JPH09309792A - Molecular beam epitaxial growth equipment - Google Patents
Molecular beam epitaxial growth equipmentInfo
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- JPH09309792A JPH09309792A JP12524296A JP12524296A JPH09309792A JP H09309792 A JPH09309792 A JP H09309792A JP 12524296 A JP12524296 A JP 12524296A JP 12524296 A JP12524296 A JP 12524296A JP H09309792 A JPH09309792 A JP H09309792A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 原料消費を低減させて、均一な性質のエピタ
キシャル結晶を再現性よく成長させることができる分子
線エピタキシャル成長装置を提供する。
【解決手段】 固体ソースセル7、8とガスソースセル
9とを備え、前記固体ソースセル7、8と前記ガスソー
スセル9から発生した分子ビームを基板3に供給し、該
基板3上にエピタキシャル結晶を成長させる分子線エピ
タキシャル成長装置において、ガスソースセル9の基板
3との距離を固体ソースセル7、8の基板3との距離よ
りも短くし、ガスソースセル9の先端部9aまで液体窒
素シュラウド11e、11fで囲む。
(57) Abstract: A molecular beam epitaxial growth apparatus capable of reducing the consumption of raw materials and growing an epitaxial crystal having uniform properties with good reproducibility. A solid source cell (7, 8) and a gas source cell (9) are provided, a molecular beam generated from the solid source cell (7, 8) and the gas source cell (9) is supplied to a substrate (3), and an epitaxial film is formed on the substrate (3). In the molecular beam epitaxial growth apparatus for growing crystals, the distance between the gas source cell 9 and the substrate 3 is set shorter than the distance between the solid source cells 7 and 8 and the substrate 3, and the liquid nitrogen shroud is extended to the tip 9a of the gas source cell 9. Surround with 11e and 11f.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体のエ
ピタキシャル成長に用いられる分子線エピタキシャル成
長装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a molecular beam epitaxial growth apparatus used for epitaxially growing a compound semiconductor.
【0002】[0002]
【従来の技術】分子線エピタキシャル成長(Molecular
Beam Epitaxy:MBE)装置は、化合物半導体のエピタ
キシャル成長に使用される。例えば、MBE装置を用い
て、3−5族化合物半導体をエピタキシャル成長させる
場合、3族原料としてGa、In、Alなどの金属を用
い、5族原料としてAsなどを用いる場合がある。これ
らの原料を金属ソースとして、超高真空装置内に設置し
たクヌードセンセル(K−セル)中にそれぞれ独立に入
れ、加熱することによって、分子ビームを得、GaAs
などの基板上にGaAs、AlGaAsなどのエピタキ
シャル層を成長させる。また、原料をガスで供給する有
機金属分子線エピタキシャル成長(M0MBE)装置で
は、3族原料として、トリメチルガリウム(TMG)、
トリメチルアルミニウム(TMA)などの有機金属ガス
を用い、5族原料としてアルシン(AsH3 )、ホスフ
ィン(PH3 )などを用いる。そうして、これらの有機
金属ガスをガスソースとして、GaAsなどの基板上に
GaAs、AlGaAsなどのエピタキシャル層を成長
させる。2. Description of the Related Art Molecular beam epitaxial growth (Molecular
A beam epitaxy (MBE) apparatus is used for epitaxial growth of a compound semiconductor. For example, when a Group 3-5 compound semiconductor is epitaxially grown using an MBE apparatus, metals such as Ga, In, and Al may be used as Group 3 materials, and As may be used as Group 5 materials. These raw materials are independently used as metal sources in Knudsen cells (K-cells) installed in an ultra-high vacuum apparatus, and heated to obtain a molecular beam to obtain GaAs.
