JPS61117193A - 結晶成長方法 - Google Patents
結晶成長方法Info
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- JPS61117193A JPS61117193A JP59235403A JP23540384A JPS61117193A JP S61117193 A JPS61117193 A JP S61117193A JP 59235403 A JP59235403 A JP 59235403A JP 23540384 A JP23540384 A JP 23540384A JP S61117193 A JPS61117193 A JP S61117193A
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- Japan
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Links
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
- C30B23/02—Epitaxial-layer growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
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- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/42—Gallium arsenide
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
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。
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 本発明は結晶成長方法に関する。
従来技術とその問題点 従来結晶のエピタキシャル成長
法は気相成長法（ｖｐＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）、分
子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）。
法は気相成長法（ｖｐＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）、分
子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）。
有機金属熱分解成長法（ＭＯＣＶＤ）などが知られてお
シ、各々の方法によシ半導体工業用結晶がつくられてい
る。特に高品質の結晶が要求されるとき。
シ、各々の方法によシ半導体工業用結晶がつくられてい
る。特に高品質の結晶が要求されるとき。
格子欠陥の少ない結晶を得る之めには成長温度を低くお
さえることが他めて重要である。何故なら。
さえることが他めて重要である。何故なら。
高い成長温度においては結晶の自由エネルギーのエント
ロピー環の寄与が相対的に大きくなり、欠陥の量が大き
い方が自由エネルギーが小さくなシ安定であるからであ
る。従って低温成長の試みがなされてきているが、これ
には一定の限界が存在する。すなわち、低温成長をおこ
なうと、結晶が成長しながらかつ自由エネルギー最小の
状態に遷移するのに長い時間がかかり、有限時間内での
成長では、結晶は準安定状態にとどまり自由エネルギー
最小の状態には到達できない。これは、結晶が自身の中
に多くの格子欠陥を含んだ状態にとどまることを意味し
ている。成長中の基板結晶の温度よシ実効的に高い温度
を表面につぐ＃：Ｊ田す方法として従来からイオンビー
ムエピタキシーの方法が知られている。イオンビームエ
ピタキシー（ＦＢＩ）は、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）
を列にとるならば、Ｚｎｔ−イオン化してｚｎ＋又はｚ
ｎ＋＋としたのち、電場をかけて加速し基板表面に到達
せしめ、表面における局所的揺動を結晶に与えることに
よって、低成長温度においても、実効的な高温状態を結
晶表面に実現することができる。しかし、従来のＥＢＩ
においては、結晶構成元素自身をイオン化するため、成
長する結晶の種類毎に違ったイオン源を設計せねばなら
ないという制約が存在する。
ロピー環の寄与が相対的に大きくなり、欠陥の量が大き
い方が自由エネルギーが小さくなシ安定であるからであ
る。従って低温成長の試みがなされてきているが、これ
には一定の限界が存在する。すなわち、低温成長をおこ
