JPS6027689A - ＡｌＧａＡｓ結晶の分子線結晶成長法 - 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】 この発明は分子線結晶成長法による高品質１のアルミニ
ウム・ガリウム・砒素（ＡｊＧａＡａ　）結晶の製造方
法に１９４するものである。

ｋｌＧａＡｓはＧａ、Ａ＃よりも禁制帯幅を広くするこ
とができ、屈折率も小さいので、ＧａＡｓとへテロ接合
して半導体レーザを栴成しているか、レーザの特性を高
めるために非発光中心が少ない高品′Ｊ４ＥのＡｌＧａ
Ａｓ結晶が要求されている。

上述のＡＩＧａＡｊ結晶′ＩＬ′！′Ｊ造する分子線結
晶成長法ｆｆｔの一例を第１図により説明すると、超高
真空槽／コの中にはＧｃＬ八８へ板結晶ｌがモリブデン
製のブロックλにインジウムにより貼りつけられておシ
、ブロックコの裏面に設けられたヒーター３により、基
板はブロックを介して加熱される。ブロックλの裏面に
は史に熱電対ダが設けられ、ブロックの裏面温度により
ヒーター３の加熱温度を制御する。基板ｌの直面する真
空槽／λの内周面にはＡｓ、Ｇａ、Ａｌなどの母材拐料
蒸発源、ｔ、Ａ、７とＢｅ、Ｓｉなどの不純物材料蒸発
源ｇ。

９が設けられ、母拐祠科、不純物を加熱、蒸発もしくは
昇華させる。それぞ几の蒸発源の蒸発口にはシャッター
が設けらル、７ヤツターの開かれた蒸発口より蒸発、昇
確した分子は発射され、加熱された基板へ入射し基板上
で結晶が成長する。発射される分子線の強度は各蒸発源
の加熱温度により制御さｎる。

上述の分子線結晶成長において、Ａｌ、Ｇａ及びんの分
子線強度割合が適切であり、基板の加熱温度が適温であ
れば、結晶性の良いＡｌＧａＡｓ単結晶が成長するが、
これまで高品質の結晶が形成する具体的な成長条件を検
知する方法は知られていなかった。即ち、基板の温度は
熱電対または放射温度計によって測定さｎてｈるが、実
際の結晶が成長する基板表面の温度はいすｎの場合も正
確に知ることができず、結晶成長条件などによって、基
板表面温度は微妙に変るため推定することも困難であっ
て、熱電対、放射温度計の測定値を結晶成長条件のパラ
メータとして用い得なかった。また分子線強度比と結晶
の品質の関係については、ｈｐｐｌ、ｐｈｙｓ、Ｌｅｔ
ｔ、５９　（６）　＋（１９８１）ｐｐ　４８６−４８
７において、分子線強度比ＡｌＧａＡ３低い場合とその
８倍とに変えて成長した結晶の光ルミネセンスのスペク
トル全測定し、強度比が低い場合にバンドエツジエミッ
ションが観測されるので品質の高い結晶が得られるとし
ている。しかしこの場合の分子線強度比はＡ８リッチの
条件であるとしておシ、具体的な条件は明らかにされて
いない。

また、Ｊ、ｋｐｐｌ、Ｐｈｙ８．５２（９）　１（１９
８１）　ｐ５７９２において、分子線強度比Ａ８／（Ａ
Ｊ＋ＧｃＬ）’ｉ（〜１０と大きくすると光ルミネセン
スのスペクトルから評価さｎる結晶の品質は悪く、分子
線強度比が２のとき最も良いスペクトルが得ら九るとし
てｈるが、具体的な成長条件、正確な基板表面温度など
が示されておらず、再現性に乏しがった。

このようにこれまで高品質のＡｌＧａＡｓ結晶が得られ
る具体的な成長条件をこｎｔで同定することができず、
経験的に得られた成長条件に基いて結晶成長上行ってい
たが、再現性が乏しく成長条件などが少しでも変ると、
形成する結晶の品質に影響ケ与え、高品質のＡｌＧａＡ
ｓ結晶が高収率で製造できなかった。

