JPS6247839B2 - - Google Patents
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- JPS6247839B2 JPS6247839B2 JP1206284A JP1206284A JPS6247839B2 JP S6247839 B2 JPS6247839 B2 JP S6247839B2 JP 1206284 A JP1206284 A JP 1206284A JP 1206284 A JP1206284 A JP 1206284A JP S6247839 B2 JPS6247839 B2 JP S6247839B2
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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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は分子線エピタキシヤル成長装置に関す
る。更に詳しくは、本発明は基板上に厚さ並びに
種類の異なる層を交互に、周期的に積層して、マ
イクロ波素子あるいは発光・受光素子として使用
する単結晶薄膜周期構造を形成するための分子線
エピタキシヤル成長装置に関する。
る。更に詳しくは、本発明は基板上に厚さ並びに
種類の異なる層を交互に、周期的に積層して、マ
イクロ波素子あるいは発光・受光素子として使用
する単結晶薄膜周期構造を形成するための分子線
エピタキシヤル成長装置に関する。
従来技術
化合物半導体デバイス、特に光デバイスの製法
として、薄い一様な層の成長、成分元素組成比の
制御の容易さからエピタキシヤル成長方法が一般
的に利用されている。なかでも、最近特に注目さ
れている技術として、分子線エピタキシヤル成長
方法(以下簡単のために「MBE成長法」とい
う)が知られており、例えばM.T.Tsangにより
日径エレクトロニクスNo.308,163(1983)におい
て、該MBE成長法並びに薄膜周期構造を利用し
たデバイスが詳細に説明されている。
として、薄い一様な層の成長、成分元素組成比の
制御の容易さからエピタキシヤル成長方法が一般
的に利用されている。なかでも、最近特に注目さ
れている技術として、分子線エピタキシヤル成長
方法(以下簡単のために「MBE成長法」とい
う)が知られており、例えばM.T.Tsangにより
日径エレクトロニクスNo.308,163(1983)におい
て、該MBE成長法並びに薄膜周期構造を利用し
たデバイスが詳細に説明されている。
このMBE成長法に従えば、発光部に厚さ数10
Å〜数100Å程度の種類の異なる超薄膜層をアロ
イ・クラスタの形成なしに交互に、周期的に積層
することにより、第1図に示すような多重量子井
戸型レーザを製造することが可能となる。
Å〜数100Å程度の種類の異なる超薄膜層をアロ
イ・クラスタの形成なしに交互に、周期的に積層
することにより、第1図に示すような多重量子井
戸型レーザを製造することが可能となる。
従来の―族化合物半導体薄膜周期構造形成
のためのMBE成長法においては、例えば第2図
に示すような構造を有する装置が使用されている
(特公昭57―47160号および特開昭57―11899号公
報参照)。第2図に示したMBE成長装置では、成
長室1内において基板2は基板ホルダー3上に保
持され、且つセル4および5の中心軸の交叉する
位置に設置されている。該セル4および5には
夫々原料A6およびB7が収納されていて、これ
らから蒸発した原料の分子線が基板2に照射され
る。各セル4または5は例えば特開昭57―11899
号に記載されているようにセルシヤツター8また
は9を有しており、これらを交互に所定の周期で
開閉することにより原料AおよびBの分子線を基
板に照射し、該基板上に種類の異なる化合物半導
体薄膜を交互に周期的に形成し得るようになつて
いる。
のためのMBE成長法においては、例えば第2図
に示すような構造を有する装置が使用されている
(特公昭57―47160号および特開昭57―11899号公
報参照)。第2図に示したMBE成長装置では、成
長室1内において基板2は基板ホルダー3上に保
持され、且つセル4および5の中心軸の交叉する
位置に設置されている。該セル4および5には
夫々原料A6およびB7が収納されていて、これ
らから蒸発した原料の分子線が基板2に照射され
る。各セル4または5は例えば特開昭57―11899
号に記載されているようにセルシヤツター8また
は9を有しており、これらを交互に所定の周期で
開閉することにより原料AおよびBの分子線を基
板に照射し、該基板上に種類の異なる化合物半導
体薄膜を交互に周期的に形成し得るようになつて
いる。
このようなMBE成長法では、一方のシヤツタ
ーが開いている間他方のシヤツターは閉じられて
いることになるが、一般に―族化合物半導体
をMBE成長させる場合、原料セルは通常700〜
1000℃の高温度に加熱されている。このため、セ
ルシヤツターは閉じられている間に加熱されて不
純ガスを発生する。このような不純ガスが成長し
ている薄膜内に取り込まれた場合には、薄膜の電
気特性が著しく劣化されることになる。
ーが開いている間他方のシヤツターは閉じられて
いることになるが、一般に―族化合物半導体
をMBE成長させる場合、原料セルは通常700〜
1000℃の高温度に加熱されている。このため、セ
ルシヤツターは閉じられている間に加熱されて不
純ガスを発生する。このような不純ガスが成長し
ている薄膜内に取り込まれた場合には、薄膜の電
気特性が著しく劣化されることになる。
更に、上記のセルシヤツターからの不純ガス発
生の問題とは別に、シヤツターを閉じることによ
つてセル温度自体が影響を受け、結果として再度
シヤツターを開いた際に原料分子線強度のオーバ
ーシユートを引き起こす。このような現象は化合
物半導体薄膜の膜厚制御並びに混晶の場合には膜