なうと、結晶が成長しながらかつ自由エネルギー最小の
状態に遷移するのに長い時間がかかり、有限時間内での
成長では、結晶は準安定状態にとどまり自由エネルギー
最小の状態には到達できない。これは、結晶が自身の中
に多くの格子欠陥を含んだ状態にとどまることを意味し
ている。成長中の基板結晶の温度よシ実効的に高い温度
を表面につぐ＃：Ｊ田す方法として従来からイオンビー
ムエピタキシーの方法が知られている。イオンビームエ
ピタキシー（ＦＢＩ）は、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）
を列にとるならば、Ｚｎｔ−イオン化してｚｎ＋又はｚ
ｎ＋＋としたのち、電場をかけて加速し基板表面に到達
せしめ、表面における局所的揺動を結晶に与えることに
よって、低成長温度においても、実効的な高温状態を結
晶表面に実現することができる。しかし、従来のＥＢＩ
においては、結晶構成元素自身をイオン化するため、成
長する結晶の種類毎に違ったイオン源を設計せねばなら
ないという制約が存在する。
発明の目的 本発明の目的はイオンビームエピタキシャ
ル法の本質的特徴ｔ−最もよくひき出した、結晶成長条
件の設定に関する自由度が大きい、低温度で高品質なエ
ピタキシャル結晶を得る方法を供給することにある。
ル法の本質的特徴ｔ−最もよくひき出した、結晶成長条
件の設定に関する自由度が大きい、低温度で高品質なエ
ピタキシャル結晶を得る方法を供給することにある。
発明の構成 本発明は、結晶を構成する元素が。
自身の原子又は分子、あるいは、他種元素との化合物分
子の形で基板結晶に供給される高真空雰囲気中での結晶
成長において、速度が制御された、周期律表■族の原子
、すなわちＨｅ、Ａｒ１Ｋｒ１Ｘｅなど、又はそのイオ
ン、あるいは成長結晶への固溶が無視できる原子又は分
子又はそれらのイオンを成長中の結晶表面に照射しなが
ら行うことを特徴とする結晶成長法である。
子の形で基板結晶に供給される高真空雰囲気中での結晶
成長において、速度が制御された、周期律表■族の原子
、すなわちＨｅ、Ａｒ１Ｋｒ１Ｘｅなど、又はそのイオ
ン、あるいは成長結晶への固溶が無視できる原子又は分
子又はそれらのイオンを成長中の結晶表面に照射しなが
ら行うことを特徴とする結晶成長法である。
作用・原理 前述の如く、結晶中の格子欠陥は、熱平衡
状態においては、低温である程格子欠陥が少ないため低
温成長は高品質の結晶を得るには本来価めて好ましいこ
とである。しかし、結晶成長は一般に有限の時間内に成
長がおこなわれるため、実際に成長した結晶は熱平衡状
態からずれており、格子欠陥も熱平衡値よシも多いのが
普通である。
状態においては、低温である程格子欠陥が少ないため低
温成長は高品質の結晶を得るには本来価めて好ましいこ
とである。しかし、結晶成長は一般に有限の時間内に成
長がおこなわれるため、実際に成長した結晶は熱平衡状
態からずれており、格子欠陥も熱平衡値よシも多いのが
普通である。
結晶が成長しつつ、且つ、成長温度における熱平衡状態
が実現されるためには、少なくとも、成長表面における
結晶構成原子の表面移動度が大きく。
が実現されるためには、少なくとも、成長表面における
結晶構成原子の表面移動度が大きく。
自由エネルギー最小の配置を原子が選択できなくてはな
らない。しかし、一般には１表面での構成原子の表面移
動度は表面温度の関数であって、温度の低下と共に急速
に小さくなるのが普通である。
らない。しかし、一般には１表面での構成原子の表面移
動度は表面温度の関数であって、温度の低下と共に急速
に小さくなるのが普通である。
従って、すでに成長をおわった成長表面より下の部分の
温度は低く、成長表面において、表面移動度を高められ
ることが望ましい。本方法は、このための手段を提供す
るものである。すなわち、結晶構成元素は原子又は分子
又はそれらのイオンの形でソース領域から高真空中を基
板結晶に向けて射出されている。これらは基板結晶表面
に到達した後、設定された基板結晶の温度に対応した平
均距離を動いて成る結晶格子におさまるか、又は、不整
位置に納まる。一般にこの距離が充分に長ければ、原子
は安定な正しい格子位置を探し当て得る。温度が低けれ
ばこの平均距離が短かくなう、原子は正しくない格子位
置を取ることを余儀なくされ、格子欠陥の原因となった
り、又、表面荒れの原因となる。低い温度においてもこ
の平均移動距離を長くすることができれば、格子欠陥の
少ない高品質な結晶を得ることができる。本方法は、結
晶Ｓ成原子の成長表面における移動度を大きくするため
に、成長結晶にとシネ活性なガス原子流又はガス分子流
を速度を制御して成長表面に照射し、成長表面に在って
、低温成長のため動きが不活発な結晶構成原子の動きを
