JP2607239B2 - 分子線エピタキシヤル装置 - Google Patents
分子線エピタキシヤル装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は、700nm未満に発光波長を有するＰ化合物半
導体をGaAs基板上に成長するためあるいはその他種々の
結晶を高精細度に成長させる上で極めて有効な分子線エ
ピタキシャル装置に関するものである。
導体をGaAs基板上に成長するためあるいはその他種々の
結晶を高精細度に成長させる上で極めて有効な分子線エ
ピタキシャル装置に関するものである。
＜従来技術＞ 近年の情報化社会の進展には著しいものがあり、その
中にあって半導体レーザや発光ダイオード等の発光デバ
イスを基礎とした光通信，光ディスク等の光情報処理技
術は目ざましい発展を遂げている。このような情況下に
おいて可視域に発光波長を有する発光デバイスへのニー
ズが急速に高まっており、特に可視半導体レーザへの期
待は大きい。現在、780nmに発振波長を有するGaAlAs系
半導体レーザがコンパクトディスクおよびビデオディス
ク用光源として実用化されているが、より多くの情報量
を扱うためには集光後のスポット径をより小さくする必
要があり、そのためにより短波長に発振波長を有する半
導体レーザが必要となっている。
中にあって半導体レーザや発光ダイオード等の発光デバ
イスを基礎とした光通信，光ディスク等の光情報処理技
術は目ざましい発展を遂げている。このような情況下に
おいて可視域に発光波長を有する発光デバイスへのニー
ズが急速に高まっており、特に可視半導体レーザへの期
待は大きい。現在、780nmに発振波長を有するGaAlAs系
半導体レーザがコンパクトディスクおよびビデオディス
ク用光源として実用化されているが、より多くの情報量
を扱うためには集光後のスポット径をより小さくする必
要があり、そのためにより短波長に発振波長を有する半
導体レーザが必要となっている。
このような短波長域に相当するエネルギーギャップを
有する半導体材料としてGaAs基板に格子整合する（AlxG
a1−ｘ）yIn1−yPが注目されている。この材料は従来の
液相エピタキシャル成長法（LPE法）では成長が困難で
あるため、最近、分子線エピタキシャル成長法（MBE
法）および有機金属を用いた気相成長法（MO−CVD法）
を成長法として研究開発が活発になっている。
有する半導体材料としてGaAs基板に格子整合する（AlxG
a1−ｘ）yIn1−yPが注目されている。この材料は従来の
液相エピタキシャル成長法（LPE法）では成長が困難で
あるため、最近、分子線エピタキシャル成長法（MBE
法）および有機金属を用いた気相成長法（MO−CVD法）
を成長法として研究開発が活発になっている。
特にMBE法な急峻なヘテロ接合界面を得ることができ
るため、通常のダブルヘテロ接合半導体レーザばかりで
なく量子井戸半導体レーザ（Quantum Well Laser:略し
てQWレーザ）への発展も考えられる非常に有望な成長法
である。
るため、通常のダブルヘテロ接合半導体レーザばかりで
なく量子井戸半導体レーザ（Quantum Well Laser:略し
てQWレーザ）への発展も考えられる非常に有望な成長法
である。
しかしながら、従来の分子線エピタキシャル装置（MB
E装置）でGaAs基板上にＰ（リン）化合物半導体を成長
させる場合、予め、大気中で基板の保護用に形成したGa
Asの自然酸化膜を除去するために成長室中でAs分子線を
照射しながら基板を加熱する方法が採られていた（H.As
hahi,Y,Kawamura,and H.Nagai,J.Appl.Phys.vol.53（19
82）,p4928）。この方法はGaAs基板上にAlGaAsのような
Aa化合物半導体を成長する場合に一般的に行なわれてい
る方法であるが、Ｐ化合物半導体を成長する場合には、
本来成長に不必要なAsを成長室に持ち込むことになり好
ましくない。もしAsがＰ化合物中に１％程度でも取り込
まれると大きな格子定数変化を生じて良質の半導体結晶
が得られないが上記GaAs酸化膜除去工程中10-4〜10-5to
rrと極めて高い圧力をもつAs分子線強度を短時間に下げ
ることは不可能であり、工程に長時間を要するだけでな
く、一度Asを用いた成長室中でＰ系化合物半導体を成長
するため本質的にAsの汚染を避けることができな。ま
た、Ｐ（リン）分子線を照射しながら基板を加熱してGa
As基板上の酸化膜を除去する工程も考えられるが、Asに
比べてＰの蒸気圧が極めて高いため10-5torr以下のＰ圧
ではGaAs酸化膜の通常の蒸発温度である約580℃ではほ
とんど効果がなく、また強いＰ分子線を照射した場合で
もAsの蒸発を生じて基板表面がGaAsPに変換されること
が考えられ好ましくない。
E装置）でGaAs基板上にＰ（リン）化合物半導体を成長
させる場合、予め、大気中で基板の保護用に形成したGa
Asの自然酸化膜を除去するために成長室中でAs分子線を
照射しながら基板を加熱する方法が採られていた（H.As
hahi,Y,Kawamura,and H.Nagai,J.Appl.Phys.vol.53（19