組成の制御を困難にする。従つて、薄膜周期構造
を形成する際の周期性も低下することになる。
生の問題とは別に、シヤツターを閉じることによ
つてセル温度自体が影響を受け、結果として再度
シヤツターを開いた際に原料分子線強度のオーバ
ーシユートを引き起こす。このような現象は化合
物半導体薄膜の膜厚制御並びに混晶の場合には膜
組成の制御を困難にする。従つて、薄膜周期構造
を形成する際の周期性も低下することになる。
発明の目的
本発明の目的は前記従来のMBE成長装置にお
いてセルシヤツターの開閉に起因する―族化
合物半導体薄膜周期構造の電気特性の劣化並びに
周期性の低下を防止すると同時に、一回の成長操
作で複数枚の基板上に連続的に単結晶薄膜周期構
造を形成することのできるMBE成長装置を提供
することにある。
いてセルシヤツターの開閉に起因する―族化
合物半導体薄膜周期構造の電気特性の劣化並びに
周期性の低下を防止すると同時に、一回の成長操
作で複数枚の基板上に連続的に単結晶薄膜周期構
造を形成することのできるMBE成長装置を提供
することにある。
発明の構成
本発明者等は上記従来装置の有する諸欠点を克
服すべく、また一回の成長操作で複数の単結晶薄
膜周期構造を形成し得るMBE成長装置を開発す
べく種々検討した結果、MBE成長装置の成長室
内に仕切り板を設けて複数の隔室に分割して原料
分子線相互間の混合を防ぎ、また回転軸を中心と
して回転し得る複数の基板ホルダを設けることが
有利であることを見出し、本発明を完成した。
服すべく、また一回の成長操作で複数の単結晶薄
膜周期構造を形成し得るMBE成長装置を開発す
べく種々検討した結果、MBE成長装置の成長室
内に仕切り板を設けて複数の隔室に分割して原料
分子線相互間の混合を防ぎ、また回転軸を中心と
して回転し得る複数の基板ホルダを設けることが
有利であることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明のMBE成長装置は高真空下に保
たれた成長室内で、セル内に収納された原料を所
定の方向に飛行させ、該成長室内に支持された基
板表面に上記原料を付着させ単結晶として成長さ
せるものであつて、一つの回転軸と、該基板を支
持し、該回転軸を中心とする円の周上に中心を有
するように配置され該回転軸と連結された複数の
基板ホルダと、該基板ホルダと平行に隔置され、
基板と原料分子線とを分離する第1仕切り板と、
該第1の仕切り板と垂直に配置され、該第1の仕
切り板を支持すると共に成長室内の原料セルを分
割し原料分子線間の混合を防止する第2の仕切り
板とを含むことを特徴とする。
たれた成長室内で、セル内に収納された原料を所
定の方向に飛行させ、該成長室内に支持された基
板表面に上記原料を付着させ単結晶として成長さ
せるものであつて、一つの回転軸と、該基板を支
持し、該回転軸を中心とする円の周上に中心を有
するように配置され該回転軸と連結された複数の
基板ホルダと、該基板ホルダと平行に隔置され、
基板と原料分子線とを分離する第1仕切り板と、
該第1の仕切り板と垂直に配置され、該第1の仕
切り板を支持すると共に成長室内の原料セルを分
割し原料分子線間の混合を防止する第2の仕切り
板とを含むことを特徴とする。
かくして、本発明のMBE成長装置によれば、
薄膜成長中におけるセルシヤツターの開閉を必要
としないので、このシヤツターの開閉に伴う前記
従来法の諸欠点を克服することができ、しかも1
回の成長操作により一度に複数個の基板上に単結
晶薄膜周期構造を形成することが可能となる。
薄膜成長中におけるセルシヤツターの開閉を必要
としないので、このシヤツターの開閉に伴う前記
従来法の諸欠点を克服することができ、しかも1
回の成長操作により一度に複数個の基板上に単結
晶薄膜周期構造を形成することが可能となる。
本発明のMBE成長装置において、基板ホルダ
は複数あり、その各々は回転軸を中心とする円の
周上に配列され、該回転軸に適当な手段で連結さ
れていて該周に沿つて円運動できるような構成と
なつている。
は複数あり、その各々は回転軸を中心とする円の
周上に配列され、該回転軸に適当な手段で連結さ
れていて該周に沿つて円運動できるような構成と
なつている。
また、該基板ホルダの基板支持側にこれと近接
して平行に第1の仕切り板が配置される。該第1
仕切り板は一般に基板ホルダよりも大きく全体と
して基板表面を分子線から遮蔽しており、また適
当な形状の複数の切り込みが夫々以下に述べる各
隔室に相当する位置に設けられている。該切り込
みの形状は前記回転軸の中心、即ち基板ホルダの
回転様式にもよるが、例えば前記回転軸を中心と
する円の中心からとつた扇型状であり得、これは
基板ホルダの回転速度が一定である場合に有利で
ある。また、基板ホルダを所定の時間間隔で断続
的に一定角度ずつ回転させる場合には該切り込み
の形状、寸法が1つの基板が完全に分子線に曝露
されるようになつている限り、特に制限されな
い。
して平行に第1の仕切り板が配置される。該第1
仕切り板は一般に基板ホルダよりも大きく全体と
して基板表面を分子線から遮蔽しており、また適
当な形状の複数の切り込みが夫々以下に述べる各
隔室に相当する位置に設けられている。該切り込
みの形状は前記回転軸の中心、即ち基板ホルダの
回転様式にもよるが、例えば前記回転軸を中心と
する円の中心からとつた扇型状であり得、これは
基板ホルダの回転速度が一定である場合に有利で
ある。また、基板ホルダを所定の時間間隔で断続
的に一定角度ずつ回転させる場合には該切り込み
の形状、寸法が1つの基板が完全に分子線に曝露
されるようになつている限り、特に制限されな
い。
更に、該第1仕切り板の切り込みは手動もしく
は自動的に開閉し得、その大きさが調節し得るも
のであつてもよい。例えば、該第1仕切り板のい
ずれかの側に同様な形状の板を設け、これを手動
もしくは自動的(例えば電動式)に回転させるこ
とにより該切り込みの開閉を行なうことができ