この発明の目的は光学的にも電気的にも特性の優ｆＬ７
Ｃ高品質のｈｌａａｈｓ結晶會分子結晶品分子線結晶成
長法良く製造する・方法を提供することにある。

ＡｊＧｃＬＡｓ結晶の成長中に基板表面に電子線を照射
して回折像を観察すると、回折像と結晶成長条件及び形
成した結晶の品質との間に明確な相関関係があることが
判９、観察された回１７ｉ′像によって高品質のＡｌＧ
ａＡｓ結晶が得られる条件を特定することができること
を見出し、この発明を完成した。

分子線結晶成長において、形成ＴるＡｊ　Ｇａｐｓ結晶
の品質全左右する主たる成長条件としては上述の如く、
Ａ８に対するＡｌとＧａの分子線強度比と基板温度であ
る。

第２図はＧａＡ３基板温度？！＝７５０　’Ｃとして成
長したＡｌＧａＡｓ結晶からの光ルミネンスのスペクト
ルを示し、第２図（ａ）はＡ８の分子線強度と、ｈｌと
Ｇａ衾加えた分子線強度比ｈｓ／（ｈｌ＋Ｇα）を３．
４として成長した結晶のスペクトルであシ、ＩＩ　Ｌ’
　図（ｂ）　ｕ上ｎ己の分子線強度比ｆ　１，０として
成長した結晶のスペクトルであシ、そ扛ぞ扛の矢印で示
したピークは束縛励起子による発光ピークである。

仁の発光ピークの幅は狭く、強度は大きい程、欠陥が少
なく、光学的な品質の高い結晶ということができる。従
って、第２図より分子線の強度比２３．４から１．０と
小さくすると、結晶の品質が向上する傾向を示すことが
判る。

尚、木切＃１１°で用いる基板温度とｌ−を基板を貼付
したモリブデン製ブロックの裏面に愁電対全圧接して測
定した温度を意味し、分子線強度は結晶成長時の基板の
位置にイオンゲージを置き分圧全測定して、式（１）に
ょ請求めた値である。

Ｐｘ戸 殆　Ｍｚ　・・・・・（０ 式中、Ｘは分子の種類、Ｐｘは分圧、Ｔｆｆｉは蒸発源
の温度、Ｍｚｆｆ１モル当力の分子の重さ、’７２はＮ
２のイオン化率を１としたときの分子Ｘのイオン化率で
経験的に式（２）で与えら九ることか知られている。

ｒ）ｔ　＝　０．６ＸＺ／ｊ４＋０．４　、、、、、　
（２）式中、Ｚは原子数で、ΣＺは分子ｚｙ構成する原
子の原子数の総和を意味する。また、分子線強度比はＪ
Ａｓ。／（Ｊ気＋ＪＡｘ　）を意味する。

第３図ＦｉＧａＡｓ基板温度と分子線強度比ｖｉ一種々
変えて成長したＡｌＧａＡ３　結晶からの束縛励起子の
発光強度の相対値を示したグラフである。第５図のグラ
ンよシ基析温度を高くする程束縛励起子の発光強度が増
加し、また同じ基板温度でもＡｓ／（Ａｊ＋ｃａ）　の
分子線強度比が小さい程束縛鈎起子の発光強度が増加す
ることか判る。そして、基板温度が７２０℃と７５０℃
の場合は分子線強度比が１．０のとき、基板温度が７８
００の補合は分子線強度比が２．５附近のとき最も高い
発光強度が得ら２Ｌる。しかし更に分子線強度比を小さ
くすると、結晶表面にｈＬ、ａａが年休で析出し、結晶
性の劣化を生じる傾向を示す。

