源４を設置したものであ
り、成長室ｌを超高真空に保ち、分子線源４からのそれ
ぞれの構成元素の分子線を成長温度に加熱した該基板２
に照射してエピタキシャル成長させ、薄膜結晶を成長さ
せるものである。

第８図の装訳は、第７図の装置の分子線源に気体原料を
使用したもので、該気体原料はガスボンベ１２ｇご充填
し、バルブ１３及び流量コントローラｌ４を介して気体
原料分子線源ｌ６に送り、ヒータ１５により分解して■
族元素の分子線を発生させ、シャッター５で制御して他
の分子線とともに基板２に照射してエピタキシャル成長
させ、薄膜結晶を成長させるものである。

（発明が解決しようとする課題〉 従来の分子線結晶成長装置では、複数の分子線源が基板
に対して等距離に配置されていた。例えば、ＧａＡｓ単
結晶基板上にＧａＡｓ＋エピタキシャル成長させる場合
には、基板に対して等距離の位置にＧａを充填した分子
線源と八８を充填した分子線源が設置されていた。とこ
ろが構成元素により基板に付着する付着効率が異なる。

この場合はＧａに比べて＾Ｓの付着効率が小さいため、
ＧａＡｓ結晶を成長するときには、Ｇａ分子線よりも過
剰に＾Ｓ分子線を供給しなければならない。従って、分
子線源に充填する＾Ｓ原料は、Ｇａ原料よりもずっと早
く無くなるという問題があった。

さらに、結晶成長に使われなかった余分のＡｓは、成長
室内部に設置された液体窒素シュラウドの表面や成長室
の内壁に多星に付着して成長室内をＡｓの粉塵で汚染す
る。そして、基板表面を汚染して結晶欠陥の発生原囚と
なったり、また、成長室内のマニビュレー夕等の各種の
機構部に八Ｓ粉塵が入り込み、損傷の原因となる。

前者の問題に対しては、＾Ｓを充填する分子線源の容積
を大きくするか、分子線源を複数設置することが考えら
れるが、装置の構造１二の制約から十分な効果をあげる
ことができなかった。また、Ａｓ分子線源のみをバ仮に
近接し，て設置することも考えられるが、従来の分子線
源では、他の分子線源から照射される分子線の障害にな
るため、基板にあまり近付けることができず、十分な効
果をあげることができなかった。

これらの現象はひ素化合物の結晶成長に特脊の問題では
なく、リン化合物や他の化合物の結晶成長においても重
要な問題である。

本発明は、上記の問題を解消し、基板に対する付着効率
の小さな構戒元素の分子線を有効に基板に照射すること
により、他の分子線の原料消費速度との極端な差を無く
し、該元素による基板等の汚染を抑制することを可能に
した分子線結晶成長装置を提供しようとするものである
。

（課題を解決するための手段） 本発明は、■−■族化合物半導体の薄膜結晶をエピタキ
シャル成長させる分子線結晶成長装置において、■族元
索の固体原料を充填する分子線源を基板に対向して配置
し、該■族元素の分子線を妨げず、基板に近接した領域
に■族元索分子線供給管を配置し、該供給管は基板に対
向する位置に複数の開口を有する環状部又は棒状部と、
Ｖ族元素分子線源と接続して内部にシャッターを脊する
接続部とからなり、該供給管の周りＨには加熱用ヒータ
を設けたことを特徴とする分子線結晶成長装置である。

なお、Ｖ族元素の原料は、固体原料の外に気体原料を使
用することができる。気体原料を使用するときには、こ
れを充填する分子線源を、該気体原料の分解装置を介し
て■族元素分子線供給管に接続すればよい。■族元素の
固体原料としては、Ａｓを、気体原料としては、アルシ
ンを挙げることができる。また、分子線供給管は、夕冫
タル、モリブデン、タングステン、ステンレス、酸化ア
ルミニウム、パイロリティック・ボロンナイトライドな
どにより作製するか、タンタル、モリブデン、タングス
テン、ステンレスなどにより作製した供給管の表面を酸
化アルミニウム、パイロリティック・ボロンナイトライ
ドでコーティングして得ることができる。