る。あるいはまた、各切り込みを夫々独立に調節
したい場合には独立に移動させ得る遮蔽板を該第
1仕切り板のいずれかの側に設けてこれらを手動
もしくは電動式に回転または移動させることによ
つて実現できる。
は自動的に開閉し得、その大きさが調節し得るも
のであつてもよい。例えば、該第1仕切り板のい
ずれかの側に同様な形状の板を設け、これを手動
もしくは自動的(例えば電動式)に回転させるこ
とにより該切り込みの開閉を行なうことができ
る。あるいはまた、各切り込みを夫々独立に調節
したい場合には独立に移動させ得る遮蔽板を該第
1仕切り板のいずれかの側に設けてこれらを手動
もしくは電動式に回転または移動させることによ
つて実現できる。
前記基板と第1仕切り板もしくは遮蔽板との間
隔は異常に大きくない限り特に制限されないが、
該間隔を2mm以内とすることにより良好な結果を
得ることが可能である。
隔は異常に大きくない限り特に制限されないが、
該間隔を2mm以内とすることにより良好な結果を
得ることが可能である。
この第1の仕切り板は、従来のMBE成長装置
のセルシヤツターの開閉に相当する機能を有し、
基板上に異なる半導体薄膜を交互にもしくは所定
の順序で周期的に形成することを可能とするが、
該第1仕切り板はセルシヤツターとは違つて高温
の原料セルの影響を受けることがないので分子線
オーバーシユート、不純ガス発生による悪影響か
ら完全に回避される。
のセルシヤツターの開閉に相当する機能を有し、
基板上に異なる半導体薄膜を交互にもしくは所定
の順序で周期的に形成することを可能とするが、
該第1仕切り板はセルシヤツターとは違つて高温
の原料セルの影響を受けることがないので分子線
オーバーシユート、不純ガス発生による悪影響か
ら完全に回避される。
本発明のMBE成長装置の第2の仕切り板は該
第1の仕切り板の基板ホルダとは反対側にこれと
は垂直に配置され、該第1仕切り板を支持・固定
すると共に、同様にセルシヤツターの機能の一部
を果たす。即ち、各原料分子線相互の混合を防止
する。この第2仕切り板は1または複数であり
得、夫々基板ホルダ回転軸の中心において交叉
し、該軸から放射状に伸びた状態で設置され、単
結晶薄膜の周期構造を形成するのに必要な数の隔
室を成長室内に画成する。該隔室の各々の中には
各薄膜層を形成するのに必要とされる原料セルが
設けられている。従つて、各隔室におけるセルの
数は1または複数であり得る。
第1の仕切り板の基板ホルダとは反対側にこれと
は垂直に配置され、該第1仕切り板を支持・固定
すると共に、同様にセルシヤツターの機能の一部
を果たす。即ち、各原料分子線相互の混合を防止
する。この第2仕切り板は1または複数であり
得、夫々基板ホルダ回転軸の中心において交叉
し、該軸から放射状に伸びた状態で設置され、単
結晶薄膜の周期構造を形成するのに必要な数の隔
室を成長室内に画成する。該隔室の各々の中には
各薄膜層を形成するのに必要とされる原料セルが
設けられている。従つて、各隔室におけるセルの
数は1または複数であり得る。
本発明のMBE成長装置によれば、半導体薄膜
周期構造の周期は基板ホルダの回転周期を変える
ことにより容易に変更することができ、また、異
なる半導体薄膜の相互の膜厚比は予め各原料セル
の温度を調節して各原料分子線の強度を制御する
ことにより、また前記の遮蔽板などを調節して分
子線の曝露時間を適当に調節することにより簡単
に変えることができる。
周期構造の周期は基板ホルダの回転周期を変える
ことにより容易に変更することができ、また、異
なる半導体薄膜の相互の膜厚比は予め各原料セル
の温度を調節して各原料分子線の強度を制御する
ことにより、また前記の遮蔽板などを調節して分
子線の曝露時間を適当に調節することにより簡単
に変えることができる。
以下、添付図を参照して記載される従来法と本
発明との比較・実施例により本発明のMBE成長
装置を更に具体的に説明する。ただし、これらは
単に本発明を例示するものであつて本発明を何等
制限するものではない。
発明との比較・実施例により本発明のMBE成長
装置を更に具体的に説明する。ただし、これらは
単に本発明を例示するものであつて本発明を何等
制限するものではない。
実施例
添付第3〜5図は本発明のMBE成長装置を説
明するための図であり、第3図は成長室1を上か
ら見た図である。第3図において、本発明の
MBE成長装置は回転軸10、該軸を中心とする
円周上に中心を持つように配置された基板ホルダ
11、第1の仕切り板12に、第2の仕切り板1
3およびセル14,15から主として構成されて
いる。
明するための図であり、第3図は成長室1を上か
ら見た図である。第3図において、本発明の
MBE成長装置は回転軸10、該軸を中心とする
円周上に中心を持つように配置された基板ホルダ
11、第1の仕切り板12に、第2の仕切り板1
3およびセル14,15から主として構成されて
いる。
基板ホルダ11は基板16を支持し、該回転軸
10と支持手段(回転支持棒)17により連結さ
れ、回転軸10の回転に伴つて所定の円周上を移
動できるようになつている。
10と支持手段(回転支持棒)17により連結さ
れ、回転軸10の回転に伴つて所定の円周上を移
動できるようになつている。
第1仕切り板12は基板ホルダと平行に、かつ
基板と近接して(例えば2mmの間隔をもつて)設
けられ、これは第4図に示すように例えば正方形
であつて適当な形状の(本例では三角形の)切り
込みa,bが付されている。該切り込みa,bは
夫々第2の仕切り板13によつて画成される隔室
の位置に対応しており、原料セル14,15の中
心軸の延長線が該切り込みの中央(各基板ホルダ
の中心に対応)を通るようになつている。また、
該切り込みの幅は例えば手動もしくは電動式で動
作する遮蔽板(図示せず)によつて調節できるよ
うになつている。
基板と近接して(例えば2mmの間隔をもつて)設
けられ、これは第4図に示すように例えば正方形
