JPH0578191A

JPH0578191A - 分子線エピタキシ装置

Info

Publication number: JPH0578191A
Application number: JP23773091A
Authority: JP
Inventors: Nushito Takahashi; 主人高橋; Hiroki Kawada; 洋揮川田; Shigeru Shirayone; 茂白米; Yoshifumi Ogawa; 芳文小川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-18
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1993-03-30

Abstract

(57)【要約】【目的】分子線エピタキシ装置で成長した砒化ガリウ
ムの表面には、ガリウム分子線源のルツボ出口の付着物
が原因で楕円上欠陥が発生する。この欠陥を低減するこ
とを目的とする。【構成】付着物はルツボ出口におけるガリウムと砒素
の反応で生成される砒化ガリウムの量に依存しており、
ガリウム分子線源に入射する砒素分子線量を低減するこ
とにより付着物を減らすことができる。欠陥を低減する
ために、ガリウム分子線源５と砒素分子線源４の取付角
を変えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分子線エピタキシ装置
に係り、とくにガリウム等の第ＩＩＩ族分子線源内に入
射する砒素等の第Ｖ族分子線の量を減少するのに好適な
分子線エピタキシ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の分子線エピタキシ装置は、各分子
線源に充填された原料に関係なく、基板に対して放射状
に広がった対称な位置に設置されたものが実施されてい
る。しかるに、上記従来技術においては、各分子線源を
基板に対して放射状に対称な位置に設定する必要がある
ため、各分子線源の設定数が限定されるという問題があ
った。また基板に照射した砒素（第Ｖ族元素）が基板に
対して照射方向と対称的な位置に脱離するため、ガリウ
ム分子線源の出口部分（図示せず）にガリウム分子線源
に第Ｖ族元素が付着してＧａＡｓが形成されるという問
題があった。

【０００３】そこで、従来たとえば特開平１−２４９６
９号公報に記載されかつ図５に示すように、シュラウド
６の基板３に対して放射状に広がった対称な位置に分子
線源５を設置するとともに、底部中央位置にＶ族元素用
分子線源４を設置したものが提案されている。なお、図
示の１は成長室、２は基板加熱機構、７はシャッタであ
る。上記従来技術の目的は、各原料のうち最も消費量の
多い砒素などの第Ｖ族元素の分子線源容量を大きくし、
その配置を基板に対向する位置とすることで、分子線エ
ピタキシ装置の成長室のスペース効率を改良し、かつ原
料交換までの期間を長くすることにある。さらにスペー
ス効率向上のため第Ｖ族元素の分子線源のシャッタも省
かれている。このような分子線源配置が実現する背景に
は、第Ｖ族元素が成長中に過剰に照射され、しかも成長
した薄膜の膜厚分布に殆ど影響しないことがある。即
ち、ガリウムなどの第ＩＩＩ族元素の分子線源配置は、
膜厚均一性を向上させるために厳密に決められるのに対
し、第Ｖ族のそれは許容範囲が広い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、エピ
タキシャル結晶を成長させるには妥当なものであるが、
第Ｖ族元素用分子線源が中央に設置されているため、分
子線源から蒸発して基板に到達した後、再び基板から脱
離する第Ｖ族元素がガリウム分子線源を照射する量はガ
リウム分子線源の取付位置に係らず変らない。しかも両
原料の分子線源が隣接しているためこのように反射して
来る第Ｖ族元素の照射量も多い。従来技術では、このよ
うなガリウム分子線源のルツボに砒化ガリウムからなる
生成物が付着することに対して配慮されておらず、基板
表面の結晶欠陥が発生し、デバイスの歩留りを減少する
という問題があった。

【０００５】本発明の目的は、ガリウムなどの第ＩＩＩ
族元素の分子線源ルツボに砒素などの第Ｖ族元素が付着
するのを防ぎ、これにより基板表面の結晶欠陥を低減可
能とする分子線エピタキシ装置を提供することにある。

