JPH0778839A - 半導体エピタキシャル成長装置および成長方法 - Google Patents
半導体エピタキシャル成長装置および成長方法Info
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- JPH0778839A JPH0778839A JP5246899A JP24689993A JPH0778839A JP H0778839 A JPH0778839 A JP H0778839A JP 5246899 A JP5246899 A JP 5246899A JP 24689993 A JP24689993 A JP 24689993A JP H0778839 A JPH0778839 A JP H0778839A
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 結晶性を劣化させることなく、窒素をＩＩ−
ＶＩ族化合物半導体エピタキシャル層に導入することが
可能な半導体エピタキシャル成長装置および成長方法を
提供する。 【構成】 窒素ドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を基板
２上にエピタキシャル成長させる半導体エピタキシャル
成長装置において、内部に配置された基板２に向けて化
合物半導体の原料を供給する分子線セル３を内部に有す
る真空チャンバ１と、真空チャンバ１に連通し外部から
供給された窒素を励起することにより窒素プラズマを生
成しこれを真空チャンバ１中の基板２に照射するＥＣＲ
窒素ラジカルビームガン４と、真空チャンバ１とＥＣＲ
ラジカルビームガン４の連通孔に配置された網目状電極
４１と、網目状電極４１に正の直流電圧を印加する電源
手段とを備えることによって達成される。
ＶＩ族化合物半導体エピタキシャル層に導入することが
可能な半導体エピタキシャル成長装置および成長方法を
提供する。 【構成】 窒素ドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を基板
２上にエピタキシャル成長させる半導体エピタキシャル
成長装置において、内部に配置された基板２に向けて化
合物半導体の原料を供給する分子線セル３を内部に有す
る真空チャンバ１と、真空チャンバ１に連通し外部から
供給された窒素を励起することにより窒素プラズマを生
成しこれを真空チャンバ１中の基板２に照射するＥＣＲ
窒素ラジカルビームガン４と、真空チャンバ１とＥＣＲ
ラジカルビームガン４の連通孔に配置された網目状電極
４１と、網目状電極４１に正の直流電圧を印加する電源
手段とを備えることによって達成される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体のエピタキシャル成長装置および成長方法に関す
る。
導体のエピタキシャル成長装置および成長方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＺｎーＳｅ系化合物半導体のエピ
タキシャル成長において、窒素をドーパントに使用して
ｐ型導電性が得られているのは分子線エピタキシ法（以
下、ＭＢＥ法と略記）によるものだけであり、そのド−
ピング方法も高周波（ＲＦ）ないしマイクロ波を印加す
ることにより、又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）
により窒素ガスを励起して窒素プラズマを発生し、電気
的に中性で活性な励起種である窒素ラジカルをつくりだ
し、これをエピタキシャル成長層へのド−パントとする
窒素ラジカルド−ピングが唯一の方法である。ここで、
窒素をイオン化してド−ピングしようとする試みもなさ
れたが、エピタキシャル層の結晶性を悪化させるだけで
キャリアの発生は確認されていなかった（K.Ohkawa et
al.:Journal of Crystal Growth 86,(1988)329-334) 。
タキシャル成長において、窒素をドーパントに使用して
ｐ型導電性が得られているのは分子線エピタキシ法（以
下、ＭＢＥ法と略記）によるものだけであり、そのド−
ピング方法も高周波（ＲＦ）ないしマイクロ波を印加す
ることにより、又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）
により窒素ガスを励起して窒素プラズマを発生し、電気
的に中性で活性な励起種である窒素ラジカルをつくりだ
し、これをエピタキシャル成長層へのド−パントとする
窒素ラジカルド−ピングが唯一の方法である。ここで、
窒素をイオン化してド−ピングしようとする試みもなさ
れたが、エピタキシャル層の結晶性を悪化させるだけで
キャリアの発生は確認されていなかった（K.Ohkawa et
al.:Journal of Crystal Growth 86,(1988)329-334) 。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体エピタキ
シャル成長方法には、ＲＦ、マイクロ波あるいはＥＣＲ
による窒素ガスの励起でも、例えば、ＥＣＲ励起により
発生された窒素プラズマの光スペクトルを分析すると、
図４に示すようにＮ2 + で示される窒素イオンの発光強
度とＮ2 * で示される窒素ラジカルの発光強度はそれほ
ど差がない。このスペクトルから窒素プラズマ中にかな
りの量の窒素イオンが発生していることは明らかであ
る。この窒素イオンが成長中のエピタキシャル層に照射
されることにより、その結晶性が悪化してド−ピング効
率が低下し、したがってｐ型で高いキャリア濃度を有す
るエピタキシャル層が得られないという問題点がある。
シャル成長方法には、ＲＦ、マイクロ波あるいはＥＣＲ
による窒素ガスの励起でも、例えば、ＥＣＲ励起により
発生された窒素プラズマの光スペクトルを分析すると、
図４に示すようにＮ2 + で示される窒素イオンの発光強
度とＮ2 * で示される窒素ラジカルの発光強度はそれほ
ど差がない。このスペクトルから窒素プラズマ中にかな
りの量の窒素イオンが発生していることは明らかであ