であつて適当な形状の(本例では三角形の)切り
込みa,bが付されている。該切り込みa,bは
夫々第2の仕切り板13によつて画成される隔室
の位置に対応しており、原料セル14,15の中
心軸の延長線が該切り込みの中央(各基板ホルダ
の中心に対応)を通るようになつている。また、
該切り込みの幅は例えば手動もしくは電動式で動
作する遮蔽板(図示せず)によつて調節できるよ
うになつている。
第2の仕切り板13は、本例では、回転軸10
を中心とし、基板ホルダが配置されている円の直
径方向に伸びた一枚の板で構成され、第1仕切り
板とは垂直に設けられ2つの隔室A,Bを画成し
ている。隔室AおよびBには夫々セル14および
15が設けられており、セル14および15には
夫々基板16上に単結晶薄膜周期構造を形成する
に必要な半導体原料18および19が収納されて
いる。
を中心とし、基板ホルダが配置されている円の直
径方向に伸びた一枚の板で構成され、第1仕切り
板とは垂直に設けられ2つの隔室A,Bを画成し
ている。隔室AおよびBには夫々セル14および
15が設けられており、セル14および15には
夫々基板16上に単結晶薄膜周期構造を形成する
に必要な半導体原料18および19が収納されて
いる。
基板ホルダ11は第5図に詳細に示したよう
に、外壁20に取付けられ、外壁20は回転支持
棒17に連結されており、回転中心Rを中心とし
て公転するようになつている。更に内壁21が外
壁20とは独立に固定されている。これにはヒー
タ線22が設置されていて、基板16を加熱し、
蒸着した薄膜原料の再配列を行い、薄膜の結晶性
の制御ができるようになつている。ヒータ線22
は、基板ホルダ11の公転軌道内において、均一
に分配されており、公転運動している基板ホルダ
11は公転軌道内のどの位置においても、同一温
度に保たれるようになつている。
に、外壁20に取付けられ、外壁20は回転支持
棒17に連結されており、回転中心Rを中心とし
て公転するようになつている。更に内壁21が外
壁20とは独立に固定されている。これにはヒー
タ線22が設置されていて、基板16を加熱し、
蒸着した薄膜原料の再配列を行い、薄膜の結晶性
の制御ができるようになつている。ヒータ線22
は、基板ホルダ11の公転軌道内において、均一
に分配されており、公転運動している基板ホルダ
11は公転軌道内のどの位置においても、同一温
度に保たれるようになつている。
かくして、本発明のMBE成長装置によれば、
薄膜層の成長中はセルシヤツターの開閉を必要と
しないので、このシヤツターの開閉に起因する従
来法の諸欠点を克服することが可能となる。
薄膜層の成長中はセルシヤツターの開閉を必要と
しないので、このシヤツターの開閉に起因する従
来法の諸欠点を克服することが可能となる。
即ち、第3図〜第5図に示すような本発明によ
る薄膜周期構造の成長装置では、セルシヤツター
は常に開放状態にあり、成長を終了するときの
み、セルシヤツターを閉じれば良い。この結果、
セルシヤツターの開閉を周期的に行なう従来の
MBE成長方法で問題になる、不純ガスの発生や
分子線強度の揺乱が成長途中において全く起こら
なくなり、含有不純物量の少ない、かつ周期性の
良い、―族化合物半導体薄膜周期構造を形成
することができる。
る薄膜周期構造の成長装置では、セルシヤツター
は常に開放状態にあり、成長を終了するときの
み、セルシヤツターを閉じれば良い。この結果、
セルシヤツターの開閉を周期的に行なう従来の
MBE成長方法で問題になる、不純ガスの発生や
分子線強度の揺乱が成長途中において全く起こら
なくなり、含有不純物量の少ない、かつ周期性の
良い、―族化合物半導体薄膜周期構造を形成
することができる。
更に、一回の成長によつて、複数枚の基板上
に、同じ周期性並びに特性を有する単結晶薄膜周
期構造を形成することができる。
に、同じ周期性並びに特性を有する単結晶薄膜周
期構造を形成することができる。
本態様によるMBE成長装置は、従来の気相エ
ピタキシヤル(VPE)成長における二成長室法
に類似しているが、MBE成長法における分子線
の方向性は、VPE成長方法におけるガス流の方
向性よりも著しく良いと考えられ、ゆえに第3図
に示すように、同一平面上で連続的に基板を回転
運動させるという機構は、VPE成長方法ではと
り得ない。すなわち、VPE成長方法ではガスの
横方向への拡散がMBE成長における分子の場合
に比べて大きいために、仕切り板と基板との間隙
でのガス流相互の混合も大きくなる。現に現在の
VPE成長における二成長室法では、1つの成長
室内での成長が終われば、一旦その成長室から基
板を引き抜いた後、基板を次の成長室内に挿入す
るという操作を行なつており、真に成長室出口部
分での成長ではない。このような操作に比べて、
本発明のMBE成長装置によれば、基板の引き抜
きや挿入といつた余分な操作が不要となり、操作
性が著しく簡略化され、ひいては成長層の良好な
連続性、周期性を得ることが容易となる。
ピタキシヤル(VPE)成長における二成長室法
に類似しているが、MBE成長法における分子線
の方向性は、VPE成長方法におけるガス流の方
向性よりも著しく良いと考えられ、ゆえに第3図
に示すように、同一平面上で連続的に基板を回転
運動させるという機構は、VPE成長方法ではと
り得ない。すなわち、VPE成長方法ではガスの
横方向への拡散がMBE成長における分子の場合
に比べて大きいために、仕切り板と基板との間隙
でのガス流相互の混合も大きくなる。現に現在の
VPE成長における二成長室法では、1つの成長
室内での成長が終われば、一旦その成長室から基
板を引き抜いた後、基板を次の成長室内に挿入す
るという操作を行なつており、真に成長室出口部
分での成長ではない。このような操作に比べて、
本発明のMBE成長装置によれば、基板の引き抜
きや挿入といつた余分な操作が不要となり、操作
性が著しく簡略化され、ひいては成長層の良好な
連続性、周期性を得ることが容易となる。