【０００６】本発明の他の目的は、第Ｖ族元素用分子線
源の温度および照射範囲などを制御して基板表面の結晶
欠陥を低減可能とする分子線エピタキシ装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、真空容器内に原料を蒸発させる分子
線源と基板と基板加熱装置とを有する成長室を備えた分
子線エピタキシ装置において、前記成長室内に前記分子
線源を複数備えるとともに、その中の少なくとも一つの
Ｖ族用分子線源をその基板法線に対する角度がその他の
分子線源の基板法線に対する角度より大きくなるように
設置したものである。

【０００８】また、上記目的を達成するために、第２の
発明は、真空容器内に原料を蒸発させる分子線源と基板
と基板加熱装置とを有する成長室を備えた分子線エピタ
キシ装置において、前記成長室内に少なくとも二つのＶ
族用分子線源を含む複数の分子線源を備えるとともに、
少なくとも二つの前記Ｖ族用分子線源を基板法線に対す
る角度がその他の分子線源の基板法線に対する角度より
大きくなるように設置し、かつ前記Ｖ族用分子源の前方
に、前記基板のエピタキシャル成長前の予備加熱時に
は、前記一方のＶ族分子源のみから前記基板に照射する
とともに、その分子線強度を前記基板の表面から脱離す
る分のＶ族元素を補充するだけに調整し、エビタキシャ
ル成長中は、前記他方のＶ族用分子線源からも同時に前
記基板に照射する分子線強度調整手段を設置したもので
ある。

【０００９】また、上記目的を達成するために第３の発
明は、真空容器内に原料を蒸発させる分子線源と基板と
基板加熱装置とを有する成長室を備えた分子線エピタキ
シ装置において、前記成長室内に前記分子線源を複数備
えるとともに、その中の少なくとも一つのＶ族用分子線
源をその基板法線に対する角度がその他の分子線源の基
板法線に対する角度より大きくなるように設置しかつ前
記少なくとも一つのＶ族用分子線源の前方に、少なくと
も前記基板の全面に分子線が照射されるように空隙部を
有するシュラウドを設置したものである。

【００１０】また、上記目的を達成するために第４の発
明は、真空容器内に原料を蒸発させる分子線源と基板と
基板加熱装置とを有する成長室を備えた分子線エピタキ
シ装置において、前記成長室内に少なくとも二つのＶ族
用分子線源を含む複数の分子線源を備えるとともに、少
なくとも二つの前記Ｖ族用分子線源を基板法線に対する
角度がその他の分子線源の基板法線に対する角度より大
きくなるように設置し、かつ前記Ｖ族用分子源の前方に
分子線強度調整手段とシュラウドを設置し、前記分子線
強度調整手段は、前記基板のエピタキシャル成長前の予
備加熱時には、前記一方のＶ族分子源のみから前記基板
に照射するとともに、その分子線強度を前記基盤の表面
から脱離する分のＶ族元素を補充するだけに調整し、エ
ピタキシャル成長中は、前記他方のＶ族用分子線源から
も同時に前記基板に照射するように構成し、前記シュラ
ウドは少なくとも前記基板の全面に分子線から照射され
るうよに空隙部を有するものである。

【００１１】また、第５の発明は、前記第２もしくは第
４の発明の分子線エピタキシ装置において、前記分子線
強度調整手段を開閉自在なシャッタにて構成したもので
ある。

【００１２】また、第６の発明は、前記第３もしくは第
４の発明の分子線エピタキシ装置において、前記シュラ
ウドを冷凍機ヘッドに接続された分子線コリメータにて
構成したものである。

【００１３】

【作用】一般に基板上に照射された砒素分子は、一旦基
板表面に吸着した後脱離すると考えられる。また、脱離
する方向は、余弦則に従うと考えられるが、基板表面が
鏡面の場合は、鏡面反射しやすいことから、かなりの脱
離砒素分子は照射方向と対称な方向に鏡面反射する。と
ころで、ガリウム分子線源のルツボ出口には、小さな多
数の粒からなる付着物が形成される。この付着物がガリ
ウム液に落下してガリウムが突沸したりするなどのた
め、基板表面にオーバルデイフェクト（ｏｖａｌｄｅｆ
ｅｃｔ）と呼ばれる欠陥が発生する。この付着物はガリ
ウムの粒の表面ＧａＡｓの膜が覆った物で、付着物生成
に砒素の存在が大きく影響している。すなわち、ルツボ
出口に入射する砒素の量を少なくすることで付着物の量
を減少させることができる。