る。この窒素イオンが成長中のエピタキシャル層に照射
されることにより、その結晶性が悪化してド−ピング効
率が低下し、したがってｐ型で高いキャリア濃度を有す
るエピタキシャル層が得られないという問題点がある。
【０００４】本発明の目的は、結晶性に悪化のない窒素
ド−プによるｐ型ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体エピタキシ
ャル層の成長装置及び成長方法を提供することである。
ド−プによるｐ型ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体エピタキシ
ャル層の成長装置及び成長方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明にかかる第１の半導体エピタキシャル成
長装置は、基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のエピタ
キシャル層を成長させる半導体エピタキシャル成長装置
において、内部に配置された基板に向けてエピタキシャ
ル層の原料を供給するセルを内部に有する真空チャンバ
と、真空チャンバに連通しており、外部から供給された
窒素を励起することにより生成される窒素プラズマ中に
含まれている活性種を基板に照射するビームガンと、ビ
ームガンと基板との間に配置された粒子透過型電極と、
粒子透過型電極に正の電圧を印加する電源手段と具備す
ることとした。あるいは、本発明にかかる第１の半導体
エピタキシャル成長方法は、真空チャンバ内に配置され
た基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のエピタキシャル
層を成長しつつ真空チャンバと連通しているビームガン
において発生された窒素プラズマ中の活性種をエピタキ
シャル層に照射する成長方法を対象とするものであり、
基板とビームガンとの間に配置されており正の電圧を印
加する粒子透過型電極を通して活性種が照射されること
とした。
るため、本発明にかかる第１の半導体エピタキシャル成
長装置は、基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のエピタ
キシャル層を成長させる半導体エピタキシャル成長装置
において、内部に配置された基板に向けてエピタキシャ
ル層の原料を供給するセルを内部に有する真空チャンバ
と、真空チャンバに連通しており、外部から供給された
窒素を励起することにより生成される窒素プラズマ中に
含まれている活性種を基板に照射するビームガンと、ビ
ームガンと基板との間に配置された粒子透過型電極と、
粒子透過型電極に正の電圧を印加する電源手段と具備す
ることとした。あるいは、本発明にかかる第１の半導体
エピタキシャル成長方法は、真空チャンバ内に配置され
た基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のエピタキシャル
層を成長しつつ真空チャンバと連通しているビームガン
において発生された窒素プラズマ中の活性種をエピタキ
シャル層に照射する成長方法を対象とするものであり、
基板とビームガンとの間に配置されており正の電圧を印
加する粒子透過型電極を通して活性種が照射されること
とした。
【０００６】さらに、本発明にかかる第２の半導体エピ
タキシャル成長装置は、基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体のエピタキシャル層を成長させる半導体エピタキシ
ャル成長装置において、内部に配置された基板に向けて
エピタキシャル層の原料を供給するセルを内部に有する
真空チャンバと、真空チャンバに連通しており、外部か
ら供給された窒素を励起することにより生成される窒素
プラズマ中に含まれている活性種を基板に照射するビー
ムガンと、基板を真空チャンバから絶縁して、基板に真
空チャンバに対して正の電圧を印加する電圧印加手段と
を具備することとした。あるいは、本発明にかかる第２
の半導体エピタキシャル成長装置方法では、真空チャン
バ内に配置された基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の
エピタキシャル層を成長しつつ真空チャンバと連通して
いるビームガンから発生された窒素プラズマ中の活性種
をエピタキシャル層に照射しつつ、電圧印加手段により
基板を真空チャンバから絶縁して、基板に真空チャンバ
ーに対して正の電圧を印加することとした。
タキシャル成長装置は、基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体のエピタキシャル層を成長させる半導体エピタキシ
ャル成長装置において、内部に配置された基板に向けて
エピタキシャル層の原料を供給するセルを内部に有する
真空チャンバと、真空チャンバに連通しており、外部か
ら供給された窒素を励起することにより生成される窒素
プラズマ中に含まれている活性種を基板に照射するビー
ムガンと、基板を真空チャンバから絶縁して、基板に真
空チャンバに対して正の電圧を印加する電圧印加手段と
を具備することとした。あるいは、本発明にかかる第２
の半導体エピタキシャル成長装置方法では、真空チャン
バ内に配置された基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の
エピタキシャル層を成長しつつ真空チャンバと連通して
いるビームガンから発生された窒素プラズマ中の活性種
をエピタキシャル層に照射しつつ、電圧印加手段により
基板を真空チャンバから絶縁して、基板に真空チャンバ
ーに対して正の電圧を印加することとした。
【０００７】
【作用】本発明にかかる第１の半導体エピタキシャル成
長装置によれば、ビ−ムガンが窒素プラズマ中の窒素ラ
ジカルと窒素イオンを、正の電圧を印加している粒子透
過型電極を通して成長している半導体エピタキシャル層
に照射する。従って、正に帯電した窒素イオンは正の電
圧が印加された粒子透過型電極と反発し、窒素イオンの
指向性を弱めるので後方に跳ね返され、あるいは窒素イ
オンがエピタキシャル層に到達しても成長層に付着でき