An epitaxial layer such as GaAs or AlGaAs is grown on a substrate such as. Further, in the metalorganic molecular beam epitaxial growth (MOMBE) apparatus for supplying the raw material by gas, trimethylgallium (TMG),
An organometallic gas such as trimethylaluminum (TMA) is used, and arsine (AsH 3 ) and phosphine (PH 3 ) are used as Group 5 raw materials. Then, an epitaxial layer of GaAs, AlGaAs or the like is grown on a substrate of GaAs or the like using these organic metal gases as a gas source.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
MBE装置では、P系の材料(InP、InGaAsP
など)を再現性よく成長させることが困難であるという
問題があった。また、従来のM0MBE装置では、Al
系の材料(AlAs、AlGaAsなど)を成長させる
際、TMAのメチル基のカーボンCが混入し、高純度結
晶が成長しにくいという問題があった。そこで最近にな
り、固体ソースとガスソースを併用する装置を使用し
て、Al系の固体金属材料を固体ソースセルに入れ、P
系の有機金属ガス材料をガスソースセルに導入すること
により、従来のMBE装置にP系の材料を用いた場合の
問題、およびM0MBE装置にAl系の材料を用いたと
きの問題を回避しようとしているが、この種の装置の適
切な設計手段はいまだ確立していない。However, in the conventional MBE device, the P-based material (InP, InGaAsP) is used.
Etc.) was difficult to grow with good reproducibility. In addition, in the conventional M0MBE device, Al
When a system material (AlAs, AlGaAs, etc.) is grown, carbon C, which is a methyl group of TMA, is mixed, and it is difficult to grow a high-purity crystal. Recently, therefore, an Al-based solid metal material was put into a solid source cell by using an apparatus using both a solid source and a gas source, and P
By introducing a metal-organic gas material of the system to the gas source cell, an attempt is made to avoid problems when a P-based material is used in the conventional MBE apparatus and problems when an Al-based material is used in the M0MBE apparatus. However, no suitable design tool for this type of equipment has yet been established.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決すべくなされたもので、請求項1記載の発明は、固体
ソースセルとガスソースセルとを備え、前記固体ソース
セルと前記ガスソースセルから発生した分子ビームを基
板に供給し、該基板上にエピタキシャル結晶を成長させ
る分子線エピタキシャル成長装置において、ガスソース
セルと基板との距離を固体ソースセルと基板との距離よ
りも短くしたことを特徴とするものである。また、請求
項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、ガス
ソースセルはその先端部まで液体窒素シュラウドで囲ま
れていることを特徴とするものである。The present invention has been made to solve the above problems, and the invention according to claim 1 comprises a solid source cell and a gas source cell, and the solid source cell and the gas are provided. In a molecular beam epitaxial growth apparatus for supplying a molecular beam generated from a source cell to a substrate and growing an epitaxial crystal on the substrate, the distance between the gas source cell and the substrate is shorter than the distance between the solid source cell and the substrate. It is characterized by. The invention according to claim 3 is characterized in that, in the invention according to claim 1, the gas source cell is surrounded by a liquid nitrogen shroud up to its tip.
【0005】ところで、固体ソースセルからはおもに3
族原子が供給されるが、純度のよいエピタキシャル結晶
を成長させるためには、固体ソースセル近傍の真空度を
10 -7Torr程度に高くして、成長した結晶に導入さ
れる不純物を低減させる必要がある。一方、ガスソース
セルからは、おもに5族原子が供給されるが、成長チャ
ンバ内の圧力は10-5〜10-4Torr程度である。ま
た、ガス消費量を抑え、かつ5族/3族の供給比を大き
くするためには、ガスソースセルは基板に近い位置に設
置されることが望ましい。従って、成長チャンバ内に固
体ソースセルとガスソースセルを備える場合には、固体
ソースセル近傍の真空度をガスソースセル近傍よりも高
くすること、およびガスソースセルは基板に近く位置す
る必要がある。そこで、上述のように、ガスソースセル
の基板との距離を固体ソースセルの基板との距離よりも
短くすると、ガスソースセル近傍よりも固体ソースセル
近傍の真空度を高くすることができるとともに、ガスソ
ースセルからのガス消費量を抑えることができる。By the way, from the solid source cell, 3
Epitaxial crystals of high purity, although group atoms are supplied
In order to grow the
10 -7It is introduced to the grown crystal after raising it to about Torr.
It is necessary to reduce the impurities generated. Meanwhile, gas source
The group 5 atoms are mainly supplied from the cell.
Pressure in the chamber is 10-Five-10-FourIt is about Torr. Ma
In addition, the gas consumption is suppressed and the supply ratio of group 5/3 is large.
For this reason, the gas source cell must be installed close to the substrate.