【００１４】そこで、第１の発明によれば、砒素分子線
源を、ガリウムなど他の原料の分子線源とは異なる位置
に配置するとともに基板に対する角度を、砒素分子線源
の方がガリウム分子線源より大きくなるようにしたの
で、鏡面反射した砒素分子は、他の分子線源の配置され
ていない部分に照射され、ガリウムなどの第ＩＩＩ族分
子線源内に入射する砒素などの第Ｖ族分子線の量が減少
し、これによって第ＩＩＩ族分子線ルツボの出口の付着
物が減少し基板表面の結晶欠陥を減少することができ
る。

【００１５】また、第２の発明によれば、成長室内に複
数の砒素分子線源を設置するとともに、該砒素分子線源
の前方に分子線強度調整手段を設置し、該分子線強度調
整手段により前記一本の砒素分子線源は、酸化膜除去に
必要な最低限の分子線強度に調整し、他の砒素分子線源
は、成長中に必要な砒素分子線強度を満足するために必
要な分を補充する程度の強度に調整するので、各分子線
源の温度は低くできる。これにより、たとえ砒素分子線
源からの分子線源が、ガリウム分子線源に漏れてくると
してもその強度が低いため、全体としては少なくなる。

【００１６】また、第３もしくは第４の発明によれば、
前記第１、もしくは第２の発明の分子線エピタキシ装置
において、前記Ｖ族元素の分子線源の前方に少なくとも
基板に分子線が照射されるように空隙部を有するシュラ
ウドを備えたので、Ｖ族元素の不必要な拡散を防ぎ、こ
れにより成長室内の残留ガス中にＶ族元素の占める割合
が減少しガリウム分子線源のルツボ出口の付着物が減
り、基板表面の欠陥が減少する。

【００１７】また第５の発明によれば、上記複数の砒素
分子線源の強度をシャッタの開閉によって行うので、分
子線源の温度を変えることなく、基板上での分子線強度
を容易に変更することができる。

【００１８】また第６の発明によれば、前記シュラウド
を冷凍機ヘッドに接続された分子線コリメータにて構成
したので、余分な砒素分子線が不必要に拡散するのを防
止することができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図により説明する。

【００２０】図１は本発明の一実施例を示したもので、
分子線エピタキシ装置の成長室１に、基板３を加熱する
基板加熱機構２と第Ｖ族用分子線源４、および第Ｖ族以
外の原料用の分子線源５が、シュラウド６に囲まれて配
置されている。各分子線源の前にはシャッタ７が設けら
れていて、基板３への分子線の照射だコントロールされ
る。第Ｖ族用分子線源４の基板３に対する角度Θ（基板
の法線と分子線源４の中心線とのなす角度。図１参照）
は、他の分子線源５のそれθ（基板の法線と他の分子線
源の中心線とのなす角度）より大きくなるように分子線
源４が配置されている。このようにすることで、分子線
源４から照射された分子線（例えば砒素）は、基板３に
たいし対称な方向により多く反射脱離する。そのため、
分子線源５に基板からの脱離を介して入射するＶ族分子
線の量は、図５に示した従来の場合に比較して少なくな
る。