ずド−ピングされない。ところが、電気的に中性な窒素
ラジカルはその指向性を弱められることなくエピタキシ
ャル層表面に付着し、その結晶性を悪化させることなく
効率よく窒素ド−ピングを行い得る。また、本発明にか
かる第１の半導体エピタキシャル成長方法によれば、上
記と同様に粒子透過型電極により正に帯電した窒素イオ
ンの基板への導入を抑止することができる。
長装置によれば、ビ−ムガンが窒素プラズマ中の窒素ラ
ジカルと窒素イオンを、正の電圧を印加している粒子透
過型電極を通して成長している半導体エピタキシャル層
に照射する。従って、正に帯電した窒素イオンは正の電
圧が印加された粒子透過型電極と反発し、窒素イオンの
指向性を弱めるので後方に跳ね返され、あるいは窒素イ
オンがエピタキシャル層に到達しても成長層に付着でき
ずド−ピングされない。ところが、電気的に中性な窒素
ラジカルはその指向性を弱められることなくエピタキシ
ャル層表面に付着し、その結晶性を悪化させることなく
効率よく窒素ド−ピングを行い得る。また、本発明にか
かる第１の半導体エピタキシャル成長方法によれば、上
記と同様に粒子透過型電極により正に帯電した窒素イオ
ンの基板への導入を抑止することができる。
【０００８】ここで、窒素原子の電離エネルギーは約１
４．５ｅＶであることから、正の電圧は直流で少なくと
も１５Ｖ以上であるのが好ましく、これにより、正に帯
電した窒素イオンが効率よく跳ね返され得る。
４．５ｅＶであることから、正の電圧は直流で少なくと
も１５Ｖ以上であるのが好ましく、これにより、正に帯
電した窒素イオンが効率よく跳ね返され得る。
【０００９】また、本発明にかかる第２の半導体エピタ
キシャル成長装置によれば、ビ−ムガンが窒素プラズマ
中の窒素ラジカルと窒素イオンを基板に照射する際に、
電圧印加手段により基板を正の電圧を印加しているの
で、正に帯電した窒素イオンが基板内に導入されにく
い。この結果、上記と同様に結晶性を悪化させることな
く効率よく窒素ド−ピングを行うことができる。また、
本発明にかかる第２の半導体エピタキシャル成長方法に
よれば、上記と同様に基板を正の電位に保持しているの
で、正に帯電した窒素イオンの基板への導入を抑止する
ことができる。
キシャル成長装置によれば、ビ−ムガンが窒素プラズマ
中の窒素ラジカルと窒素イオンを基板に照射する際に、
電圧印加手段により基板を正の電圧を印加しているの
で、正に帯電した窒素イオンが基板内に導入されにく
い。この結果、上記と同様に結晶性を悪化させることな
く効率よく窒素ド−ピングを行うことができる。また、
本発明にかかる第２の半導体エピタキシャル成長方法に
よれば、上記と同様に基板を正の電位に保持しているの
で、正に帯電した窒素イオンの基板への導入を抑止する
ことができる。
【００１０】本発明の第１または第２の成長方法によれ
ば、上記の製造装置を実現し得る。特に、窒素ラジカル
は、窒素ガス雰囲気に１３．５６ＭＨｚの高周波、もし
くは２．４５ＧＨｚのマイクロ波を印加のプラズマによ
り発生する、又は８７５ガウスの磁界中にある窒素ガス
雰囲気に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を印加することに
より得られる電子サイクロトロン共鳴中に発生するのが
よい。これにより、安定した窒素ラジカルの供給が可能
となり得る。
ば、上記の製造装置を実現し得る。特に、窒素ラジカル
は、窒素ガス雰囲気に１３．５６ＭＨｚの高周波、もし
くは２．４５ＧＨｚのマイクロ波を印加のプラズマによ
り発生する、又は８７５ガウスの磁界中にある窒素ガス
雰囲気に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を印加することに
より得られる電子サイクロトロン共鳴中に発生するのが
よい。これにより、安定した窒素ラジカルの供給が可能
となり得る。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の製造装置を実施例に基づいて
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【００１２】図１は、本発明の第１実施例にかかる分子
線エピタキシ（ＭＢＥ）装置の成長室の全体構成を示す
概略図である。図２は、図１における本発明のＥＣＲラ
ジカルビームガンの部分拡大図である。
線エピタキシ（ＭＢＥ）装置の成長室の全体構成を示す
概略図である。図２は、図１における本発明のＥＣＲラ
ジカルビームガンの部分拡大図である。
【００１３】エピタキシャル層の成長は真空チャンバ１
内で行われる。真空チャンバ１内は、図示しない排気装
置によって残留ガスが追い出され、１０-10 Ｔｏｒｒ以
下の超真空に保持される。このような真空を得るための
排気装置には、ソープション、クライオポンプ、イオン
ポンプ等がよく用いられる。真空チャンバ１内には３０
０℃程度に加熱されている（１００）ノンドープＧａＡ
ｓの基板２が置かれ、それぞれの純度が６ナインである
ソース原料Ｚｎ、Ｓｅの入った分子線セル３とよばれる
容器が出口をチャンバ１内に向けて配置されている。ま
た、エピタキシャル層として成長するＺｎＳｅ膜をｐ型
伝導にするために照射する窒素ラジカル発生源として、
ＥＣＲラジカルビームガン４が基板２に向けて配置され
ている。ここで、粒子透過型としての網目状電極５に正
の直流電圧を印加し、これをＥＣＲラジカルビームガン
４と基板２の間に配置する。また、基板２としては、他
のＩＩ−ＶＩ族のＺｎＳＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＭｇＳｅ、
ＺｎＭｇＳＳｅ等が考えられる。
内で行われる。真空チャンバ１内は、図示しない排気装
置によって残留ガスが追い出され、１０-10 Ｔｏｒｒ以
下の超真空に保持される。このような真空を得るための
排気装置には、ソープション、クライオポンプ、イオン
ポンプ等がよく用いられる。真空チャンバ１内には３０
０℃程度に加熱されている（１００）ノンドープＧａＡ
ｓの基板２が置かれ、それぞれの純度が６ナインである