第3図において仕切り板13の両側に、異なる
族元素18および19のセル14および15を
備えた例について上述したが、2種類の半導体層
を形成させるために必要な族および族原料を
備えた複数のセルをそれぞれ仕切り板の両側に設
けることにより種々の半導体薄膜周期構造を形成
することも勿論可能である。例えば仕切り板の右
側にIn,Ga,Asのセルを、左側にAl,Ga,As,
Sbのセルを設けてInxGa1-xAs/
AlyGa1-yAszSb1-zの周期多層構造を作製するこ
とができる。
族元素18および19のセル14および15を
備えた例について上述したが、2種類の半導体層
を形成させるために必要な族および族原料を
備えた複数のセルをそれぞれ仕切り板の両側に設
けることにより種々の半導体薄膜周期構造を形成
することも勿論可能である。例えば仕切り板の右
側にIn,Ga,Asのセルを、左側にAl,Ga,As,
Sbのセルを設けてInxGa1-xAs/
AlyGa1-yAszSb1-zの周期多層構造を作製するこ
とができる。
以下比較実験データを基にして本発明による
MBE成長装置の有用性を一層明確にする。
MBE成長装置の有用性を一層明確にする。
既に述べたように第2図に示すような従来の
MBE成長装置ではセルシヤツター8および9を
交互に一定の周期で開閉することにより半導体薄
膜周期構造を得ていた。しかしながら、セルシヤ
ツターを閉鎖状態に維持することに起因するいく
つかの大きな問題があつた。
MBE成長装置ではセルシヤツター8および9を
交互に一定の周期で開閉することにより半導体薄
膜周期構造を得ていた。しかしながら、セルシヤ
ツターを閉鎖状態に維持することに起因するいく
つかの大きな問題があつた。
まず、セルシヤツターはその閉鎖中に加熱され
て不純ガスを発生する。該不純ガスが成長中の薄
膜内に取り込まれると、薄膜の電気特性の劣化を
引き起こす。第6図,第7図は、上記の内容に関
する測定結果を示したものである。まず、第6図
は、四重極質量分析装置を用いて、セルシヤツタ
ー8または9を閉じた後の、不純ガス量の変化を
調べた結果である。これによればセルシヤツター
を閉じた直後にH2O+やCO+の質量ピーク強度が
瞬間的ではあるが増大しており、不純ガス量が増
大していることが分かる。また、第7図は、例え
ばInGaAs単結晶薄膜において得られた結果であ
るが、薄膜内の残留不純物キヤリア濃度が増大す
るほど電子移動度が減少しており、電気特性が劣
化していることがわかる。
て不純ガスを発生する。該不純ガスが成長中の薄
膜内に取り込まれると、薄膜の電気特性の劣化を
引き起こす。第6図,第7図は、上記の内容に関
する測定結果を示したものである。まず、第6図
は、四重極質量分析装置を用いて、セルシヤツタ
ー8または9を閉じた後の、不純ガス量の変化を
調べた結果である。これによればセルシヤツター
を閉じた直後にH2O+やCO+の質量ピーク強度が
瞬間的ではあるが増大しており、不純ガス量が増
大していることが分かる。また、第7図は、例え
ばInGaAs単結晶薄膜において得られた結果であ
るが、薄膜内の残留不純物キヤリア濃度が増大す
るほど電子移動度が減少しており、電気特性が劣
化していることがわかる。
従来の装置では、以上のようなセルシヤツター
からの不純ガス発生といつた問題とは別に、セル
シヤツターを閉じたことによつて、セル温度その
ものが揺乱を受ける結果、再度セルシヤツター8
または9を開いたときに、原料6または7の分子
線強度にオーバーシユートを引き起こす。このこ
とは、原料6または7から成る―族化合物半
導体薄膜の膜厚制御性ならびに混晶の場合には薄
膜組成の制御性を悪くする。第8図,第9図,第
10図は上記の内容に関する測定結果を族元素
としてIn,Gaを有する混晶の場合について示し
たものである。
からの不純ガス発生といつた問題とは別に、セル
シヤツターを閉じたことによつて、セル温度その
ものが揺乱を受ける結果、再度セルシヤツター8
または9を開いたときに、原料6または7の分子
線強度にオーバーシユートを引き起こす。このこ
とは、原料6または7から成る―族化合物半
導体薄膜の膜厚制御性ならびに混晶の場合には薄
膜組成の制御性を悪くする。第8図,第9図,第
10図は上記の内容に関する測定結果を族元素
としてIn,Gaを有する混晶の場合について示し
たものである。
第8図は、真空ゲージを用いて、セルシヤツタ
ーを例えば約3分間閉じた後、再び開いたときの
Ga分子線強度(Torr、以下同じ)変化を測定し
た結果である。セルシヤツターを開いた直後に、
分子線強度がオーバーシユートし、その後本来の
分子線強度に安定するまで1〜2分を要すること
がわかる。オーバーシユートの大きさは異なる
が、同様の現象は、In分子線強度でも観察され
た。
ーを例えば約3分間閉じた後、再び開いたときの
Ga分子線強度(Torr、以下同じ)変化を測定し
た結果である。セルシヤツターを開いた直後に、
分子線強度がオーバーシユートし、その後本来の
分子線強度に安定するまで1〜2分を要すること
がわかる。オーバーシユートの大きさは異なる
が、同様の現象は、In分子線強度でも観察され
た。
また第9図は例えば、InP基板上にInx
Ga1-xAs成長したときのInGaAsとInP基板の|Δ
a/aInP|(ただし、Δa=aInGaAs−aInP,
aInGaAsはInGaAsの格子定数、aInPはInPの格子
定数)に対するInとGaのフラツクス強度比の影
響を示したものである。第8図のGa分子線強度
のオーバーシユートは、そのまま第9図のフラツ
クス強度比の制御性の低下につながり、|Δa/
a|すなわちInxGa1-xAs単結晶薄膜の組成制御
性も低下する。現に第8図で示したようなオーバ
ーシユートの存在する状態でMBE成長した
InxGa1-xAs層の厚さ方向の組成分布をオージエ
電子分光(AES)分析した結果、第10図に示
すように、セルシヤツター開放直後、すなわち