【００２１】なお、図１の両材料の分子線源は同一平面
上に表示されているが、異なる面上に設置されればより
効果的であるのは勿論である。

【００２２】なお、第Ｖ族分子線源の原料消費量は多い
ので、図２に一例を示したように、複数本備え、各々の
分子線照射強度を低く抑えることも可能である。これ
は、前述したように分子線源４の加熱温度を低くするこ
とを対応し、基板３に照射される不純物の量を低減する
ことになるため、高品質な結晶成長が可能となる。ま
た、同じＶ族元素の分子線源が複数あるので、分子線強
度をシャッタ開閉操作により不純物の量を低減すること
になるため、高品質な結晶成長が可能となる。また、同
じＶ族元素の分子線源が複数あるので、分子線強度をシ
ャッタ開閉操作により調整できる。すなわち、エピタキ
シ成長前に実施されるカリウム酸化物の除去のプロセス
で必要な分子線強度と実際の成長時に必要なそれとは、
通常は同一分子線強度としているが、これは、分子線の
強度変更に時間を要するためであり、それぞれに適切な
量とするのが望ましい。本発明の場合は、複数本の分子
線源のシャッタ開閉操作で、分子線源の温度を変えるこ
となく、基板上での分子線強度を容易に変更できるた
め、一本当りの分子線照射量を少なくできる。さらに、
成長中でも分子線源の温度を変えるために時間がかかり
実行できなかった成長プロセスにも対応可能となる。

【００２３】なお、図１、図２において、第Ｖ族用分子
線源と基板との距離を、他の分子線源のそれより短くす
ることで、基板上での分子線強度を変えることなく分子
線源の加熱温度を低くできるので、前述した理由によ
り、高品質な結晶成長が可能となる。

【００２４】次に、本発明の他の実施例について、図３
および図４により説明する。

【００２５】第Ｖ族元素の分子線強度が膜厚や膜質の基
板面内分布に及ぼす影響の小さいことは、既に述べた。
また、結晶成長中の成長室の残留ガス雰囲気は、第Ｖ族
元素を主成分とした１０^-6〜１０^-5Ｔｏｒｒ程度の圧力
である。これらの第Ｖ族元素は、液体窒素で冷却された
シュラウド６に吸着されなかったものや直接分子線源か
ら照射されたものとからなる。これらの残留ガスは、ガ
リウムなどの分子線源のルツボにも入射し、ガリウムと
反応してＧａＡｓとなり、ルツボ出口付近に付着するこ
とがある。さらに、付着物が落下してガリウムが突沸す
ると、基板表面に結晶欠陥が発生し、不具合を生ずる。
これを防ぐには、残留ガス中のＶ族元素の量を減らすこ
とが有効である。Ｖ族元素の分子線源の前に液体窒素で
冷却されたシュラウド、あるいは、さらに極低温まで冷
却できるヘリウム冷凍機ヘッドに接続されたコリメータ
を設置することにより、Ｖ族元素の不必要な拡散を防ぐ
ことができる。これにより、成長室内の残留ガス中にＶ
族元素の占める割合が減少し、ガリウム分子線源のルツ
ボ出口の付着物が減り、その結果、基板表面の欠陥が減
少する。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載するように効果を奏する。

【００２７】第１の発明によれば、鏡面反射した砒素分
子は、他の分子線源の配置されていない部分に照射さ
れ、ガリウムなどの第ＩＩＩ族分子線源内に入射する砒
素などの第Ｖ族分子線の量が減少し、これによって第Ｉ
ＩＩ族分子線ルツボの出口の付着物が減少し基板表面の
結晶欠陥を減少することができる。

【００２８】また、第２の発明によれば、各分子線源の
温度を低くすることができ、これによってたとえ砒素分
子線源からの分子線源が、ガリウム分子線源に漏れてく
るとしてもその強度が低いため、全体としては少くする
ことができる。

【００２９】また、第３もしくは第４の発明によれば、
Ｖ族元素の不必要な拡散を防ぎ、これにより成長室内の
残留ガス中にＶ族元素の占める割合が減少しガリウム分
子線源のルツボ出口の付着物が減り、基板表面の欠陥を
減少することができる。

【００３０】また、第５の発明によれば、分子線源の温
度を変えることなく、基板上での分子線強度を容易に変
更することができる。

【００３１】また、第６の発明によれば、余分な砒素分
子線が不必要に拡散するのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である分子線エピタキシ装置
を示す図である。