ソース原料Ｚｎ、Ｓｅの入った分子線セル３とよばれる
容器が出口をチャンバ１内に向けて配置されている。ま
た、エピタキシャル層として成長するＺｎＳｅ膜をｐ型
伝導にするために照射する窒素ラジカル発生源として、
ＥＣＲラジカルビームガン４が基板２に向けて配置され
ている。ここで、粒子透過型としての網目状電極５に正
の直流電圧を印加し、これをＥＣＲラジカルビームガン
４と基板２の間に配置する。また、基板２としては、他
のＩＩ−ＶＩ族のＺｎＳＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＭｇＳｅ、
ＺｎＭｇＳＳｅ等が考えられる。
【００１４】本発明における粒子（正イオン）透過型電
極としては、網目状電極の他に各種のものが考えられ
る。例えば、格子状のストライプ電極でもよく、櫛歯状
の電極でもよい。要するに窒素の正イオンに対して電位
障壁を形成し、なおかつ帯電していない活性種を通過さ
せ得るものであれば、その形状は特に問題とならない。
極としては、網目状電極の他に各種のものが考えられ
る。例えば、格子状のストライプ電極でもよく、櫛歯状
の電極でもよい。要するに窒素の正イオンに対して電位
障壁を形成し、なおかつ帯電していない活性種を通過さ
せ得るものであれば、その形状は特に問題とならない。
【００１５】分子線セル３の代表的なものが、クヌード
センセルである。この分子線セルはＢＮ（窒化ホウ素、
ボロンナイトライドともよばれる）でつくられることが
多いが、グラファイトでつくることもある。クヌードセ
ンセルにはオリフィスとよばれる開口部があり、ここか
ら真空中へ分子が放出される。単位時間に真空中へ放出
される分子の量は、オリフィスの面積とセル内外の圧力
差等によって決まる。また、オリフィスと容器壁のなす
角等により、セルから出た分子が真空中でどのように分
布するかが決まる。真空中での分子の平均自由行程は最
大で１００ｋｍ以上に達する。このことは、通常用いら
れるチャンバの大きさでは、分子は他の分子とほとんど
衝突することなく直進することを意味する。
センセルである。この分子線セルはＢＮ（窒化ホウ素、
ボロンナイトライドともよばれる）でつくられることが
多いが、グラファイトでつくることもある。クヌードセ
ンセルにはオリフィスとよばれる開口部があり、ここか
ら真空中へ分子が放出される。単位時間に真空中へ放出
される分子の量は、オリフィスの面積とセル内外の圧力
差等によって決まる。また、オリフィスと容器壁のなす
角等により、セルから出た分子が真空中でどのように分
布するかが決まる。真空中での分子の平均自由行程は最
大で１００ｋｍ以上に達する。このことは、通常用いら
れるチャンバの大きさでは、分子は他の分子とほとんど
衝突することなく直進することを意味する。
【００１６】ここで、基板２に到達したＺｎ、Ｓｅ、
Ｎ、Ｎ2 * 、Ｎ* 、Ｎ2 + 等の分子、原子あるいは活性
種がｐ型の半導体層を形成していく過程について考える
ことにする。一般的に固体表面に到達した分子や原子が
表面に捕えられる現象は、吸着の問題として扱われる。
基板表面に到達しても捕らえられることなく再び気体と
なって基板から離れることを、脱離という。基板表面に
到達した分子のうち、化学吸着されるものの割合を付着
係数という。化学吸着はイオン結合や共有結合等の化学
結合に近い力によって、分子が表面に結合されるもので
ある。実際に半導体の層が形成されていくときには、物
理吸着や化学吸着が複雑に働いている。ある物質の付着
係数も、表面の状態や同時に供給される他の物質によっ
て著しく変化する。
Ｎ、Ｎ2 * 、Ｎ* 、Ｎ2 + 等の分子、原子あるいは活性
種がｐ型の半導体層を形成していく過程について考える
ことにする。一般的に固体表面に到達した分子や原子が
表面に捕えられる現象は、吸着の問題として扱われる。
基板表面に到達しても捕らえられることなく再び気体と
なって基板から離れることを、脱離という。基板表面に
到達した分子のうち、化学吸着されるものの割合を付着
係数という。化学吸着はイオン結合や共有結合等の化学
結合に近い力によって、分子が表面に結合されるもので
ある。実際に半導体の層が形成されていくときには、物
理吸着や化学吸着が複雑に働いている。ある物質の付着
係数も、表面の状態や同時に供給される他の物質によっ
て著しく変化する。
【００１７】これにより、基板２にＺｎＳｅエピタキシ
ャル層が成長している際に、ＥＣＲにより発生した窒素
プラズマ中に存在する活性種はＮ2 * 、Ｎ* 、Ｎ2 + あ
るいはＮ+ である。これらをＥＣＲラジカルビームガン
４により照射すると結晶性を悪化する活性種Ｎ2 + 、Ｎ
+ は正電荷を帯びているために同じく正の直流電圧が印
加された電極５を通過する際に反射されるか、あるいは
透過しても照射エネルギが弱まる。従って、結晶性を悪
化させることなくｐ型のＺｎＳｅエピタキシャル層を形
成し得る。
ャル層が成長している際に、ＥＣＲにより発生した窒素
プラズマ中に存在する活性種はＮ2 * 、Ｎ* 、Ｎ2 + あ
るいはＮ+ である。これらをＥＣＲラジカルビームガン
４により照射すると結晶性を悪化する活性種Ｎ2 + 、Ｎ
+ は正電荷を帯びているために同じく正の直流電圧が印
加された電極５を通過する際に反射されるか、あるいは
透過しても照射エネルギが弱まる。従って、結晶性を悪
化させることなくｐ型のＺｎＳｅエピタキシャル層を形
成し得る。
【００１８】また、窒素プラズマの発生はＥＣＲだけで
なく、１３．５６ＭＨｚの高周波あるいは２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波の印加による方法も可能である。
なく、１３．５６ＭＨｚの高周波あるいは２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波の印加による方法も可能である。
【００１９】本発明の製造方法によれば、上記のような
ｐ型のＺｎＳｅエピタキシャル層を形成し得る。
ｐ型のＺｎＳｅエピタキシャル層を形成し得る。
【００２０】以下、本発明者による製造方法の実験例を
示す。
示す。
【００２１】窒素ラジカル発生源にＥＣＲラジカルビー