82）,p4928）。この方法はGaAs基板上にAlGaAsのような
Aa化合物半導体を成長する場合に一般的に行なわれてい
る方法であるが、Ｐ化合物半導体を成長する場合には、
本来成長に不必要なAsを成長室に持ち込むことになり好
ましくない。もしAsがＰ化合物中に１％程度でも取り込
まれると大きな格子定数変化を生じて良質の半導体結晶
が得られないが上記GaAs酸化膜除去工程中10-4〜10-5to
rrと極めて高い圧力をもつAs分子線強度を短時間に下げ
ることは不可能であり、工程に長時間を要するだけでな
く、一度Asを用いた成長室中でＰ系化合物半導体を成長
するため本質的にAsの汚染を避けることができな。ま
た、Ｐ（リン）分子線を照射しながら基板を加熱してGa
As基板上の酸化膜を除去する工程も考えられるが、Asに
比べてＰの蒸気圧が極めて高いため10-5torr以下のＰ圧
ではGaAs酸化膜の通常の蒸発温度である約580℃ではほ
とんど効果がなく、また強いＰ分子線を照射した場合で
もAsの蒸発を生じて基板表面がGaAsPに変換されること
が考えられ好ましくない。
第２図は従来の分子線エピタキシャル成長装置を示す
ブロック構成図である。結晶成長用基板を試料導入室へ
挿入し、真空にした後基板加熱室２へ基板を搬送する。
この基板加熱室２で基板を適当な温度に加熱し、基板表
面の吸着物等をガス出しする。ガス出しの完了した基板
を成長室４へ搬送し、ここで基板上にエピタキシャル層
を成長させる。各室1,2,4間はゲートバルブ5,7,8により
仕切られている。
ブロック構成図である。結晶成長用基板を試料導入室へ
挿入し、真空にした後基板加熱室２へ基板を搬送する。
この基板加熱室２で基板を適当な温度に加熱し、基板表
面の吸着物等をガス出しする。ガス出しの完了した基板
を成長室４へ搬送し、ここで基板上にエピタキシャル層
を成長させる。各室1,2,4間はゲートバルブ5,7,8により
仕切られている。
MBE法は、成長要原料を蒸気とし、ノズルから分子流
として高真空状態の成長室４内へ流出させることによっ
て基板上へエピタキシャル層を成長させる方法である。
成長室４にはクヌードセン・セルと称される分子流生成
管が適当数配設されており、このセルの一部に設けた小
孔から蒸気物質が分子流として流出される。この流出レ
ートを各セル間で制御することによって２成分あるいは
多成分系の化合物薄膜を成長させることができる。正確
にエピタキシャル成長を行なうためには成長室４内を超
高真空に保持しかつ数nm/分程度のゆっくりした成長速
度となるように成分物質の流出レートを制御し、各成分
の基板への付着確率を成分物質の特性に合わせて設定す
ることが必要となる。
として高真空状態の成長室４内へ流出させることによっ
て基板上へエピタキシャル層を成長させる方法である。
成長室４にはクヌードセン・セルと称される分子流生成
管が適当数配設されており、このセルの一部に設けた小
孔から蒸気物質が分子流として流出される。この流出レ
ートを各セル間で制御することによって２成分あるいは
多成分系の化合物薄膜を成長させることができる。正確
にエピタキシャル成長を行なうためには成長室４内を超
高真空に保持しかつ数nm/分程度のゆっくりした成長速
度となるように成分物質の流出レートを制御し、各成分
の基板への付着確率を成分物質の特性に合わせて設定す
ることが必要となる。
以上のようなMBE法を用いてGaAs等の基板上にＰ化合
物を成長させる場合、上述した問題点があり、実際には
良質の結晶層を得ることは困難であった。
物を成長させる場合、上述した問題点があり、実際には
良質の結晶層を得ることは困難であった。
＜発明の目的＞ 本発明は上述の問題に鑑み、GaAs基板の良好な表面を
得た上でAsの汚染なく良質のＰ化合物半導体を成長する
ための分子線エピタキシャル装置を提供することを目的
としている。
得た上でAsの汚染なく良質のＰ化合物半導体を成長する
ための分子線エピタキシャル装置を提供することを目的
としている。
＜実施例＞ 第１図は本発明の一実施例を示す分子線エピタキシャ
ル装置の要部構成図である。この実施例は従来の分子線
エピタキシャル装置の成長室４と基板加熱室２の間に新
たな前処理室３を設けた構成となっており各室2,3,4間
は搬送系により超高真空中で自在にGaAs基板を搬送する
ことができる。また、搬送時以外は各室間はゲートバル
ブ5,6,7により隔離されている。前処理室３には基板加
熱用ホルダーとAsセルが設けられている。
ル装置の要部構成図である。この実施例は従来の分子線
エピタキシャル装置の成長室４と基板加熱室２の間に新
たな前処理室３を設けた構成となっており各室2,3,4間
は搬送系により超高真空中で自在にGaAs基板を搬送する
ことができる。また、搬送時以外は各室間はゲートバル
ブ5,6,7により隔離されている。前処理室３には基板加
熱用ホルダーとAsセルが設けられている。
硫酸系エッチャントでエッチング後、純水中で表面に
自然酸化膜を形成したGaAs基板をInでMoブロックに貼り
付け、バルブ８を開いて試料導入室１へ挿入する。バル
ブ８を閉じて試料導入室１を10-8〜10-9torrに真空引き
した後、バルブ５を開いて基板加熱室２へ搬送しバルブ
５を閉じる。基板加熱室２で徐々に基板を400℃まで加