InxGa1-xAs/InP基板界面近傍でInとGaの組成比
に勾配が見られ、組成制御性が悪いことがわか
る。
Ga1-xAs成長したときのInGaAsとInP基板の|Δ
a/aInP|(ただし、Δa=aInGaAs−aInP,
aInGaAsはInGaAsの格子定数、aInPはInPの格子
定数)に対するInとGaのフラツクス強度比の影
響を示したものである。第8図のGa分子線強度
のオーバーシユートは、そのまま第9図のフラツ
クス強度比の制御性の低下につながり、|Δa/
a|すなわちInxGa1-xAs単結晶薄膜の組成制御
性も低下する。現に第8図で示したようなオーバ
ーシユートの存在する状態でMBE成長した
InxGa1-xAs層の厚さ方向の組成分布をオージエ
電子分光(AES)分析した結果、第10図に示
すように、セルシヤツター開放直後、すなわち
InxGa1-xAs/InP基板界面近傍でInとGaの組成比
に勾配が見られ、組成制御性が悪いことがわか
る。
また、第10図は同じくInP基板上に
In0.53Ga0.47As成長したときの族元素(Ga,
In)の分子線強度と成長速度(μm/hr.)との
相関性について得られた実験結果を示したもので
ある。第8図の場合では、オーバーシユートによ
り、Ga分子線強度は本来の強度の約1.2〜1.4倍に
まで上昇しており、また、In分子線強度において
もオーバーシユートが観測されていることから、
第11図のGa+Inビーム速度も1.2〜1.4倍以上の
値となり、成長速度も1.2〜1.4倍以上になる。こ
のように、セルシヤツターを開いた直後において
は、成長速度が設計値よりも大きくなつており、
このことは、薄膜々厚の制御性を低下させる。こ
のように第1図に示すような従来の―族化合
物半導体薄膜周期構造形成のためのMBE成長装
置においては、セルシヤツターの開閉によつて
族分子線の切り換えを行なうことにより、不純ガ
スの発生、分子線強度の揺乱を引き起こすことに
なり、このため薄膜の電気的特性を劣化させ、ま
た膜厚制御性、あるいは混晶の場合には薄膜組成
制御性に悪影響を及ぼし、薄膜周期構造を形成し
た際の周期性劣化を引き起こすという欠点を有す
る。
In0.53Ga0.47As成長したときの族元素(Ga,
In)の分子線強度と成長速度(μm/hr.)との
相関性について得られた実験結果を示したもので
ある。第8図の場合では、オーバーシユートによ
り、Ga分子線強度は本来の強度の約1.2〜1.4倍に
まで上昇しており、また、In分子線強度において
もオーバーシユートが観測されていることから、
第11図のGa+Inビーム速度も1.2〜1.4倍以上の
値となり、成長速度も1.2〜1.4倍以上になる。こ
のように、セルシヤツターを開いた直後において
は、成長速度が設計値よりも大きくなつており、
このことは、薄膜々厚の制御性を低下させる。こ
のように第1図に示すような従来の―族化合
物半導体薄膜周期構造形成のためのMBE成長装
置においては、セルシヤツターの開閉によつて
族分子線の切り換えを行なうことにより、不純ガ
スの発生、分子線強度の揺乱を引き起こすことに
なり、このため薄膜の電気的特性を劣化させ、ま
た膜厚制御性、あるいは混晶の場合には薄膜組成
制御性に悪影響を及ぼし、薄膜周期構造を形成し
た際の周期性劣化を引き起こすという欠点を有す
る。
一方第3〜5図に示した本発明のMBE成長装
置を用いて作製した―族化合物半導体単結晶
薄膜周期構造に関する、成長実験条件の詳細を以
下に示す。第3図と同様の装置において、仕切り
板13で隔てられた両側で、それぞれ2本(Inと
Ga)づつセルを設け、組成の異なるInxGa1-xAs
(In0.50Ga0.50AsとIn0.56Ga0.44As)が交互に形成
できるように、各セル温度を調整した。そして、
基板16としてInP基板を用い、公転運動の周期
は、3.5rpmとした。この条件で、60minの成長を
行い、成長後、InP基板上に形成された
In0.50Ga0.50AsとIn0.56Ga0.44Asによる単結晶薄膜
周期構造全体の厚みを精密測定した結果、1.90μ
mであつた。このことから、基板の公転運動1回
転(1周期)の間に形成される膜の厚さは約90Å
であることが算出される。
置を用いて作製した―族化合物半導体単結晶
薄膜周期構造に関する、成長実験条件の詳細を以
下に示す。第3図と同様の装置において、仕切り
板13で隔てられた両側で、それぞれ2本(Inと
Ga)づつセルを設け、組成の異なるInxGa1-xAs
(In0.50Ga0.50AsとIn0.56Ga0.44As)が交互に形成
できるように、各セル温度を調整した。そして、
基板16としてInP基板を用い、公転運動の周期
は、3.5rpmとした。この条件で、60minの成長を
行い、成長後、InP基板上に形成された
In0.50Ga0.50AsとIn0.56Ga0.44Asによる単結晶薄膜
周期構造全体の厚みを精密測定した結果、1.90μ
mであつた。このことから、基板の公転運動1回
転(1周期)の間に形成される膜の厚さは約90Å
であることが算出される。
一方12図は、このようにして作製した周期構
造について、X線回折測定したときのスペクトル
を示したものである。2θ=62.85ならびに2θ
=62.95付近に見られる各ピークはInP基板の
Cuk〓1,Cuk〓2ピークとその上に形成した
In0.50Ga0.50AsとIn0.50Ga0.44Asによる単結晶薄膜
周期構造の0次ピークのCuk〓1、Cuk〓2ピーク
がそれぞれ重なつたものである。さらに、2θ=
61.7ならびに2θ=64.1付近に見られるそれぞれ
2本のピークは、周期構造が規則正しく形成され
ている場合にのみ現れるサイドバンドピーク(±
1次)の、それぞれCuk〓1、Cuk〓2ピークに対
応する。このサイドバンドピークと、0次ピーク
の角度差から、周期構造の実際の周期が測定で
き、第12図の場合、約87Åである。この値は、