ムガンを使用して、窒素ドープＺｎＳｅエピタキシャル
層を成長した場合を示す。基板として（１００）ノンド
ープＧａＡｓを用い、ソース原料として純度６ナインの
Ｚｎおよび純度６ナインのＳｅを用いた。また、ＥＣＲ
ラジカルビームガンには純度６ナインの窒素ガスを使用
した。
ムガンを使用して、窒素ドープＺｎＳｅエピタキシャル
層を成長した場合を示す。基板として（１００）ノンド
ープＧａＡｓを用い、ソース原料として純度６ナインの
Ｚｎおよび純度６ナインのＳｅを用いた。また、ＥＣＲ
ラジカルビームガンには純度６ナインの窒素ガスを使用
した。
【００２２】ＭＢＥ成長条件は以下に示すとおりであ
る。
る。
【００２３】基板温度：３００℃ 基板サーマルクリーニング温度：５８０℃ ビームフラックス強度 ：Ｚｎ ８×１０-7Ｔｏ
ｒｒ Ｓｅ １．５×１０-6Ｔｏｒｒ ＺｎＳｅ層成長速度：０．７５μｍ／時間 窒素ガス供給量：０．０５ｓｃｃｍ マイクロ波入射電力：５０Ｗ 上記条件でＧａＡｓ基板上に約１．５μｍの厚みの窒素
ドープＺｎＳｅエピタキシャル層を網目状電極印加電圧
を＋１８Ｖと０Ｖの２条件で成長した。得られたエピタ
キシャル層に金電極を形成し室温においてＣ−Ｖ測定を
行い、そのキャリア濃度を求めた結果を以下に示す。
ｒｒ Ｓｅ １．５×１０-6Ｔｏｒｒ ＺｎＳｅ層成長速度：０．７５μｍ／時間 窒素ガス供給量：０．０５ｓｃｃｍ マイクロ波入射電力：５０Ｗ 上記条件でＧａＡｓ基板上に約１．５μｍの厚みの窒素
ドープＺｎＳｅエピタキシャル層を網目状電極印加電圧
を＋１８Ｖと０Ｖの２条件で成長した。得られたエピタ
キシャル層に金電極を形成し室温においてＣ−Ｖ測定を
行い、そのキャリア濃度を求めた結果を以下に示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】また、図３に液体ヘリウム温度において測
定したフォトルミネッセンススペクトルを示す。（ａ）
は網目状電極に＋１８Ｖの直流電圧を印加して成長した
エピタキシャル層、（ｂ）は印加電圧０Ｖで成長したエ
ピタキシャル層のスペクトルである。（ａ）ではドナー
・アクセプター対による発光とそのフォノンレプリカに
よるピークが分離して現れているのに対して、（ｂ）で
はブロードなピークが１つあるだけである。（ｂ）のス
ペクトルは一般にエピタキシャル層中に窒素原子が過剰
にドーピングされたときのパターンである。そこで、２
次イオン質量分析法により窒素原子濃度を求めた。結果
を以下に示す。
定したフォトルミネッセンススペクトルを示す。（ａ）
は網目状電極に＋１８Ｖの直流電圧を印加して成長した
エピタキシャル層、（ｂ）は印加電圧０Ｖで成長したエ
ピタキシャル層のスペクトルである。（ａ）ではドナー
・アクセプター対による発光とそのフォノンレプリカに
よるピークが分離して現れているのに対して、（ｂ）で
はブロードなピークが１つあるだけである。（ｂ）のス
ペクトルは一般にエピタキシャル層中に窒素原子が過剰
にドーピングされたときのパターンである。そこで、２
次イオン質量分析法により窒素原子濃度を求めた。結果
を以下に示す。
【００２６】
【表２】
【００２７】窒素原子濃度は電極印加電圧が０Ｖの方が
多くなっており、フォトルミネッセンスの結果と一致し
ている。上記測定結果より、キャリア濃度は編目状電極
に電圧を印加することにより増加し、またドーピング効
率（キャリア濃度／窒素原子濃度）も１０％から５５％
に改善されたことが明らかになった。
多くなっており、フォトルミネッセンスの結果と一致し
ている。上記測定結果より、キャリア濃度は編目状電極
に電圧を印加することにより増加し、またドーピング効
率（キャリア濃度／窒素原子濃度）も１０％から５５％
に改善されたことが明らかになった。
【００２８】上記のように、本発明の第１の実施例によ
れば、網目電極４１に正の直流電圧を印加することによ
り、これを通過する窒素イオン数を低減することができ
る。これにより、窒素ラジカルの数に対して基板２に導
入される窒素イオンの数を低減させることができ、従っ
て、上記のエピタキシャル成長において結晶性を劣化さ
せることなくｐ型層を形成することが可能である。そし
て、上記の測定結果により、かかる成長装置を用いれ
ば、窒素原子の導入により形成されるｐ型層の活性化率
を向上させることができた。
れば、網目電極４１に正の直流電圧を印加することによ
り、これを通過する窒素イオン数を低減することができ
る。これにより、窒素ラジカルの数に対して基板２に導
入される窒素イオンの数を低減させることができ、従っ
て、上記のエピタキシャル成長において結晶性を劣化さ
せることなくｐ型層を形成することが可能である。そし
て、上記の測定結果により、かかる成長装置を用いれ
ば、窒素原子の導入により形成されるｐ型層の活性化率
を向上させることができた。
【００２９】次に、本発明の第２実施例にかかる半導体
エピタキシャル成長装置を図５を用いて説明する。
エピタキシャル成長装置を図５を用いて説明する。
【００３０】真空チャンバ１０内には、マニピュレータ
２１が絶縁体８０を介して真空チャンバ１０内に固定さ
れている。マニピュレータ２１には基板２０が固定され
ている。なお、真空チャンバ１０内は液体窒素シュラウ
ド５で冷却されている。また、真空チャンバ１０内に
は、基板２０の表面に対向するように分子線セル３０
ａ，３０ｂが設置されている。分子線セル３０ａ，３０
ｂと基板２０との間には分子線セルシャッター３１ａ，
３１ｂがそれぞれ設けられており、分子線セル３０ａ，
３０ｂからの分子線の出射量を制御している。マニピュ
レータ２１は、これに固定された基板２０を加熱、回転
するものである。そして、基板２０上に分子線セル３０
ａ，３０ｂからそれぞれＺｎ分子線、Ｓｅ分子線を照射
するとともに、基板２０に真空チャンバ１０に連通した
ＥＣＲラジカルビームガン４０から窒素ラジカルビーム
を供給することにより基板２０上にＺｎＳｅエピタキシ
ャル層を成長させる。なお、真空チャンバ１０はグラン
ドレベルに落とされている。
２１が絶縁体８０を介して真空チャンバ１０内に固定さ
れている。マニピュレータ２１には基板２０が固定され