活発化させるものである。不活性ガス原子流または分子
流（以下弾原子流と略称する）は、速度を制御し得るた
め、最も適した速度を選択することができる。弾原子流
は、結晶成長に使われる原子流ではないため、結晶構成
原子の表面移動度の大きさを最適化することに目的を絞
って生成・照射すればよい。従って。
温度は低く、成長表面において、表面移動度を高められ
ることが望ましい。本方法は、このための手段を提供す
るものである。すなわち、結晶構成元素は原子又は分子
又はそれらのイオンの形でソース領域から高真空中を基
板結晶に向けて射出されている。これらは基板結晶表面
に到達した後、設定された基板結晶の温度に対応した平
均距離を動いて成る結晶格子におさまるか、又は、不整
位置に納まる。一般にこの距離が充分に長ければ、原子
は安定な正しい格子位置を探し当て得る。温度が低けれ
ばこの平均距離が短かくなう、原子は正しくない格子位
置を取ることを余儀なくされ、格子欠陥の原因となった
り、又、表面荒れの原因となる。低い温度においてもこ
の平均移動距離を長くすることができれば、格子欠陥の
少ない高品質な結晶を得ることができる。本方法は、結
晶Ｓ成原子の成長表面における移動度を大きくするため
に、成長結晶にとシネ活性なガス原子流又はガス分子流
を速度を制御して成長表面に照射し、成長表面に在って
、低温成長のため動きが不活発な結晶構成原子の動きを
活発化させるものである。不活性ガス原子流または分子
流（以下弾原子流と略称する）は、速度を制御し得るた
め、最も適した速度を選択することができる。弾原子流
は、結晶成長に使われる原子流ではないため、結晶構成
原子の表面移動度の大きさを最適化することに目的を絞
って生成・照射すればよい。従って。
照射角度や、照射のタイミングを広い自由度の中から選
ぶことができる７しかも、結晶への固溶度が無視し得る
弾原子流を選べるので、結晶への不純物混入は心配する
必要がない、又１弾原子流の重さを例えばＨｅ 、 Ａ
ｒ 、 Ｋｒ 、 Ｘｅなど広い質量スペクトルの中か
ら選ぶことができるため、結晶表面での弾原子と結晶構
成原子間の運動量交換に関する広い自由度を確保するこ
とができる。照射角度に関する自由度は、成長結晶への
損傷を最小限にし、成長表面での表面構成不安定原子の
みに、弾原子流の影響を及ぼすのに役に立つ。又、弾原
子流は成長結晶構成元素とは異なる不活性原子又は分子
又はそれらのイオンであるため、成長結晶が異なるたび
にイオン源を最適化する必要がなく、広範な種類の結晶
の成長に規格化されうる共通のイオン源を用いることが
できる利点を有している。
ぶことができる７しかも、結晶への固溶度が無視し得る
弾原子流を選べるので、結晶への不純物混入は心配する
必要がない、又１弾原子流の重さを例えばＨｅ 、 Ａ
ｒ 、 Ｋｒ 、 Ｘｅなど広い質量スペクトルの中か
ら選ぶことができるため、結晶表面での弾原子と結晶構
成原子間の運動量交換に関する広い自由度を確保するこ
とができる。照射角度に関する自由度は、成長結晶への
損傷を最小限にし、成長表面での表面構成不安定原子の
みに、弾原子流の影響を及ぼすのに役に立つ。又、弾原
子流は成長結晶構成元素とは異なる不活性原子又は分子
又はそれらのイオンであるため、成長結晶が異なるたび
にイオン源を最適化する必要がなく、広範な種類の結晶
の成長に規格化されうる共通のイオン源を用いることが
できる利点を有している。
実施例 以下本発明の実施例を図面を使用しながら説明
する。第１図は本発明の一実施例に用すた装置を示す図
であシ、砒化ガリウム（ＧａＡａ ）のホモエピタキシ
ャル成長例である。 Ｇａ、Ａｓ基板１は試料導入口１
１よ）成長室１０中に入れ、室中に設けた基板ホルダー
１２に装着した後排気ポンプ１３にて１０ ” Ｔｏｒ
ｒ以下まで排気する。 ＧｊＬＡＩ５基板１は温度３５
０℃に上昇させ、金属砒素ソース２の分子流（ＡＳｔ又
はＡｓａ ） ’ｋ ＧａＡａ基板１ｉＣあてる。更に
金属ガリウムソース３からの原子流（Ｑａ原子流） ｔ
−ＧａＡａ基板１に照射する。これらはそれぞれＧａＡ
３基板温度（現在の例では３５０℃）に対応する付着率
でＱ＆Ａ８基板１に付着する。
する。第１図は本発明の一実施例に用すた装置を示す図
であシ、砒化ガリウム（ＧａＡａ ）のホモエピタキシ
ャル成長例である。 Ｇａ、Ａｓ基板１は試料導入口１
１よ）成長室１０中に入れ、室中に設けた基板ホルダー
１２に装着した後排気ポンプ１３にて１０ ” Ｔｏｒ
ｒ以下まで排気する。 ＧｊＬＡＩ５基板１は温度３５
０℃に上昇させ、金属砒素ソース２の分子流（ＡＳｔ又
はＡｓａ ） ’ｋ ＧａＡａ基板１ｉＣあてる。更に
金属ガリウムソース３からの原子流（Ｑａ原子流） ｔ