（作用） 第Ｉ〜６図は、本発明の具体例を示したもので、第１図
は■族元索として固体原料を充填する分子線源と、環状
分子線供給管を備えた結晶成長装置の断面図であり、第
２図は環状分子線供給管の平面図である。第３図は■族
元索として気体原料を使用し、環状分子線供給管を備え
た結晶或長装置の断面図であり、環状分子線供給管の平
面図は第２図と同じである。第４図は棒状分子線供給管
を備えた結品成長装置の断面図であり、第５図は第４図
の装置に固体原料用の分子線源を設けた結晶成長装置の
側断面図、第６図は第４図の装置に気体原料用の分子線
源を設けた結晶成長装置の側断面図である。これらの結
晶成長装置は、第７図の従来の結晶成長装置とＶ族元素
の分子線源を異にする以外、他の構成に違いはないので
、分子線源を中心｛こ以下説明する。

第１図は、■族元素の固体原料を充填する分子線源４を
、分子線供給管と接続し、該分子線供給管は基板２の外
周よりやや大きな環状部６とこれを固体原料分子線源４
とｆｆ続する接続部７からなり、該環状部６には基板２
に対向する位置に分子線を照射するための開１］８を設
け、分子線供給管全体をヒータ９で加熱して管内で凝縮
することを防１ヒしている。

なお、分子線の照射を制御するためのシャッター１０は
上記接続部７に設ける。

結晶成長の手順は、まず、液体窒素シュラウドｌ１を冷
却して或長室ｌを超高真空に保持した後、マニビュレー
タ３により基板２を成長室ｌの中央に配置し、複数の分
子線源４の固体原料を加熱蒸発させてそれぞれの分子線
を発生させ、シャッター５及び１０を適宜開閉してエピ
タキシャル成長を行う。■族元索については、分子線源
４から分子線供給管の接続部７及び環状部６を通って開
口８より基板２に向かって有効に照射される。他の分子
線は」二記環状部の中央を通って基板２に照射されるの
で、該環状部が照射を妨げることはない。分子線供給管
は全体がヒータで加熱されているので、管内で分子線原
料が廖烏して付青することもない。このように、基板に
対する付着効率の小さな構或元素である■族元素の分子
線を有効にμ板に照射することができ、該分子線原料を
液体窒素シュラウドや成長室内壁に付着消費することを
抑制することができ、かつ、該元素による基板の汚染も
大幅に抑制することができた。

第３図は、第１図の結晶成長装置で、■族元素として固
体原料を使用する代わりに気体原料を用いる点で相違す
るだけで、分子線供給管の構造は第１図のものと同じで
ある。Ｖ族元索の気体原料は、ボンベｌ２に充填し、バ
ルブｌ３及び流墳コントローラ１４を介して気体原料分
子線源１６に送り、ヒータ１５で加熱してＶ族元素に分
解し、分子線供給管の接続部７介して環状部６に送り、
開口８より基板２に照躬するようにしたものである。

■族元素その他の原料の供給も第１図と同じであり、作
用効果においても同様である。

第４図は、第１図の結晶或長装♂ｔで、■族元素の分子
線供給管の環状部の代わりに棒状部ｌ７を用いたもので
他に違いはない。第５図は、第４図の分子線供給管を中
心にして側面から見た拡大図である。即ち、棒状部ｌ７
は、図而にみるように、他の固体原料を充填した分ｊ’
ｌｉｔａｆｌＡ４から照射される分子線（実線で示す）
の視野の範聞外に設置するものであり、開口８から照射
されるＶ族元素の分子線は、図中点線のように基板ｌ７
に照射される。

第６図は、第４図の結晶成長装置で、■族元素として固
体原料を使用する代わりに気体原料を用いる点で相違す
るだけで、棒状分子線供給管については第４図のものと
同じであり、■族元素の気体原料分子線源等の構成は第
３図のものと同じであるから、説明を省略する。

（実施例ｌ） 第１図の分子線結晶成長装１ｄを用いて、直径５０＋ａ
ｍのＧａＡｓ基板上にＳｉドーブＧａＡｓ薄膜をエピタ
キシャル成長させた。分子線供給管′は、管の直径がＬ
ｏｓｍで、その環状部は直径７０ｍｍで基板の下方約３
０ｍｓに配置し、環状部の内周に等間隔で８カ所に開口
を基板に向けて設け、分子線供給管全体をＴａ製で作成
し、セラミックス製の碍子により絶縁してその周四にＴ
ａ製ヒータを付設した。この分子線供給管に接続する分
子線源には１５０ｇの固体のＡｓを充填して、２００〜
２３０℃に加熱した。また、上記の分子線供給管のヒー
タを約４００℃に加熱した。