ている。なお、真空チャンバ１０内は液体窒素シュラウ
ド５で冷却されている。また、真空チャンバ１０内に
は、基板２０の表面に対向するように分子線セル３０
ａ，３０ｂが設置されている。分子線セル３０ａ，３０
ｂと基板２０との間には分子線セルシャッター３１ａ，
３１ｂがそれぞれ設けられており、分子線セル３０ａ，
３０ｂからの分子線の出射量を制御している。マニピュ
レータ２１は、これに固定された基板２０を加熱、回転
するものである。そして、基板２０上に分子線セル３０
ａ，３０ｂからそれぞれＺｎ分子線、Ｓｅ分子線を照射
するとともに、基板２０に真空チャンバ１０に連通した
ＥＣＲラジカルビームガン４０から窒素ラジカルビーム
を供給することにより基板２０上にＺｎＳｅエピタキシ
ャル層を成長させる。なお、真空チャンバ１０はグラン
ドレベルに落とされている。
【００３１】この際、マニピュレータ２１には、これに
接続された電源９０から＋２０ボルトの電圧が印加され
ており、基板２０はグランドから２０ボルト高い電位に
引き上げられている。このように、基板２０を正電位に
保持しておくと、ＥＣＲラジカルビームガン４０から供
給される窒素ラジカルは基板に導入されるが、正に帯電
した窒素イオンは基板に導入されにくい。
接続された電源９０から＋２０ボルトの電圧が印加され
ており、基板２０はグランドから２０ボルト高い電位に
引き上げられている。このように、基板２０を正電位に
保持しておくと、ＥＣＲラジカルビームガン４０から供
給される窒素ラジカルは基板に導入されるが、正に帯電
した窒素イオンは基板に導入されにくい。
【００３２】さらに、上記の装置を用いてＧａＡｓ基板
上に窒素ドープのＺｎＳｅエピタキシャル層を成長させ
た。
上に窒素ドープのＺｎＳｅエピタキシャル層を成長させ
た。
【００３３】基板２０には（１００）アンドープＧａＡ
ｓ基板を用い、分子線セル３０ａ，３０ｂ内のソース原
料には、純度６ナインのＺｎと純度６ナインのＳｅとを
それぞれ用いた。また、ＥＣＲラジカルビームガン４０
には、純度６ナインの窒素ガスを使用した。
ｓ基板を用い、分子線セル３０ａ，３０ｂ内のソース原
料には、純度６ナインのＺｎと純度６ナインのＳｅとを
それぞれ用いた。また、ＥＣＲラジカルビームガン４０
には、純度６ナインの窒素ガスを使用した。
【００３４】なお、このＭＢＥ成長の条件を以下に示
す。
す。
【００３５】 基板温度 ３００℃ 基板サーマルクリーニング温度 ５７０℃ ビームフラックス強度 Ｚｎ ８．０×１０
-7Ｔｏｒｒ Ｓｅ １．５×１０-6Ｔｏｒｒ ＺｎＳｅ層成長速度 ０．７μｍ／時間 窒素ガス供給量 ０．０５ｓｃｃｍ マイクロ波入射電力 ５０Ｗ マニピュレータ印加電圧 ＋２０Ｖ 上記の条件でＧａＡｓ基板上に厚さ約１．４μｍの窒素
ドープＺｎＳｅエピタキシャル層をマニピュレータ２１
への印加電圧あり、なしの２条件で作製した。そして、
得られた窒素ドープＺｎＳｅエピタキシャル層に金電極
を形成し、室温においてＣ−Ｖ測定を行い、窒素ドープ
ＺｎＳｅエピタキシャル層内のキャリア濃度を求めた。
その結果を表３に示す。
-7Ｔｏｒｒ Ｓｅ １．５×１０-6Ｔｏｒｒ ＺｎＳｅ層成長速度 ０．７μｍ／時間 窒素ガス供給量 ０．０５ｓｃｃｍ マイクロ波入射電力 ５０Ｗ マニピュレータ印加電圧 ＋２０Ｖ 上記の条件でＧａＡｓ基板上に厚さ約１．４μｍの窒素
ドープＺｎＳｅエピタキシャル層をマニピュレータ２１
への印加電圧あり、なしの２条件で作製した。そして、
得られた窒素ドープＺｎＳｅエピタキシャル層に金電極
を形成し、室温においてＣ−Ｖ測定を行い、窒素ドープ
ＺｎＳｅエピタキシャル層内のキャリア濃度を求めた。
その結果を表３に示す。
【００３６】
【表３】
【００３７】このときのキャリア濃度を２次イオン質量
分析（ＳＩＭＳ）法を用いて求めた。この結果を表４に
示す。
分析（ＳＩＭＳ）法を用いて求めた。この結果を表４に
示す。
【００３８】
【表４】
【００３９】これらの結果から、窒素原子濃度はマニピ
ュレータ２１に直流電圧を印加した場合の方が少なくな
ってことが判る。これは、正に帯電した窒素イオンの一
部がクーロン力により、正の電圧が印加された基板２０
と反発して基板２０に導入されなかったことに起因して
いると考えられる。
ュレータ２１に直流電圧を印加した場合の方が少なくな
ってことが判る。これは、正に帯電した窒素イオンの一
部がクーロン力により、正の電圧が印加された基板２０
と反発して基板２０に導入されなかったことに起因して
いると考えられる。
【００４０】窒素イオンに代えて基板２０に導入された
窒素ラジカルの振動温度は、約４５００Ｋと見積もるこ
とが可能であり、また運動エネルギーは１ｅＶ以下であ
るので、窒素ラジカルは電気伝導に寄与するｐ型のキャ
リアとして機能するとともに、結晶へ与えるダメージも
小さい。このように、ＥＣＲラジカルビームガン４０か
ら基板２０に照射された窒素原子または分子の中、正に
イオン化した窒素原子や分子が導入される割合が減少
し、窒素ラジカルの導入される割合が増加すると、キャ
リアの活性化率が増加する。上記の実施例の場合にはこ
のように正にイオン化した窒素原子や分子の基板２０へ
の導入を抑止し、単位導入量あたりの窒素ラジカルの導
入量を増加させることにより、キャリアの活性化率は電
圧を印加しない場合の１０％から４０％に改善された。
また、上記の窒素ドープＺｎＳｅエピタキシャル層の液
体窒素温度におけるフォトルミネッセンススペクトルも
図３と同様のスペクトルが得られた。
窒素ラジカルの振動温度は、約４５００Ｋと見積もるこ
とが可能であり、また運動エネルギーは１ｅＶ以下であ
るので、窒素ラジカルは電気伝導に寄与するｐ型のキャ
リアとして機能するとともに、結晶へ与えるダメージも
小さい。このように、ＥＣＲラジカルビームガン４０か
ら基板２０に照射された窒素原子または分子の中、正に
イオン化した窒素原子や分子が導入される割合が減少
し、窒素ラジカルの導入される割合が増加すると、キャ
リアの活性化率が増加する。上記の実施例の場合にはこ
のように正にイオン化した窒素原子や分子の基板２０へ
の導入を抑止し、単位導入量あたりの窒素ラジカルの導