【図２】本発明の他の一実施例である分子線エピタキシ
装置を示す図である。

【図３】本発明によるＶ族用分子線源シュラウドを示す
図である。

【図４】図３に示すＶ族用分子線源シュラウドをクラリ
オコリメータにて構成した図である。

【符号の説明】

１…成長室、２…基板加熱機構、３…基板、４…Ｖ族用
分子線源、５…分子線源、６…シュラウド、７…シャッ
タ、８…シュラウド、９…コリメータ。

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１０月１５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図５】従来の分子線エピタキシ装置を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小川芳文山口県下松市東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に原料を蒸発させる分子線源
と基板と基板加熱装置とを有する成長室と備えた分子線
エピタキシ装置において、前記成長室内に前記分子線源
を複数備えるとともに、その中の少なくとも一つのＶ族
用分子線源をその基板法線に対する角度がその他の分子
線源の基板法線に対する角度より大きくなるように設置
したことを特徴とする分子線エピタキシ装置。
【請求項２】真空容器内に原料を蒸発させる分子線源
と基板と基板加熱装置とを有する成長室を備えた分子線
エピタキシ装置において、前記成長室内に少なくとも二
つのＶ族用分子線源を含む複数の分子線源を備えるとと
もに、少なくとも二つの前記Ｖ族用分子線源を基板法線
に対する角度がその他の分子線源の基板法線に対する角
度より大きくなるように設置し、かつ前記Ｖ族用分子源
の前方に、前記基板のエピタキシャル成長前の予備加熱
時には、前記一方のＶ族分子源のみから前記基板に照射
するとともに、その分子線強度を前記基板の表面から脱
離する分のＶ族元素を補充するだけに調整し、エピタキ
シャル成長中は、前記他方のＶ族用分子線源からも同時
に前記基板に照射する分子線強度調整手段を設置したこ
とを特徴とする分子線エピタキシ装置。
【請求項３】真空容器内に原料を蒸発させる分子線源
と基板と基板加熱装置とを有する成長室を備えた分子線
エピタキシ装置において、前記成長室内に前記分子線源
を複数備えるとともに、その中の少なくとも一つのＶ族
用分子線源をその基板法線に対する角度がその他の分子
線源の基板法線に対する角度より大きくなるように設置
しかつ前記少なくとも一つのＶ族用分子線源の前方に、
少なくとも前記基板の全面に分子線が照射されるように
空隙部を有するシュラウドを設置したことうを特徴とす
る分子線エピタキシ装置。
【請求項４】真空容器内に原料を蒸発させる分子線源
と基板と基板加熱装置とを有する成長室を備えた分子線
エピタキシ装置において、前記成長室内に少なくとも二
つのＶ族用分子線源を含む複数の分子線源を備えるとと
もに、少なくとも二つの前記Ｖ族用分子線源を基板法線
に対する角度がその他の分子線源の基板法線に対する角
度より大きくなるように設置し、かつ前記Ｖ族用分子源
の前方に分子線強度調整手段とシュラウドを設置し、前
記分子線強度調整手段は、前記基板のエピタキシャル成
長前の予備加熱時には、前記一方のＶ族分子源のみから
前記基板に照射するとともに、その分子線強度を前記基
板の表面から脱離する分のＶ族元素を補充するだけに調
整し、エピタキシャル成長中は、前記他方のＶ族用分子
線源からも同時に前記基板に照射するように構成し、前
記シュラウドは少なくとも前記基板の全面に分子線が照
射されるように空隙部を有することを特徴とする分子線
エピタキシ装置。
【請求項５】請求項２もしくは４記載の分子線エピタ
キシ装置において、前記分子線強度調整手段は、開閉自
在なシヤッタにて構成されたことを特徴とする分子線エ
ピタキシ装置。
【請求項６】請求項３もしくは４記載の分子線エピタ
キシ装置において、前記シュラウドは、冷凍機ヘッドに
接続された分子線コリメータにて構成されたことを特徴
とする分子線エピタキシ装置。