基板の下方１５０ｍｓに配置した２つの分子線源には、
７０ｇの固体のＧａとｌＯｇの固体のＳｉをそれぞれ充
填し、９６０℃と１１００℃に加熱した。

Ｇａ，　Ａｓ，　Ｓｉの各分子線源のシ・ヤッターは同
時に約１時間開放して、ＳｉドーブＧａＡｓ薄膜を約ｌ
μｍ成長させた。このような成長を繰り返したところ、
Ｇａ原料とＡｓ原料゛はほぼ同様に消費し尽くした。Ａ
ｓ粉塵による基板の汚染が原因と思われるＧａＡｓエピ
タキシャル層の結晶欠陥はなくなり、成長室内の汚染は
ほとんど見当たらず、マニビュレータなどの機構部のト
ラブルは全く発生しなかった。

比較のために、第７図の装置を用い、分子線供給管を使
用せずに、成長室下方の分子線源に７０ｇのＧａと１５
０ｇの＾Ｓをそれぞれ充填し、」二記の実施例と同様に
ＧａＡｓエピタキシャル戚長を繰り返したところ、Ａｓ
の消費礒は実施例の約１０倍必要となり、基板の汚染と
思われる結晶欠陥は２００個７ｃｍ”程度であり。成長
室内のＡｓによる汚染は大分進行していた。

（実施例２） 第３図の分子線粘晶成長装置を用い、■族元素の原料と
してアルシンを１６０ｇボンベに充填し、分解用ヒータ
を８００〜１０００℃に加熱してアルシンを分解して八
Ｓを環状分子線供給管より供給した点を除き、実施例ｌ
と同じ条件でＧａＡｓ基板］一にＳｉドーブＧａＡｓ薄
膜をエピタキシャル成長させた。その結果、Ｇａ原料と
Ａｓ原料はほぼ同様に消費し尽くした。Ａｓ粉塵による
基板の汚染が原因と思われるＧａＡｓエピタキシャル層
の結晶欠陥はなくなり、マニヒ乞・レークなどの機構部
のトラブルは全く発生しなかった。

比較のために、第８図の装置を用い、分子線供給管を使
用せずに、成長室下方の分子線源に７０ｇのＧａと１６
０ｇのアルシンをそれぞれ充填し、上記の実施例と同様
にＧａＡｓエビタキンヤル成長を繰り返したところ、Ａ
６の消費量は実施例の約ｌＯ倍必要となり、基板の汚染
と思われる結晶欠陥は２００個／ａｓ”であり、成長室
内のＡｓによる汚染は大分進行していた。

（発明の効果） 本発明は、上記の構成を採用して、付着効率の低い■族
元素もしくは該元素を含む化合物から■族元素分子線を
発生させ、基板の近くに配置した分子線供給管の開［１
より効率的に該分子線を照射することができ、その結果
、■族元素原料を有効に使用することができるようにな
り、かつ、基板や成長室内の機構部の汚染も大幅に減少
させることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図は、本発明の分子線結晶成長装置の具体例を
示した概念図であり、第１図は■族元素として固体原料
を充填する分子線源と、環状分子線供給管を備えた結晶
成長装置の断面図、第２図は環状分子線供給管の平面図
、第３図はＶ族元素として気体原料を使用し、環状分子
線供給管を備えた結晶成長装ｉρの断面図、第４図は棒
状分子線供給管を備えた結晶成長装置の断面図、第５図
は第４図の装置に固体原料用の分子線源を設けた結晶成
長装置の側断面図、第６図は第４図の装置に気体原料用
の分子線源を設けた結晶戚長装置の側断面図、第７図及
び第８図は従来の分子線結晶成長装置の断而図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）III−Ｖ族化合物半導体の薄膜結晶をエピタキシ
   ャル成長させる分子線結晶成長装置において、ｍ族元素
   の固体原料を充填する分子線源を基板に対向して配置し
   、該III族元素の分子線を妨げず、基板に近接した領域
   にＶ族元素分子線供給管を配置し、該供給管は基板に対
   向する位置に複数の開口を有する環状部又は棒状部と、
   Ｖ族元素分子線源と接続して内部にシャッターを有する
   接続部とからなり、該供給管の周囲には加熱用ヒータを
   設けたことを特徴とする分子線結晶成長装置。
2. （２）Ｖ族元素の固体原料を充填する分子線源を用いた
   ことを特徴とする請求項（１）記載の分子線結晶成長装
   置。
3. （３）Ｖ族元素の気体原料を充填する分子線源を、該気
   体原料の分解装置を介してＶ族元素分子線供給管に接続
   したことを特徴とする請求項（１）記載の分子線結晶成
   長装置。