−ＧａＡａ基板１に照射する。これらはそれぞれＧａＡ
３基板温度（現在の例では３５０℃）に対応する付着率
でＱ＆Ａ８基板１に付着する。
その際、本発明では第３の原子流として不活性ガス、今
の場合はクリプトンＫｒ 、が基板に向けて射出される
。Ｋｒはガスボンベ１４に詰められておシニードル弁１
ｓｔ−介してイオン化室１６に導かれる。イオン室１６
でイオン化されたＫｒは引き出し電極１７でイオン化室
から取出され、つぎに減速用電極１８で数ｅＶ〜数十ｅ
Ｖの低エネルギーイオンに変換される。イオン化され、
減速されたＫｒの流れは超高真空中を走シ基板に衝突せ
しめられる。
の場合はクリプトンＫｒ 、が基板に向けて射出される
。Ｋｒはガスボンベ１４に詰められておシニードル弁１
ｓｔ−介してイオン化室１６に導かれる。イオン室１６
でイオン化されたＫｒは引き出し電極１７でイオン化室
から取出され、つぎに減速用電極１８で数ｅＶ〜数十ｅ
Ｖの低エネルギーイオンに変換される。イオン化され、
減速されたＫｒの流れは超高真空中を走シ基板に衝突せ
しめられる。
表面にあるＧａＡｓ構成元素であるＧａとＡｓは表面上
を基板温度（今の場合３５０℃）に対応する表面移動度
で動き廻っているが、３５０℃という低温ではエネルギ
ー極小という安定な格子位置を占めることが困難となる
。このとき不活性ガスであるＫｒが数ｅＶ〜数十ｅＶ程
度の低エネルギーをもって入射すると、Ｋｒ原子は表面
にあるＱａ、Ａｓの原子を突き動かし表面移動度を大き
くする。これによって不安定位置にあったＧａやＡ８が
表面上を移動し安定位置を占めるようくなる。こうして
、加速した不活性イオン又は中性不活性原子を照射する
ことなしには得られなかった低い欠陥密度のＱａＡｓエ
ピタキシャル結晶が得られる。不活性ガス照射で得られ
るＱａＡｓ結晶の欠陥密度は不活性ガス照射のない場合
のそれの約千分の１と小さく十分使用に耐えるものであ
ることがわかった。なお、Ｈｅ。
を基板温度（今の場合３５０℃）に対応する表面移動度
で動き廻っているが、３５０℃という低温ではエネルギ
ー極小という安定な格子位置を占めることが困難となる
。このとき不活性ガスであるＫｒが数ｅＶ〜数十ｅＶ程
度の低エネルギーをもって入射すると、Ｋｒ原子は表面
にあるＱａ、Ａｓの原子を突き動かし表面移動度を大き
くする。これによって不安定位置にあったＧａやＡ８が
表面上を移動し安定位置を占めるようくなる。こうして
、加速した不活性イオン又は中性不活性原子を照射する
ことなしには得られなかった低い欠陥密度のＱａＡｓエ
ピタキシャル結晶が得られる。不活性ガス照射で得られ
るＱａＡｓ結晶の欠陥密度は不活性ガス照射のない場合
のそれの約千分の１と小さく十分使用に耐えるものであ
ることがわかった。なお、Ｈｅ。
Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、等の不活性ガスは、電子は閉殻構造
をつくっているので固体表面との相互作用が小さく固体
への吸着確率が小さく固体中にとり込まれて欠陥を形成
することは考えなくてよい。不活性ガスは数ｅＶ〜数十
ｅＶに加速されるが、このエネルギーが固体に損傷を与
えることを極小にするには第２図に示したように不活性
ガスビームを第２図（ａ）の如く表面に垂直又は垂直に
近い角度で入射させず、第２図中）の如く表面に平行に
近い角度で入射させるのが望ましい。こうすることによ
って、同一の速度で入射した不活性ガス原子は、第２図
（ｂ）の場合第２図（ａ）に比し固体への損傷が少なく
、ＧａやＡｓの表面原子の表面移動度をよシ効率的に高
めるのに有効に使用される。第１図に示した実施例では
このことを考慮して不活性ガスの基板ソース室の関係を
設定した。ＧａＡｌ１基板結晶が半絶縁性の場合、イオ
ン性ビームを照射することは結晶を帯電させることにな
るので、この場合、イオンビームを中性化して表面に照
射することで帯′ｇＬｉｔ避けることが出来る。
をつくっているので固体表面との相互作用が小さく固体
への吸着確率が小さく固体中にとり込まれて欠陥を形成
することは考えなくてよい。不活性ガスは数ｅＶ〜数十
ｅＶに加速されるが、このエネルギーが固体に損傷を与
えることを極小にするには第２図に示したように不活性
ガスビームを第２図（ａ）の如く表面に垂直又は垂直に
近い角度で入射させず、第２図中）の如く表面に平行に
近い角度で入射させるのが望ましい。こうすることによ
って、同一の速度で入射した不活性ガス原子は、第２図
（ｂ）の場合第２図（ａ）に比し固体への損傷が少なく
、ＧａやＡｓの表面原子の表面移動度をよシ効率的に高
めるのに有効に使用される。第１図に示した実施例では
このことを考慮して不活性ガスの基板ソース室の関係を