上によｐ　ＡｊＧａ、ＡＳ　結晶の成長条件に基板温度
がボリア５０℃のときは分子線ジ）１度比を１．０附近
とし、基数温度を上昇するにつルて分子線強度比を大き
くして、基板温度が７８０℃近傍のとき分子線強度比が
２．５附近となるよう々「ａ凹とすることにより品質の
優ｒＬｆｃＡＬＧｃＬＡ８　結晶が成長すること＼なる
。

上述の束縛励起子の発元強度側足で高品質の結晶と判定
さ１”Ｌ７Ｃ試不」のホール移動度と自由電子の濃度を
測定した結果は？Ｘ衣の如くであった。

上記の表より分子線強度比が小さい条件で成長させた結
晶相、高いホール移動度を示し、光学的特性が優扛た結
晶、即ち基板温度が７８０℃で分子線強度比が２．５と
基板温度が７５０℃で分子線強度比が１．０の条件で成
長した結晶はいずれも優れ７’（電気特性を示し、Ａｔ
ＧｃＡ８結晶の成長条件が最適であることが摂伺けら扛
る。しかし、分子線強度比の制御は比較的信頼性が高い
が、基板温度は上述の如くブロックの裏面より熱電対に
よシ測定した温度であって、基板表面の実際の温度との
対応関係は基板に保持しているブロックの構造などに依
存し、異なる装置間ではプ日ツク裏面よシ同じ温度が測
定さｎ＊とじても基板表面の温度は必ずしも常に同じと
いう保証は得られなり。

そこで、この発明において、Ｇ（Ｌｉ２　基板にＡｊＧ
ｃＬＡＢ層が成長しているときに高速電子回折像を観察
する。即ち、第１図において、電子線回折用の電子銃１
０ｆ真空槽／コに取付け、電子銃１０よシの電子線が基
板表面を照射し、反射光が到達する反対側の真空槽内壁
には電子線回折用スクリーンｌｌｔ設け、回折像を観察
する。

上述の如くして、ＧｃＬＡ８基板温度と分子線強度比Ａ
ｓ／（ＡＪ＋ＧｃＬ）ｋ！えて、基板にＡｌＧａＡｓ’
（成長させ、高速電子回折像を観察した結果、観測さｎ
る回折像が基板温度と分子線強度比に依存することが見
出さｆした。例えば、電子線ヲ（００１）ＧｃＬＡ８基
板ノ（１１ｏ）方向に沿って入射させ基板温度が７００
℃で分子線強度比が１．７以上の時の回折像ｔま第４図
（α）の如く２倍周期構造を示す。

基板温度が７５０℃で分子線強度比が１．７の時の回折
像は第４図（６）に示すように１倍周期構造を示す。更
に、基板温度が７８０℃で分子線強度比が１．７となる
と回折像は第４図（Ｃ）に示すように６倍周期構造を示
す。

上記の観察された回折像と基板温度、分子線強度比の関
係を第５図に示す。図中、縦軸は分子線強度比、横軸は
基板温度、■は６倍周期構造、○は１倍周期構造、◎は
２倍周期構造が観察された領域を示す。第５図より、基
板温度が低く、分子線強度比が大きい条件で成長した結
晶は２倍周期構造で、基板温度を高く、分子線強度比が
小さくなるにつれて、回折像は次第に１倍周期構造から
５倍周期構造へ移っていくことが判る。第５図のグラフ
より、基板温度が７５０℃附近で分子線強度比が約１．
０から、基板温度が７８０℃で分子線強度比が約２．５
までの範囲の条件下で成長した結晶はその品質が最も優
れていることから、この範囲を第５図に示すと、点線で
示したようになる。即ち、観察される回折像が１倍周期
構造から、３倍周期構造へ移動したときの条件であって
、この条件で結晶成長を行うと最も品質の優れた結晶が
得られることになる。