熱する。加熱初期には基板In及びMoブロックからのガス
放出により真空度が落ちるが30〜60分の加熱により約10
-10torrの真空度が得らられる。このようにして初期の
ガス出しを終了した基板を前処理室３に移し、約10-6〜
10-5torrのAs4分子線を照射しながら徐々に約600℃まで
加熱し、約10分経過した後As4分子線の照射を持続しな
がら基板温度を200℃以下まで下げる。この段階でGaAs
表面の酸化膜は完全に除去され清浄なGaAs表面が得られ
る。前処理室３には液体窒素シャラウドを取り付けるこ
とにより比較的蒸気圧の高いAsを効率良く排気すること
ができる。この段階で、AsがGaAs基板上に堆積すること
があっても、成長開始前の基板加熱時に完全に蒸発する
ため問題はなく、逆に前処理室３から成長室４へ搬送す
る際に考えらえる残留ガスの基板表面への付着に対する
保護膜となるため、むしろ基板温度を下げてからもAs分
子線を照射して積極的にAsをGaAs基板に堆積させる方が
良い。前処理室３から成長室４に搬送された基板にＰ分
子線を照射しながら成長可能な温度（例えば500℃）ま
で加熱して必要なIII族分子線（例えばIn,Al,Ga）を照
射しエピタキシャル成長を開始する。成長は比較的低温
から開始しGaAs基板表面からのAs脱離等に起因する劣化
をできるだけ防止し、成長が始まってから最適の基板温
度（例えば600℃）まで徐々に増加させると良質の結晶
が得られる。
自然酸化膜を形成したGaAs基板をInでMoブロックに貼り
付け、バルブ８を開いて試料導入室１へ挿入する。バル
ブ８を閉じて試料導入室１を10-8〜10-9torrに真空引き
した後、バルブ５を開いて基板加熱室２へ搬送しバルブ
５を閉じる。基板加熱室２で徐々に基板を400℃まで加
熱する。加熱初期には基板In及びMoブロックからのガス
放出により真空度が落ちるが30〜60分の加熱により約10
-10torrの真空度が得らられる。このようにして初期の
ガス出しを終了した基板を前処理室３に移し、約10-6〜
10-5torrのAs4分子線を照射しながら徐々に約600℃まで
加熱し、約10分経過した後As4分子線の照射を持続しな
がら基板温度を200℃以下まで下げる。この段階でGaAs
表面の酸化膜は完全に除去され清浄なGaAs表面が得られ
る。前処理室３には液体窒素シャラウドを取り付けるこ
とにより比較的蒸気圧の高いAsを効率良く排気すること
ができる。この段階で、AsがGaAs基板上に堆積すること
があっても、成長開始前の基板加熱時に完全に蒸発する
ため問題はなく、逆に前処理室３から成長室４へ搬送す
る際に考えらえる残留ガスの基板表面への付着に対する
保護膜となるため、むしろ基板温度を下げてからもAs分
子線を照射して積極的にAsをGaAs基板に堆積させる方が
良い。前処理室３から成長室４に搬送された基板にＰ分
子線を照射しながら成長可能な温度（例えば500℃）ま
で加熱して必要なIII族分子線（例えばIn,Al,Ga）を照
射しエピタキシャル成長を開始する。成長は比較的低温
から開始しGaAs基板表面からのAs脱離等に起因する劣化
をできるだけ防止し、成長が始まってから最適の基板温
度（例えば600℃）まで徐々に増加させると良質の結晶
が得られる。
第３図は本発明の他の実施例を示す分子線エピタキシ
ャル装置の構成図である。この構成では試料導入室１と
試料取出室12をゲートバルブ21,25を介して取り付けた
試料搬送室11に基板加熱室2,前処理室3,成長室４が並列
にそれぞれゲートバルブ22,23,24を介して取り付けられ
ている。従ってそれぞれの真空空間の搬送は試料搬送室
11を遠して行うことになる。また、この構成では成長後
の基板は試料取出室12より大気中へ取り出さるため、基
板の輸送が一方向となり連続的に多数の基板上に成長を
行う場合に適している。
ャル装置の構成図である。この構成では試料導入室１と
試料取出室12をゲートバルブ21,25を介して取り付けた
試料搬送室11に基板加熱室2,前処理室3,成長室４が並列
にそれぞれゲートバルブ22,23,24を介して取り付けられ
ている。従ってそれぞれの真空空間の搬送は試料搬送室
11を遠して行うことになる。また、この構成では成長後
の基板は試料取出室12より大気中へ取り出さるため、基
板の輸送が一方向となり連続的に多数の基板上に成長を
行う場合に適している。
以上の実施例では前処理室にはAsセルのみを装備して
いたが、更にGaセルを取り付けてGaAsの成長を可能と
し、酸化膜を除去した後にGa分子線を照射してGaAsバッ
ファ層を成長してから成長室へ搬送し上記と同様の工程
で成長を行うことができる。この方法を用いればバルブ
基板より更に結晶性の良いエピタキシャル成長GaAs基板
とすることができる利点がある。
いたが、更にGaセルを取り付けてGaAsの成長を可能と
し、酸化膜を除去した後にGa分子線を照射してGaAsバッ
ファ層を成長してから成長室へ搬送し上記と同様の工程
で成長を行うことができる。この方法を用いればバルブ
基板より更に結晶性の良いエピタキシャル成長GaAs基板
とすることができる利点がある。
また、更に別の方法として前処理室にInセルを具設