設定した。ＧａＡｌ１基板結晶が半絶縁性の場合、イオ
ン性ビームを照射することは結晶を帯電させることにな
るので、この場合、イオンビームを中性化して表面に照
射することで帯′ｇＬｉｔ避けることが出来る。
発明の効果 本発明によれば、低い成長温度においても
格子欠陥の少ない高品質な結晶が容易に得られる。
格子欠陥の少ない高品質な結晶が容易に得られる。
第１図は本発明の一実施例に使用した装置の概略図、第
２図（ａ）（ｂ）は成長結晶表面に入射する不活性ガス
原子（分子）の様子を示す図である。 図中１は結晶基板、２，３はイオン源、ｉｏは成長室、
１４は不活性ガスが充填されているガスボンベ、１６は
イオン化室を示す。 ７１′１ 図 ２．Ａｓ オ ２ 図 （ａ） ｒ （ｂ）
２図（ａ）（ｂ）は成長結晶表面に入射する不活性ガス
原子（分子）の様子を示す図である。 図中１は結晶基板、２，３はイオン源、ｉｏは成長室、
１４は不活性ガスが充填されているガスボンベ、１６は
イオン化室を示す。 ７１′１ 図 ２．Ａｓ オ ２ 図 （ａ） ｒ （ｂ）
Claims (1)
- 結晶構成元素が自身のイオン、原子又は分子、或は、
他種元素との化合物分子の形で基板結晶に供給される高
真空雰囲気中での結晶成長において、周期律表VIII族の
原子又はそのイオン、或は、該成長結晶への固溶を無視
しうる原子又は分子又はそれらのイオンを結晶成長時に
成長中の結晶表面に照射することを特徴とする結晶成長
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59235403A JPS61117193A (ja) | 1984-11-08 | 1984-11-08 | 結晶成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59235403A JPS61117193A (ja) | 1984-11-08 | 1984-11-08 | 結晶成長方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61117193A true JPS61117193A (ja) | 1986-06-04 |
Family
ID=16985572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59235403A Pending JPS61117193A (ja) | 1984-11-08 | 1984-11-08 | 結晶成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61117193A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012071661A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-06-07 | Socpra Sciences Et Genie S.E.C. | Epitaxial deposition apparatus, gas injectors, and chemical vapor management system associated therewith |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5992997A (ja) * | 1982-11-18 | 1984-05-29 | Nec Corp | 分子線エピタキシヤル成長法を用いた薄膜の形成方法 |
-
1984
- 1984-11-08 JP JP59235403A patent/JPS61117193A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5992997A (ja) * | 1982-11-18 | 1984-05-29 | Nec Corp | 分子線エピタキシヤル成長法を用いた薄膜の形成方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012071661A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-06-07 | Socpra Sciences Et Genie S.E.C. | Epitaxial deposition apparatus, gas injectors, and chemical vapor management system associated therewith |
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