入量を増加させることにより、キャリアの活性化率は電
圧を印加しない場合の１０％から４０％に改善された。
また、上記の窒素ドープＺｎＳｅエピタキシャル層の液
体窒素温度におけるフォトルミネッセンススペクトルも
図３と同様のスペクトルが得られた。
【００４１】なお、本実施例においてはＩＩ−ＶＩ族化
合物半導体としてＺｎＳｅを用いたが、これにはＺｎＳ
Ｓｅ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＭｇＳＳｅ等が適用され得
る。また、本実施例では窒素プラズマはＥＣＲによって
生成したが、これは上記第１実施例と同様に１３．５６
ＭＨｚの高周波あるいは２．４５ＧＨｚのマイクロ波の
印加による方法より生成することも可能である。
合物半導体としてＺｎＳｅを用いたが、これにはＺｎＳ
Ｓｅ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＭｇＳＳｅ等が適用され得
る。また、本実施例では窒素プラズマはＥＣＲによって
生成したが、これは上記第１実施例と同様に１３．５６
ＭＨｚの高周波あるいは２．４５ＧＨｚのマイクロ波の
印加による方法より生成することも可能である。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板上にエピタキシャル層を成長させる際に、ビ−ムガ
ンにより照射された活性種等が正の電圧が印加された粒
子透過型電極を通過するので、正に帯電している窒素イ
オンは反射されるか透過しても照射エネルギを奪われ、
基板に到達しても脱離してドーピングされない。従っ
て、ドーピング効率の著しい改善が可能となり、結晶性
のよい窒素ドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体エピタキシ
ャル層を形成し得る。
基板上にエピタキシャル層を成長させる際に、ビ−ムガ
ンにより照射された活性種等が正の電圧が印加された粒
子透過型電極を通過するので、正に帯電している窒素イ
オンは反射されるか透過しても照射エネルギを奪われ、
基板に到達しても脱離してドーピングされない。従っ
て、ドーピング効率の著しい改善が可能となり、結晶性
のよい窒素ドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体エピタキシ
ャル層を形成し得る。
【００４３】また、基板に正の電圧を印加することによ
っても、ビームガンから照射され正に帯電した窒素イオ
ンはクーロン力による反発を受けて基板に導入されにく
い。よって、窒素ラジカルが基板に導入される割合が増
加して、活性化率（ドーピング効率）が増加する。しか
も、エピタキシャル層の結晶性は良好に保たれているの
で、キャリアの移動度を向上させることができるととも
に、シート抵抗を低減することができ、以て、ＺｎＳｅ
系半導体レーザの室温連続発振等が可能となる。
っても、ビームガンから照射され正に帯電した窒素イオ
ンはクーロン力による反発を受けて基板に導入されにく
い。よって、窒素ラジカルが基板に導入される割合が増
加して、活性化率（ドーピング効率）が増加する。しか
も、エピタキシャル層の結晶性は良好に保たれているの
で、キャリアの移動度を向上させることができるととも
に、シート抵抗を低減することができ、以て、ＺｎＳｅ
系半導体レーザの室温連続発振等が可能となる。
【００４４】
【図１】図１は、本発明の分子線エピタキシ（ＭＢＥ）
装置成長室構成の概略を示す図である。
装置成長室構成の概略を示す図である。
【図２】図２は、図１における本発明のＥＣＲラジカル
ビームガンの部分拡大図である。
ビームガンの部分拡大図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施例に係る窒素ドープ
ＺｎＳｅエピタキシャル層の液体ヘリウム温度でのフォ
トルミネッセンススペクトルである。（ａ）は網目状電
極に＋１８Ｖの直流電圧を印加して成長したエピタキシ
ャル層のスペクトルを示す図であり、（ｂ）は電圧を印
加せずに成長したエピタキシャル層のスペクトルを示す
図である。
ＺｎＳｅエピタキシャル層の液体ヘリウム温度でのフォ
トルミネッセンススペクトルである。（ａ）は網目状電
極に＋１８Ｖの直流電圧を印加して成長したエピタキシ
ャル層のスペクトルを示す図であり、（ｂ）は電圧を印
加せずに成長したエピタキシャル層のスペクトルを示す
図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施例に係るＥＣＲ印加
による窒素プラズマの発光分光スペクトルであり、Ｎ2
* は窒素分子ラジカルの発光ピークを、Ｎ* は窒素原子
ラジカルの発光ピークを、Ｎ2 + は窒素分子イオンの発
光ピークを示す図である。
による窒素プラズマの発光分光スペクトルであり、Ｎ2
* は窒素分子ラジカルの発光ピークを、Ｎ* は窒素原子
ラジカルの発光ピークを、Ｎ2 + は窒素分子イオンの発
光ピークを示す図である。
【図５】図５は、本発明の分子線エピタキシ（ＭＢＥ）
装置成長室構成の概略を示す図である。
装置成長室構成の概略を示す図である。
１，１０…真空チャンバ、２，２０…基板、２１…マニ
ピュレータ、３…分子線セル、４…ＥＣＲラジカルビー
ムガン、５…液体窒素シュワルド、３０ａ，３０ｂ…分
子線セル、３１ａ，３１ｂ…分子線セルシャッター、４
０…ＥＣＲラジカルビームガン、４１…網目状電極、４
２…オリフィス、４３…永久磁石、４４…マイクロ波導
入用アンテナ、４５…冷却水導入口、４６…窒素ガス導
入口、４７…冷却水取り出し口、８０…絶縁体、９０…
電源。
ピュレータ、３…分子線セル、４…ＥＣＲラジカルビー
ムガン、５…液体窒素シュワルド、３０ａ，３０ｂ…分
子線セル、３１ａ，３１ｂ…分子線セルシャッター、４
０…ＥＣＲラジカルビームガン、４１…網目状電極、４
２…オリフィス、４３…永久磁石、４４…マイクロ波導
入用アンテナ、４５…冷却水導入口、４６…窒素ガス導
入口、４７…冷却水取り出し口、８０…絶縁体、９０…
電源。
Claims (8)