し、GaAsの自然酸化膜を除去した後In分子線を照射して
薄いInAs層を形成し、これを保護膜として成長室へ搬送
する。成長室では上記と同様にＰ分子線を照射して基板
温度を上げていくと450〜500℃程度でInAs層が蒸発し清
浄なGaAs基板表面が得られる。この上に例えばInとGaビ
ームを同時に照射してInGaPの成長を開始させることが
できる。InAs保護膜の利点としては、InAsとGaAsは大き
な格子不整合があるため50〜100Åの薄膜の場合には２
次元成長をせず３次元的な島を伴って表面が凹凸形状を
なして成長する。従って、RHEEDにより成長前に基板表
面の観測を行いながら基板を加熱すると、InAsが残って
いる間はスポット状のRHEEDパターンがみられるが、InA
sが除去できるとGaAs表面の平坦性を反映してストリー
ク状のRHEEDパターンとなるため成長開始の時期を決め
るのに極めて都合が良い。
し、GaAsの自然酸化膜を除去した後In分子線を照射して
薄いInAs層を形成し、これを保護膜として成長室へ搬送
する。成長室では上記と同様にＰ分子線を照射して基板
温度を上げていくと450〜500℃程度でInAs層が蒸発し清
浄なGaAs基板表面が得られる。この上に例えばInとGaビ
ームを同時に照射してInGaPの成長を開始させることが
できる。InAs保護膜の利点としては、InAsとGaAsは大き
な格子不整合があるため50〜100Åの薄膜の場合には２
次元成長をせず３次元的な島を伴って表面が凹凸形状を
なして成長する。従って、RHEEDにより成長前に基板表
面の観測を行いながら基板を加熱すると、InAsが残って
いる間はスポット状のRHEEDパターンがみられるが、InA
sが除去できるとGaAs表面の平坦性を反映してストリー
ク状のRHEEDパターンとなるため成長開始の時期を決め
るのに極めて都合が良い。
＜発明の効果＞ 以上示したように本発明を用いれば成長前にGaAs基板
表面を劣化させることなくその上にInGaPあるいはInGaA
lPのような700nm以下に発光波長を有する半導体を分子
線エピタキシャル成長することが可能となり、He−Neガ
スレーザより短波長の発振が可能なInGaAlP系半導体レ
ーザの実用化への道が開かれる。
表面を劣化させることなくその上にInGaPあるいはInGaA
lPのような700nm以下に発光波長を有する半導体を分子
線エピタキシャル成長することが可能となり、He−Neガ
スレーザより短波長の発振が可能なInGaAlP系半導体レ
ーザの実用化への道が開かれる。
また、Ｐ系半導体の成長室にAsを持ち込まない装置構
成をとっているため、長期の製造を行なってもＰとAsの
相互汚染を起こすことがなく、製造装置として、長期間
安定した再生性を保つことが可能である。
成をとっているため、長期の製造を行なってもＰとAsの
相互汚染を起こすことがなく、製造装置として、長期間
安定した再生性を保つことが可能である。
第１図は本発明の一実施例である分子線エピタキシャル
装置の構成図である。 第２図は従来の分子線エピタキシャル装置の構成図であ
る。 第３図は本発明の他の実施例である分子線エピタキシャ
ル装置の構成図である。 １……試料導入室、２……基板加熱室、３……前処理
室、４……成長室、5,6,7,8……ゲートバルブ、11……
付料搬送室、12……試料取出室。
装置の構成図である。 第２図は従来の分子線エピタキシャル装置の構成図であ
る。 第３図は本発明の他の実施例である分子線エピタキシャ
ル装置の構成図である。 １……試料導入室、２……基板加熱室、３……前処理
室、４……成長室、5,6,7,8……ゲートバルブ、11……
付料搬送室、12……試料取出室。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 向星 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シヤー プ株式会社内 (72)発明者 山本 三郎 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シヤー プ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−15917（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−116192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−101490（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−33825（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】GaAs系基板上にＰ化合物半導体を形成する
ための分子線エピタキシャル装置であって、 GaAs系基板を加熱しガス出しをする基板加熱室と、 前記ガス出し後のGaAs系基板を加熱するとともにAs分子
線を照射して基板表面の酸化膜を除去するためのAsセル
を備えた前処理室と、 前記表面処理後のGaAs基板上にＰ化合物半導体を成長さ
せる成長室とを有してなることを特徴とする分子線エピ