具体的にこの発明によりＡＬ　Ｇ（ＬＡ８結晶を製造す
る方法を述べると、真空槽内にＧａＡｓ基板を設定し、
槽内を所定の真空にすると共に基板を加熱し、蒸発源よ
シ母材材料としてＡｌ、Ｇα、ＡＳ分子線を発射させる
。必要に応じてＢｇ　、　Ｓｉなどの不純物の分子線を
併せて発射させても良い。基板の加熱温度及び分子線強
度比は成長した結晶が１倍周期構造の回折像を観察され
るような成長φ件に設定するのが望ましいが、必ずしも
厳格に要求されるものではない。

基板上に成る程度のＡＩＧａＡＪＪ層が形成したら、電
子線を照射し、回折像を観察する。観察された回折像が
１倍周期構造であったら、基板温度を若干上昇させる。

また必要に応じて、分子線強度比を若干小さくする。こ
のように成長条件を変えて結晶を成長させ、観察された
回折像が１倍周期構造から、５倍周期構造に変ったら、
その条件で結晶成長を継続して行う。当初に観察された
結晶回折像が２倍周期構造の場合は基板の加熱温度を上
げ、必要に応じて分子線強度比を小さくして、回折像が
１倍周期構造から更に３倍周期構造へ移行したときの条
件で結晶成長を行うようにする。

当初に観察された結晶の回折像が６倍周期構造の場合は
、基板温度を下げ、必要であれば分子線強度比を大きく
して結晶の成長を行い、回折像が１倍周期構造となった
時点で、基板温度を再び上昇する。温度の上昇幅は、下
げ幅より小さもして、回折像が１倍周期構造より５倍周
期構造に戻ったときの条件で結晶成長を行うことにより
品質の優れたＡｌＧａＡｓ結晶が形成する。

このとき分子線強度比も小さくなるよう制御しても良い
。

上記回折像を５倍周期構造へ移行させる手段として基板
温度の制御を主体的に述べたが、分子線強度比を主体的
に制御しても良い。

上述の如くして成長する結晶の高速電子線に基いて基板
温度と分子線強度比を最適な結晶成長条件に制御するこ
とができｆｃら、その結晶成長条件に基いて結晶成長を
行う。

これまで分子線結晶成長法においては、結晶成長の最適
な条件は知られておらず、例え最適な基板温度、分子線
強度比が知られていたとしても、実際にその条件下で結
晶成長を行うことは殆ど不可能に近かったが、この発明
によれば、結晶が成長する基板表面の温度が正確に測定
されなくても、成るいは結晶成長する分子線強度比の正
確な値が判らなくても、上記基板温度及び分子線強度比
を最適な条件に導いて結晶成長を行うことができ、上記
最適条件に制御する方法も容易且つ確実であって、常に
高品質のＡｌＧａＡｓ結晶を再現性良く製造することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は分子線結晶成長装置の概略断面図、第２図は成
長したＡｌＧａＡｓ結晶のスペクトル図、第３図は基板
温度と分子線強度比を変化させて成長させた結晶と発光
強度の関係を示すグラフ、第４図は成長した結晶の高速
電子線回折像、第５図は結晶の回折像の周期構造分布図
を示す。 ／−・・ＧａＡｓ基板、コ・・・ブロック、３・・・ヒ
ーター、ダ・・・熱電対、ｓ、ｔ、ｑ、ｔ、ｑ・・・分
子線蒸発源、／θ・・・電子銃、ｌｌ・・・スクリーン
、１２・・・真空槽。 特許出願人　工　業　技　術　院　長　）す田＋ａ＊ｐ
第１図 Ａｓ　／（ＡＩ＋Ｇａ） 第４図 第６因 羞籾氾庚（’Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 結晶を成長させるＧａＡｓ基板の温度とＡｓに対するＡ
   ｔとＧＬｏＬの分子線強度比を結晶成長時の高速ｌＴ１
   ．子絆回折像に基いて制御することを特徴とするＡＩＧ
   ｃＬＡｓ結晶の分子線結晶成長方法。