- 【請求項１】 基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のエ
ピタキシャル層を成長させる半導体エピタキシャル成長
装置において、 内部に配置された前記基板に向けて前記エピタキシャル
層の原料を供給するセルを内部に有する真空チャンバ
と、 前記真空チャンバに連通しており、外部から供給された
窒素を励起することにより生成される窒素プラズマ中に
含まれている活性種を前記基板に照射するビームガン
と、 前記ビームガンと前記基板との間に配置された粒子透過
型電極と、 前記粒子透過型電極に正の電圧を印加する電源手段とを
備えることを特徴とする半導体エピタキシャル成長装
置。 - 【請求項２】 基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のエ
ピタキシャル層を成長させる半導体エピタキシャル成長
装置において、 内部に配置された前記基板に向けて前記エピタキシャル
層の原料を供給するセルを内部に有する真空チャンバ
と、 前記真空チャンバに連通しており、外部から供給された
窒素を励起することにより生成される窒素プラズマ中に
含まれている活性種を前記基板に照射するビームガン
と、 前記基板を前記真空チャンバから絶縁して、前記基板に
前記真空チャンバに対して正の電圧を印加する電圧印加
手段と、を備えることを特徴とする半導体エピタキシャ
ル成長装置。 - 【請求項３】 前記ビームガンが前記窒素を励起するた
めに印加される高周波が１３．５６ＭＨｚであることを
特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体エピ
タキシャル成長装置。 - 【請求項４】 前記ビームガンが前記窒素を励起するた
めに印加されるマイクロ波が２．４５ＧＨｚであること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体エ
ピタキシャル成長装置。 - 【請求項５】 前記ビームガンが８７５ガウスの磁界お
よび２．４５ＧＨｚのマイクロ波を前記窒素に印加して
生ずる電子サイクロトロン共鳴により励起するよう構成
されていることを特徴とする請求項１または請求項２に
記載の半導体エピタキシャル成長装置。 - 【請求項６】 前記電源手段が印加する正の電圧が＋１
５Ｖ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導
体エピタキシャル成長装置。 - 【請求項７】 真空チャンバ内に配置された基板上にＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体のエピタキシャル層を成長しつ
つ前記真空チャンバと連通しているビームガンから発生
された窒素プラズマ中の活性種をエピタキシャル層に照
射する半導体エピタキシャル成長方法において、前記基
板と前記ビームガンとの間に配置されており正の電圧を
印加する粒子透過型電極を通して前記活性種が照射され
ることと特徴とする半導体エピタキシャル成長方法。 - 【請求項８】 真空チャンバ内に配置された基板上にＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体のエピタキシャル層を成長しつ
つ前記真空チャンバと連通しているビームガンから発生
された窒素プラズマ中の活性種をエピタキシャル層に照
射しつつ、電圧印加手段により前記基板を前記真空チャ
ンバから絶縁して、前記基板に前記真空チャンバに対し
て正の電圧を印加することを特徴とする半導体エピタキ
シャル成長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5246899A JPH0778839A (ja) | 1993-07-12 | 1993-10-01 | 半導体エピタキシャル成長装置および成長方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17165893 | 1993-07-12 | ||
| JP5-171658 | 1993-07-12 | ||
| JP5246899A JPH0778839A (ja) | 1993-07-12 | 1993-10-01 | 半導体エピタキシャル成長装置および成長方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0778839A true JPH0778839A (ja) | 1995-03-20 |
Family
ID=26494318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5246899A Pending JPH0778839A (ja) | 1993-07-12 | 1993-10-01 | 半導体エピタキシャル成長装置および成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0778839A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5865897A (en) * | 1994-06-09 | 1999-02-02 | Sony Corporation | Method of producing film of nitrogen-doped II-VI group compound semiconductor |
-
1993
- 1993-10-01 JP JP5246899A patent/JPH0778839A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5865897A (en) * | 1994-06-09 | 1999-02-02 | Sony Corporation | Method of producing film of nitrogen-doped II-VI group compound semiconductor |
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