タキシャル装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60067447A JP2607239B2 (ja) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | 分子線エピタキシヤル装置 |
| US06/843,146 US4824518A (en) | 1985-03-29 | 1986-03-24 | Method for the production of semiconductor devices |
| FR868604353A FR2579824B1 (fr) | 1985-03-29 | 1986-03-26 | Procede et appareil pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, utilisant un traitement epitaxial par faisceau moleculaire |
| GB08607458A GB2174542B (en) | 1985-03-29 | 1986-03-26 | A method and apparatus for the production of semiconductor devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60067447A JP2607239B2 (ja) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | 分子線エピタキシヤル装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61225817A JPS61225817A (ja) | 1986-10-07 |
| JP2607239B2 true JP2607239B2 (ja) | 1997-05-07 |
Family
ID=13345186
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60067447A Expired - Lifetime JP2607239B2 (ja) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | 分子線エピタキシヤル装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2607239B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6394614A (ja) * | 1986-10-09 | 1988-04-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 分子線結晶成長装置 |
| JPH0779084B2 (ja) * | 1986-12-20 | 1995-08-23 | 富士通株式会社 | 半導体結晶成長方法及びそれを実施する装置 |
| JPH0810675B2 (ja) * | 1986-12-20 | 1996-01-31 | 富士通株式会社 | 半導体結晶成長方法及びそれを実施する装置 |
| JPH0779087B2 (ja) * | 1991-03-27 | 1995-08-23 | 株式会社エイ・ティ・アール光電波通信研究所 | ＧａＡｓ（１１１）Ａ面基板の表面処理方法 |
| JP3555717B2 (ja) | 1996-05-09 | 2004-08-18 | シャープ株式会社 | 半導体製造方法 |
| WO2011105183A1 (en) * | 2010-02-26 | 2011-09-01 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for manufacturing semiconductor element and deposition apparatus |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59116192A (ja) * | 1982-12-21 | 1984-07-04 | Fujitsu Ltd | 分子線結晶成長方法 |
| JPS6015917A (ja) * | 1983-07-08 | 1985-01-26 | Hitachi Ltd | 分子線エピタキシ装置 |
| JPS61101490A (ja) * | 1984-10-24 | 1986-05-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 分子線結晶成長方法と装置 |
-
1985
- 1985-03-29 JP JP60067447A patent/JP2607239B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61225817A (ja) | 1986-10-07 |
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