先に算出した公転周期に対応する値90Åと、測定
誤差範囲内で良く一致している。
造について、X線回折測定したときのスペクトル
を示したものである。2θ=62.85ならびに2θ
=62.95付近に見られる各ピークはInP基板の
Cuk〓1,Cuk〓2ピークとその上に形成した
In0.50Ga0.50AsとIn0.50Ga0.44Asによる単結晶薄膜
周期構造の0次ピークのCuk〓1、Cuk〓2ピーク
がそれぞれ重なつたものである。さらに、2θ=
61.7ならびに2θ=64.1付近に見られるそれぞれ
2本のピークは、周期構造が規則正しく形成され
ている場合にのみ現れるサイドバンドピーク(±
1次)の、それぞれCuk〓1、Cuk〓2ピークに対
応する。このサイドバンドピークと、0次ピーク
の角度差から、周期構造の実際の周期が測定で
き、第12図の場合、約87Åである。この値は、
先に算出した公転周期に対応する値90Åと、測定
誤差範囲内で良く一致している。
以上のことから、1周期90Åという極めて微細
な周期構造が、極めて規則正しく形成されている
ことが分かる。第5図の成長装置においては、基
板の回転速度をさらに大きくすることは極めて容
易なことであり、このことは、さらに微細な単結
晶薄膜周期構造を形成することが容易であること
を意味する。また、上記の成長条件において、仕
切り板13で隔てられた片側のみのセルを用い
て、あえてInxGa1-xAsの一層成長をおこなつた
試料について厚さ方向の組成分布をAES分析し
た結果、第13図に示すように、InxGa1-xAs/
InP基板界面近傍での組成比の勾配が第10図に
比べて著しく改善され、組成分布が均一になつて
いる。このことから、本発明の成長方法を用いる
と、セルシヤツターの開閉に伴う分子線強度の揺
乱を解消でき、組成制御性を著しく向上できるこ
とが分かる。
な周期構造が、極めて規則正しく形成されている
ことが分かる。第5図の成長装置においては、基
板の回転速度をさらに大きくすることは極めて容
易なことであり、このことは、さらに微細な単結
晶薄膜周期構造を形成することが容易であること
を意味する。また、上記の成長条件において、仕
切り板13で隔てられた片側のみのセルを用い
て、あえてInxGa1-xAsの一層成長をおこなつた
試料について厚さ方向の組成分布をAES分析し
た結果、第13図に示すように、InxGa1-xAs/
InP基板界面近傍での組成比の勾配が第10図に
比べて著しく改善され、組成分布が均一になつて
いる。このことから、本発明の成長方法を用いる
と、セルシヤツターの開閉に伴う分子線強度の揺
乱を解消でき、組成制御性を著しく向上できるこ
とが分かる。
また、第3図〜第5図の装置を用いて、1回の
成長で得た4枚のウエハーについて、それぞれの
周期性を前述のX線回折法を用いて測定した結
果、それぞれ86Å,88Å,87Å,87Åであつた。
すなわち、第5図のように配置された4枚の基板
上に形成された単結晶薄膜周期構造の周期性は、
測定誤差範囲内で同一である。本実施例では、基
板ホルダは4個設けたが、さらに多数個の基板ホ
ルダを設けて、同一周期性を有する単結晶薄膜ウ
エハーを量産することも可能である。
成長で得た4枚のウエハーについて、それぞれの
周期性を前述のX線回折法を用いて測定した結
果、それぞれ86Å,88Å,87Å,87Åであつた。
すなわち、第5図のように配置された4枚の基板
上に形成された単結晶薄膜周期構造の周期性は、
測定誤差範囲内で同一である。本実施例では、基
板ホルダは4個設けたが、さらに多数個の基板ホ
ルダを設けて、同一周期性を有する単結晶薄膜ウ
エハーを量産することも可能である。
発明の効果
本発明のMBE成長装置によれば、分子線相互
間に仕切り板を設けることにより、分子線相互の
混合を防ぎ、各セルシヤツターを常に開放した状
態で、基板を公転運動させることによつて、セル
シヤツターからの不純ガス発生ならびに、分子線
強度の揺乱を解消することができ、その結果、著
しく周期性が良く、かつ微細な単結晶薄膜周期構
造を簡単に形成することができる。更に、公転軌
道上に複数個の基板ホルダを設けることによつ
て、一回の成長で複数枚の基板上に、同一周期性
を有する単結晶薄膜周期構造を容易に形成するこ
とが可能となり、本発明の工業的有用性は極めて
高いものであるといえる。
間に仕切り板を設けることにより、分子線相互の
混合を防ぎ、各セルシヤツターを常に開放した状
態で、基板を公転運動させることによつて、セル
シヤツターからの不純ガス発生ならびに、分子線
強度の揺乱を解消することができ、その結果、著
しく周期性が良く、かつ微細な単結晶薄膜周期構
造を簡単に形成することができる。更に、公転軌
道上に複数個の基板ホルダを設けることによつ
て、一回の成長で複数枚の基板上に、同一周期性
を有する単結晶薄膜周期構造を容易に形成するこ
とが可能となり、本発明の工業的有用性は極めて
高いものであるといえる。
第1図は多重量子井戸型レーザーの概略図、第
2図は―族化合物半導体単結晶薄膜周期構造
を形成するための従来のMBE成長装置を説明す
るための図、第3図〜第5図は本発明のMBE成
長装置を説明するための図、第6図はセルシヤツ
ターからの不純ガス発生に関する測定結果、第7
図はIn0.53Ga0.47As単結晶薄膜の残留不純物キヤ
リア濃度と電子移動度との関係についての測定結
果、第8図はセルシヤツター開放直後における分
子線強度オーバーシユートに関する測定結果、第
9図はInxGa1-xAs組成と、族(InとGa)分子
線強度比との関係についての測定結果、第10図
はInxGa1-xAs層の厚さ方向おけるAES分析結
果、第11図はIn0.53Ga0.47As単結晶薄膜の成長
速度と、族(Ga+In)分子線強度との関係に
ついての測定結果、第12図は本発明のMBE成
長方法によつて作製した単結晶薄膜周期構造に関
するX線回折測定結果、第13図はInxGa1-xAs