It is desirable to be placed. Therefore, in the growth chamber
Solid with body and gas source cells
The degree of vacuum near the source cell is higher than that near the gas source cell.
Combustion and gas source cells are located close to the substrate
Need to be Therefore, as described above, the gas source cell
Distance from the substrate of the solid source cell than the distance from the substrate
Shorter, solid source cell than near the gas source cell
The vacuum degree in the vicinity can be increased and the gas source
It is possible to suppress gas consumption from the cell.
【0006】また、ガスソースセルからアルシン(As
H3 )、ホスフィン(PH3 )などの水素化合物を供給
する際には、これらの水素化合物は熱分解温度が100
0℃程度で高いため、ガスソースセルの温度は高くする
必要がある。そうすると、基板の温度が上昇し、成長し
た結晶からAsやPが再蒸発する恐れがある。そこで、
固体ソースセルよりも基板に近く位置するガスソースセ
ルの先端部まで液体窒素シュラウドで囲むと、基板から
のAsやPの再蒸発を防ぎ、再現性よく結晶を成長させ
ることができる。In addition, from the gas source cell, arsine (As
H 3 ), phosphine (PH 3 ) and the like are supplied with hydrogen compounds, these hydrogen compounds have a thermal decomposition temperature of 100.
Since the temperature is high at about 0 ° C., it is necessary to raise the temperature of the gas source cell. Then, the temperature of the substrate rises, and As or P may re-evaporate from the grown crystal. Therefore,
If the tip of the gas source cell located closer to the substrate than the solid source cell is surrounded by a liquid nitrogen shroud, re-evaporation of As and P from the substrate can be prevented and a crystal can be grown with good reproducibility.
【0007】[0007]
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明にかかる分
子線エピタキシャル成長装置の一実施形態の概念説明図
である。図中、1は超高真空チャンバ、2は基板ホルダ
ー、3は基板、4は基板3を加熱するヒーター、5は基
板3の前に設けられたシャッター、6は真空ポンプ、
7、8は固体ソースセル、9はガスソースセル、10は
固体ソースセル7、8およびガスソースセル9の前に設
けられたシャッター、11a〜fは液体窒素シュラウド
である。ここで、ガスソースセル9の先端部9aは固体
ソースセル7、8の先端部7a、8aよりも基板3に近
く位置している。また、ガスソースセル9を囲む液体窒
素シュラウド11e、11fは、ガスソースセル9をそ
の先端部9aまで囲んでいる。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual explanatory view of an embodiment of a molecular beam epitaxial growth apparatus according to the present invention. In the figure, 1 is an ultra-high vacuum chamber, 2 is a substrate holder, 3 is a substrate, 4 is a heater for heating the substrate 3, 5 is a shutter provided in front of the substrate 3, 6 is a vacuum pump,
Reference numerals 7 and 8 are solid source cells, 9 is a gas source cell, 10 is a shutter provided in front of the solid source cells 7, 8 and the gas source cell 9, and 11a to f are liquid nitrogen shrouds. Here, the tip portion 9a of the gas source cell 9 is located closer to the substrate 3 than the tip portions 7a and 8a of the solid source cells 7 and 8. Further, the liquid nitrogen shrouds 11e and 11f surrounding the gas source cell 9 surround the gas source cell 9 up to its tip 9a.
【0008】以下に固体ソースセル7、8およびガスソ
ースセル9の配置について具体的に説明する。先ず、G
a、Inなどの3族用の固体ソースセル7(2個設け
る)については、坩堝の開口径を35mm、開口角度を
2°、入射角35°、固体ソースセル7の先端部7aよ
り基板3表面までの距離を240mmとした。次に、A
l用の固体ソースセル8については、消費量が比較的多
いので、固体ソースセル7よりも基板3に近づけて、固
体ソースセル8の先端部8aより基板3表面までの距離
を180mmとした。なお、坩堝の開口径、開口角度お
よび入射角は固体ソースセル7と同一である。次に、ド
ーパント用の固体ソースセル(図示せず)については、
坩堝の開口径を23.5mm、開口角度を2°、入射角
35°、その先端より基板3表面までの距離を240m
mとした。さらに、アルシン(AsH3 )、ホスフィン
(PH3 )用のガスソースセル9(2個設ける)は、ガ
ス消費量を抑えるために、その先端部9aより基板3表
面までの距離を150mmとした。The arrangement of the solid source cells 7 and 8 and the gas source cell 9 will be specifically described below. First, G
Regarding the solid source cells 7 for Group 3 such as a and In (provided with two pieces), the opening diameter of the crucible is 35 mm, the opening angle is 2 °, the incident angle is 35 °, and the substrate 3 from the tip 7a of the solid source cell 7 The distance to the surface was 240 mm. Next, A
Since the solid source cell 8 for 1 consumes a relatively large amount, it is brought closer to the substrate 3 than the solid source cell 7, and the distance from the tip portion 8a of the solid source cell 8 to the surface of the substrate 3 is set to 180 mm. The opening diameter, the opening angle, and the incident angle of the crucible are the same as those of the solid source cell 7. Next, regarding the solid-state source cell (not shown) for the dopant,
The opening diameter of the crucible is 23.5 mm, the opening angle is 2 °, the incident angle is 35 °, and the distance from the tip to the surface of the substrate 3 is 240 m.
m. Further, in the gas source cells 9 (two provided) for arsine (AsH 3 ) and phosphine (PH 3 ), the distance from the tip 9a to the surface of the substrate 3 was set to 150 mm in order to suppress gas consumption.
【0009】上述のような固体ソースセル7、8および
ガスソースセル9の配置で、回転する2インチ径の基板
3上にAl、Pを含む3−5族化合物半導体のエピタキ
シャル結晶を成長させた。そうすると、真空ポンプ6で
超高真空チャンバ1内を真空にすると、結晶成長時に固
体ソースセル7、8の先端部7a、8a近傍を10-7T
orr程度の真空度に、ガスソースセル9の先端部9a
近傍を10-5Torr程度の真空度に維持することがで
きた。また、成長したエピタキシャル結晶は再現性がよ
く、基板3面の40mmφ程度の範囲内で厚さが+/−
1%の均一性を有し、電気特性も均一性のよいものであ
った。With the arrangement of the solid source cells 7 and 8 and the gas source cell 9 as described above, an epitaxial crystal of a group 3-5 compound semiconductor containing Al and P was grown on the rotating substrate 3 having a diameter of 2 inches. . Then, if the inside of the ultra-high vacuum chamber 1 is evacuated by the vacuum pump 6, the vicinity of the tips 7a and 8a of the solid source cells 7 and 8 at the time of crystal growth is 10 −7 T.
The tip portion 9a of the gas source cell 9 has a vacuum degree of about orr.
The vicinity could be maintained at a vacuum degree of about 10 -5 Torr. Also, the grown epitaxial crystal has good reproducibility and the thickness is +/- within the range of about 40 mmφ on the substrate 3 surface.
It had a uniformity of 1% and good electrical characteristics.
【0010】なお、本発明は上記実施形態に限定され
ず、固体ソースセルとガスソースセルを、例えばベロー
タイプのフランジを用いるなどして、基板との距離が可
変であるように設置してもよい。そうすると、結晶成長
条件に合わせて、最適な固体ソースセルとガスソースセ
ルの配置を実現することができる。また、ガスソースセ
ルを覆う液体窒素シュラウドのガスソースセルの先端部
を囲む部分に熱電対を設け、そこを流れる液体窒素の流
量を制御して、その部分の温度制御を可能にすると、結
晶成長の再現性を一層よくすることができる。The present invention is not limited to the above embodiment, and the solid source cell and the gas source cell may be installed such that the distance from the substrate is variable by using, for example, a bellows type flange. Good. Then, it is possible to realize the optimal arrangement of the solid source cell and the gas source cell according to the crystal growth conditions. In addition, if a thermocouple is provided in the part surrounding the tip of the gas source cell of the liquid nitrogen shroud that covers the gas source cell and the flow rate of liquid nitrogen flowing therethrough is controlled to enable temperature control of that part, crystal growth will occur. Reproducibility can be further improved.
【0011】[0011]
【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の発明
によれば、ガスソースセルの基板との距離を固体ソース
セルの基板との距離よりも短くするため、原料消費を低
減させて、均一な性質のエピタキシャル結晶を成長させ
ることができるという優れた効果がある。また、請求項
3記載の発明によれば、ガスソースセルはその先端部ま
で液体窒素シュラウドで囲まれているため、再現性よく
結晶を成長させることができるという優れた効果があ
る。As described above, according to the invention of claim 1, the distance from the substrate of the gas source cell is made shorter than the distance from the substrate of the solid source cell. There is an excellent effect that an epitaxial crystal having a uniform property can be grown. Further, according to the invention described in claim 3, since the gas source cell is surrounded by the liquid nitrogen shroud up to its tip, there is an excellent effect that crystals can be grown with good reproducibility.
【図1】本発明に係る分子線エピタキシャル成長装置の
一実施形態の概念説明図である。FIG. 1 is a conceptual explanatory view of an embodiment of a molecular beam epitaxial growth apparatus according to the present invention.
1 超高真空チャンバ 2 基板ホルダー 3 基板 4 ヒーター 5、10 シャッター 6 真空ポンプ 7、8 固体ソースセル 7a、8a、9a 先端部 9 ガスソースセル 11a〜11f 液体窒素シュラウド 1 Ultra High Vacuum Chamber 2 Substrate Holder 3 Substrate 4 Heater 5, 10 Shutter 6 Vacuum Pump 7, 8 Solid Source Cell 7a, 8a, 9a Tip 9 Gas Source Cell 11a-11f Liquid Nitrogen Shroud
Claims (4)
え、前記固体ソースセルと前記ガスソースセルから発生
した分子ビームを基板に供給し、該基板上にエピタキシ
ャル結晶を成長させる分子線エピタキシャル成長装置に
おいて、ガスソースセルと基板との距離を固体ソースセ
ルと基板との距離よりも短くしたことを特徴とする分子
線エピタキシャル成長装置。1. A molecular beam epitaxial growth apparatus comprising a solid source cell and a gas source cell, supplying a molecular beam generated from the solid source cell and the gas source cell to a substrate to grow an epitaxial crystal on the substrate. A molecular beam epitaxial growth apparatus, wherein the distance between the gas source cell and the substrate is shorter than the distance between the solid source cell and the substrate.
え、前記固体ソースセルと前記ガスソースセルから発生
した分子ビームを基板に供給し、該基板上にエピタキシ
ャル結晶を成長させる分子線エピタキシャル成長装置に
おいて、固体ソースセルとガスソースセルは、基板との
距離が可変であるように設置されていることを特徴とす
る分子線エピタキシャル成長装置。2. A molecular beam epitaxial growth apparatus comprising a solid source cell and a gas source cell, supplying a molecular beam generated from the solid source cell and the gas source cell to a substrate to grow an epitaxial crystal on the substrate. The molecular beam epitaxial growth apparatus, wherein the solid source cell and the gas source cell are installed so that the distance to the substrate is variable.
素シュラウドで囲まれていることを特徴とする請求項1
又は2記載の分子線エピタキシャル成長装置。3. The gas source cell is surrounded by a liquid nitrogen shroud up to its tip.
Alternatively, the molecular beam epitaxial growth apparatus according to item 2.
ドは、ガスソースセルの先端部を囲む部分が温度制御可
能であることを特徴とする請求項3記載の分子線エピタ
キシャル成長装置。4. The molecular beam epitaxial growth apparatus according to claim 3, wherein the liquid nitrogen shroud covering the gas source cell has a temperature controllable portion at the portion surrounding the tip of the gas source cell.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12524296A JPH09309792A (en) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | Molecular beam epitaxial growth equipment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12524296A JPH09309792A (en) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | Molecular beam epitaxial growth equipment |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09309792A true JPH09309792A (en) | 1997-12-02 |
Family
ID=14905309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12524296A Pending JPH09309792A (en) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | Molecular beam epitaxial growth equipment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09309792A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019212677A (en) * | 2018-05-31 | 2019-12-12 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | Organometallic molecular beam epitaxy method and apparatus |
-
1996
- 1996-05-21 JP JP12524296A patent/JPH09309792A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019212677A (en) * | 2018-05-31 | 2019-12-12 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | Organometallic molecular beam epitaxy method and apparatus |
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