層の方向におけるAES分析結果をそれぞれ説明
する図である。 主な参照番号、A…P型GaAs、B…P型
GaxAl1-xAs、C…ノンドープGaAsウエル、D…
ノンドープGaxAl1-xAsバリヤ、E…n型
GaxAl1-xAs、1…成長室、2,16…基板、
3,11…基板ホルダ、4,5,14,15…セ
ル、6,7,18,19…原料、8,9…セルシ
ヤツター、10…回転軸、12…第1仕切り板、
13…第2仕切り板、17…回転支持棒、20…
基板ホルダ外壁、21…基板ホルダ内壁、22…
ヒータ線。
2図は―族化合物半導体単結晶薄膜周期構造
を形成するための従来のMBE成長装置を説明す
るための図、第3図〜第5図は本発明のMBE成
長装置を説明するための図、第6図はセルシヤツ
ターからの不純ガス発生に関する測定結果、第7
図はIn0.53Ga0.47As単結晶薄膜の残留不純物キヤ
リア濃度と電子移動度との関係についての測定結
果、第8図はセルシヤツター開放直後における分
子線強度オーバーシユートに関する測定結果、第
9図はInxGa1-xAs組成と、族(InとGa)分子
線強度比との関係についての測定結果、第10図
はInxGa1-xAs層の厚さ方向おけるAES分析結
果、第11図はIn0.53Ga0.47As単結晶薄膜の成長
速度と、族(Ga+In)分子線強度との関係に
ついての測定結果、第12図は本発明のMBE成
長方法によつて作製した単結晶薄膜周期構造に関
するX線回折測定結果、第13図はInxGa1-xAs
層の方向におけるAES分析結果をそれぞれ説明
する図である。 主な参照番号、A…P型GaAs、B…P型
GaxAl1-xAs、C…ノンドープGaAsウエル、D…
ノンドープGaxAl1-xAsバリヤ、E…n型
GaxAl1-xAs、1…成長室、2,16…基板、
3,11…基板ホルダ、4,5,14,15…セ
ル、6,7,18,19…原料、8,9…セルシ
ヤツター、10…回転軸、12…第1仕切り板、
13…第2仕切り板、17…回転支持棒、20…
基板ホルダ外壁、21…基板ホルダ内壁、22…
ヒータ線。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 高真空下に維持された成長室内で、セル内に
収納された原料を所定の方向に飛行させ、該成長
室内に支持された基板表面に上記原料を付着させ
単結晶として成長させる分子線エピタキシヤル成
長装置であつて、 回転軸と、該回転軸を中心とする円の周上に中
心を有するように配置され該回転軸と連結されて
いる前記基板を支持するための複数の基板ホルダ
と、該基板ホルダと平行に隔置され、基板と原料
分子線とを分離している第1の仕切り板と、前記
回転軸を中心としその半径方向に該成長室を仕切
り、単結晶薄膜周期構造を形成するのに必要な原
料収納セルを夫々収納する複数の隔室を画成する
第2の仕切り板とを具備し、該第1の仕切り板が
該隔室の各々に対応する位置に切り込みを有して
いることを特徴とする上記分子線エピタキシヤル
成長装置。 2 前記第1仕切り板の切り込みが前記回転軸を
中心とする扇型形状であることを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の分子線エピタキシヤル成
長装置。 3 前記基板ホルダが所定の時間間隔で断続的に
一定角づつ回転できるようになつており、前記第
1仕切り板の切り込みが基板を分子線に曝露する
のに十分な寸法および形状を有していることを特
徴とする特許請求の範囲第1または2項記載の分
子線エピタキシヤル成長装置。 4 前記第1仕切り板の切り込みがその大きさを
調節し得るようになつていることを特徴とする特
許請求の範囲第1または2項記載の分子線エピタ
キシヤル成長装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1206284A JPS60161393A (ja) | 1984-01-27 | 1984-01-27 | 単結晶薄膜周期構造を形成するための分子線エピタキシヤル成長装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1206284A JPS60161393A (ja) | 1984-01-27 | 1984-01-27 | 単結晶薄膜周期構造を形成するための分子線エピタキシヤル成長装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60161393A JPS60161393A (ja) | 1985-08-23 |
| JPS6247839B2 true JPS6247839B2 (ja) | 1987-10-09 |
Family
ID=11795109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1206284A Granted JPS60161393A (ja) | 1984-01-27 | 1984-01-27 | 単結晶薄膜周期構造を形成するための分子線エピタキシヤル成長装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60161393A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6261315A (ja) * | 1985-09-11 | 1987-03-18 | Sharp Corp | 分子線エピタキシ−装置 |
-
1984
- 1984-01-27 JP JP1206284A patent/JPS60161393A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60161393A (ja) | 1985-08-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |