JP2993691B2 - 結晶成長装置 - Google Patents
結晶成長装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高性能化合物半導体光素子や電気素子用結
晶成長装置に係り、特に歪系超格子III−Ｖ族、II−VI
族化合物半導体およびそれらの混晶半導体の結晶成長装
置に関し、更に詳しくは結晶成長原料として、それぞれ
の結晶の構成元素を含む有機金属化合物、または水素化
合物を用いる結晶成長装置に関する。
晶成長装置に係り、特に歪系超格子III−Ｖ族、II−VI
族化合物半導体およびそれらの混晶半導体の結晶成長装
置に関し、更に詳しくは結晶成長原料として、それぞれ
の結晶の構成元素を含む有機金属化合物、または水素化
合物を用いる結晶成長装置に関する。
従来の歪系化合物半導体の応用例として、MBE（分子
線エピタキシー法）によりInGaAs系の歪超格子活性層を
持つ半導体レーザを試作したものとしては、インタナシ
ヨナル コンフアレンス オン インテグレーテツド
オプチツクス アンド オプチカル コミユニケーシヨ
ンズ 18B2−6 8頁（1989）（International Conference
on Integrated Optics and Optical Communications 1
8B2−6 P−８（1989）がある。
線エピタキシー法）によりInGaAs系の歪超格子活性層を
持つ半導体レーザを試作したものとしては、インタナシ
ヨナル コンフアレンス オン インテグレーテツド
オプチツクス アンド オプチカル コミユニケーシヨ
ンズ 18B2−6 8頁（1989）（International Conference
on Integrated Optics and Optical Communications 1
8B2−6 P−８（1989）がある。
上述した従来技術による歪超格子の結晶成長法は、歪
量のフイードバツク機構が付与されておらず、正確な制
御がなされていないものであつた。
量のフイードバツク機構が付与されておらず、正確な制
御がなされていないものであつた。
半導体素子の製造に係る結晶成長装置にＸ線回折装置
を組み合わせる技術は、例えば、特開昭58−194795号、
特開昭60−163427号、特開昭63−142811号の各公報にも
開示されているが、当該半導体素子の製造を有機金属ガ
スの熱分解で行うための配慮はなかった。
を組み合わせる技術は、例えば、特開昭58−194795号、
特開昭60−163427号、特開昭63−142811号の各公報にも
開示されているが、当該半導体素子の製造を有機金属ガ
スの熱分解で行うための配慮はなかった。
本発明の目的は、歪系の化合物半導体成長において、
歪量の正確な計測とその設定値からのずれ量の迅速なフ
イードバツクによつて、目的の歪超格子構造を得ること
である。さらに、成長ウエーハの歪量の面内分布を均一
化し、新規で生産性の高い化合物半導体等の結晶成長装
置を提供することにある。
歪量の正確な計測とその設定値からのずれ量の迅速なフ
イードバツクによつて、目的の歪超格子構造を得ること
である。さらに、成長ウエーハの歪量の面内分布を均一
化し、新規で生産性の高い化合物半導体等の結晶成長装
置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の結晶成長装置で
は例えば、第１図に示すように、横型の有機金属熱分解
用リアクタ１にＸ線源２、Ｘ線透過窓３、回折波透過窓
４、カウンター５、ジヤイロ機構６からなるＸ線回折装
置を組込み、所定の反応ガスを流して形成した半導体結
晶層７の回折角を測定できる手段を設ける。また、この
回折角情報は歪量から混晶組成へ、さらに混晶組成から
反応ガス流量へとCPU制御系８によつて変換され、次い
でガス制御系９にフイードバツクされる。また、半導体
結晶層７の歪量のウエーハ面内分布は、リアクタ１内に
設けられたガス流制御板10により、均一化を図れるよう
にしてある。また、ガス流制御板10の一部分は、Ｘ線の
透過率が十分に高い材料を用いることにより、容易に回
折角を測定できる。例えばベリリウムを用いれば、Ｘ線
の透過率は90％以上を確保できる。ところで、基板結晶
上部に配置されたベリリウム製Ｘ線透過窓11は、結晶成
長中に反応ガスに曝されるため、反応積出物が徐々に堆
積し、結果としてＸ線透過率が徐々に低下する。この現
象は、搬送機構12により、一回の結晶成長毎に基板ウエ
ーハと一緒に新しいベリリウム（ベリリウムホルダーと
一体になつている）に交換することにより解決出来る。
は例えば、第１図に示すように、横型の有機金属熱分解
用リアクタ１にＸ線源２、Ｘ線透過窓３、回折波透過窓
４、カウンター５、ジヤイロ機構６からなるＸ線回折装
置を組込み、所定の反応ガスを流して形成した半導体結
晶層７の回折角を測定できる手段を設ける。また、この
回折角情報は歪量から混晶組成へ、さらに混晶組成から
反応ガス流量へとCPU制御系８によつて変換され、次い
でガス制御系９にフイードバツクされる。また、半導体
結晶層７の歪量のウエーハ面内分布は、リアクタ１内に
設けられたガス流制御板10により、均一化を図れるよう
にしてある。また、ガス流制御板10の一部分は、Ｘ線の
透過率が十分に高い材料を用いることにより、容易に回
折角を測定できる。例えばベリリウムを用いれば、Ｘ線
の透過率は90％以上を確保できる。ところで、基板結晶
上部に配置されたベリリウム製Ｘ線透過窓11は、結晶成
長中に反応ガスに曝されるため、反応積出物が徐々に堆
積し、結果としてＸ線透過率が徐々に低下する。この現
象は、搬送機構12により、一回の結晶成長毎に基板ウエ
ーハと一緒に新しいベリリウム（ベリリウムホルダーと
一体になつている）に交換することにより解決出来る。
Ｘ線回折装置と結晶成長装置を一体化した事により、
成長結晶の回折情報を歪量から混晶組成へ、混晶組成か
ら反応ガス流量へと短時間にフイードバツクできるた
め、所定の歪量を持つた超格子構造を再現性良く実現出
来る。また、ガス流制御板を兼ねたＸ線透過率の良いベ
リリウムを用いる為、Ｘ線の入射波と回折波の強度減衰
は少なく、正確な回折角情報が容易に得られるばかりで
なく、歪量のウエーハ面内分布もまた均一になるため、
再現性、量産性に優れた結晶成長が実現できる。
成長結晶の回折情報を歪量から混晶組成へ、混晶組成か
ら反応ガス流量へと短時間にフイードバツクできるた
め、所定の歪量を持つた超格子構造を再現性良く実現出
来る。また、ガス流制御板を兼ねたＸ線透過率の良いベ
リリウムを用いる為、Ｘ線の入射波と回折波の強度減衰
は少なく、正確な回折角情報が容易に得られるばかりで
なく、歪量のウエーハ面内分布もまた均一になるため、
再現性、量産性に優れた結晶成長が実現できる。
以下に本発明の一実施例をあげ、図面を参照しながら
さらに詳細に説明する。
さらに詳細に説明する。
（実施例１） 材料として50mmφのInP基板上にInP/InGaAsの歪超格
子の構造を作成する場合を例にとつて第１図及び第２図
を用いて説明する。第１図は、本発明の一実施例に係る
結晶成長装置の構成図である。第２図は本発明の一実施
例に係る結晶成長装置の、特に基板ホルダー周辺の詳細
な構成図である。
子の構造を作成する場合を例にとつて第１図及び第２図
を用いて説明する。第１図は、本発明の一実施例に係る
結晶成長装置の構成図である。第２図は本発明の一実施
例に係る結晶成長装置の、特に基板ホルダー周辺の詳細
な構成図である。
ｎ型のInP（100）基板７を前処理エツチした後、第１
図に示すように搬送系12によりリアクタ１内の所定位置
に固定する。この時、基板ウエーハ７をセツトする治具
は第２図に三面図を示すように、ガス制御板を兼ね、か
つ２組のベリウム製Ｘ線透過窓11が配置され、さらにこ
れとウエーハホルダー13が一体となつている構造体であ
る。基板加熱用のホルダー14は、高周波誘導加熱法や抵
抗加熱法等によつて加熱されるが、この基板ホルダー14
の上部にウエーハホルダー13が配置される構造となつて
いる。さらに基板ホルダー14は外部駆動力により回転運
動可能とすることもできる。
図に示すように搬送系12によりリアクタ１内の所定位置
に固定する。この時、基板ウエーハ７をセツトする治具
は第２図に三面図を示すように、ガス制御板を兼ね、か
つ２組のベリウム製Ｘ線透過窓11が配置され、さらにこ
れとウエーハホルダー13が一体となつている構造体であ
る。基板加熱用のホルダー14は、高周波誘導加熱法や抵
抗加熱法等によつて加熱されるが、この基板ホルダー14
の上部にウエーハホルダー13が配置される構造となつて
いる。さらに基板ホルダー14は外部駆動力により回転運
動可能とすることもできる。
次いで、反応系を76Torrの減圧下において水素ガスに
より十分にガス置換した。その後、抵抗加熱方式により
基板ホルダー14を加熱昇温し、600℃に保持した。約５
分後にIn（インジウム）の原料であるトリメチルインジ
ウム及びＰ（リン）の原料であるホスフィンを20分間輸
送し、0.5μｍのInP（インジウムリン）バツフア層を成
長した。次いでIn（インジウム）の原料であるトリメチ
ルインジウム、Ｐ（リン）の原料であるホスフィン及び
Ga（ガリウム）の原料であるトリエチルガリウムを基板
InPとの結晶格子ミスマツチ量が＋2.0％になるようにそ
れぞれガス流量を調整して約25分間輸送し、0.01μｍの
InGaAs歪層（量子井戸層）を成長した。この状態でＸ線
回折装置によりＸ軸、Ｙ軸、あおり等（ジヤイロ機構６
を用いる）を微調整してInGaAs歪層の回折角を測定し、
CPU制御系８により歪量を計算した結果、成長層の歪量
は＋1.8％であつた。この歪量は設計値である＋2.0％と
比較して−0.2％の差があり、この情報はCPU制御系８に
より直ちに結晶の混晶組成に、さらに混晶組成より反応
ガス流量に変換されデータは一旦保存された。この間、
リアクタ１内では次のInP層（障壁層）を約0.01μｍ成
長した。次にInGaAs量子井戸層を成長したが、この時点
ではすでに歪量が＋2.0％になるように調整された反応
ガス流量が得られた。この操作を10回繰返したのち最後
にInP層を約0.5μｍ成長した。以上の様なプロセスによ
り、結晶の歪量は誤差±0.1％以下となり、従来の±0.2
〜0.4％に比べ格段に高精度の歪量を得ることができ
た。この結晶をリアクタ１より取り出し半導体プロセス
を経たのち、キヤリアを注入したところ通常の超格子あ
るいはバルクに比べてキヤリアのエネルギー分布の変化
（バンドフィリング効果）が大きく、屈折率が大きく変
化した。屈折率変化はバルクが２％に対し、本発明の素
子では４％であつた。これは歪超格子の大きな特徴であ
る。
より十分にガス置換した。その後、抵抗加熱方式により
基板ホルダー14を加熱昇温し、600℃に保持した。約５
分後にIn（インジウム）の原料であるトリメチルインジ
ウム及びＰ（リン）の原料であるホスフィンを20分間輸
送し、0.5μｍのInP（インジウムリン）バツフア層を成
長した。次いでIn（インジウム）の原料であるトリメチ
ルインジウム、Ｐ（リン）の原料であるホスフィン及び
Ga（ガリウム）の原料であるトリエチルガリウムを基板
InPとの結晶格子ミスマツチ量が＋2.0％になるようにそ
れぞれガス流量を調整して約25分間輸送し、0.01μｍの
InGaAs歪層（量子井戸層）を成長した。この状態でＸ線
回折装置によりＸ軸、Ｙ軸、あおり等（ジヤイロ機構６
を用いる）を微調整してInGaAs歪層の回折角を測定し、
CPU制御系８により歪量を計算した結果、成長層の歪量
は＋1.8％であつた。この歪量は設計値である＋2.0％と
比較して−0.2％の差があり、この情報はCPU制御系８に
より直ちに結晶の混晶組成に、さらに混晶組成より反応
ガス流量に変換されデータは一旦保存された。この間、
リアクタ１内では次のInP層（障壁層）を約0.01μｍ成
長した。次にInGaAs量子井戸層を成長したが、この時点
ではすでに歪量が＋2.0％になるように調整された反応
ガス流量が得られた。この操作を10回繰返したのち最後
にInP層を約0.5μｍ成長した。以上の様なプロセスによ
り、結晶の歪量は誤差±0.1％以下となり、従来の±0.2
〜0.4％に比べ格段に高精度の歪量を得ることができ
た。この結晶をリアクタ１より取り出し半導体プロセス
を経たのち、キヤリアを注入したところ通常の超格子あ
るいはバルクに比べてキヤリアのエネルギー分布の変化
（バンドフィリング効果）が大きく、屈折率が大きく変
化した。屈折率変化はバルクが２％に対し、本発明の素
子では４％であつた。これは歪超格子の大きな特徴であ
る。
（実施例２） 第３図は本発明を半導体レーザに適用した場合の説明
図である。
図である。
実施例１と同様の操作によりｎ−GaAs基板31上にｎ−
AlGaAsクラツド層32、膜厚50AのIn0.5Ga0.5As井戸層33
と膜厚100AのGaAs0.3Ｐ0.7障壁層34の５周期構造からな
る歪超格子層、ｐ−AlGaAsクラツド層35、ｎ−GaAs層36
を本発明の結晶成長装置により順次成長し、Zn拡散領域
37により電流通過領域38を形成し、ｐ電極39,n電極40を
形成した。
AlGaAsクラツド層32、膜厚50AのIn0.5Ga0.5As井戸層33
と膜厚100AのGaAs0.3Ｐ0.7障壁層34の５周期構造からな
る歪超格子層、ｐ−AlGaAsクラツド層35、ｎ−GaAs層36
を本発明の結晶成長装置により順次成長し、Zn拡散領域
37により電流通過領域38を形成し、ｐ電極39,n電極40を
形成した。
このレーザの特性を測定したところ、歪超格子構造の
効果を反映して、しきい値電流は約1mA、共振周波数は
光出力5mWで30GHzと従来の数倍の値が得られた。
効果を反映して、しきい値電流は約1mA、共振周波数は
光出力5mWで30GHzと従来の数倍の値が得られた。
（実施例３） 第４図は本発明を半導体光位相変調器に適用した場合
の説明図である。
の説明図である。
実施例１と同様の操作によりｎ−InP基板51上にｎ−I
nPバツフア層52、膜厚70AのIn0.8Ga0.2As井戸層53と膜
厚70AのInP障壁層54の７周期からなる歪超格子層、ｐ−
InPクラツド層55、ｐ−InGaAsPキヤツプ層56を本発明の
結晶成長装置により順次成長する。この時井戸層の歪量
は1.9％であつた。
nPバツフア層52、膜厚70AのIn0.8Ga0.2As井戸層53と膜
厚70AのInP障壁層54の７周期からなる歪超格子層、ｐ−
InPクラツド層55、ｐ−InGaAsPキヤツプ層56を本発明の
結晶成長装置により順次成長する。この時井戸層の歪量
は1.9％であつた。
次いでホトレジストマスクを用いて塩酸と硝酸の混合
液を用いてキヤツプ層56とクラツド層55を歪超格子層に
達するまで選択的にエツチングすることで第４図に示す
ようなリツジ構造を形成する。この後、SiO2膜57をCVD
法で形成し、コンタクトホールを形成した後、Znの拡散
領域58を形成する。次いで、ｎ型電極59とｐ型電極60を
形成した後、結晶の劈開法により光軸方向の長さを1mm
とし、双方の劈開面を無反射コーテイングした。この光
変調器の片端面より波長1.55μｍのレーザ光を入射させ
た時の伝搬損失は20dB/cm、注入電流30mAで２πの位相
制御が得られた。
液を用いてキヤツプ層56とクラツド層55を歪超格子層に
達するまで選択的にエツチングすることで第４図に示す
ようなリツジ構造を形成する。この後、SiO2膜57をCVD
法で形成し、コンタクトホールを形成した後、Znの拡散
領域58を形成する。次いで、ｎ型電極59とｐ型電極60を
形成した後、結晶の劈開法により光軸方向の長さを1mm
とし、双方の劈開面を無反射コーテイングした。この光
変調器の片端面より波長1.55μｍのレーザ光を入射させ
た時の伝搬損失は20dB/cm、注入電流30mAで２πの位相
制御が得られた。
本実施例では基板としてInP,GaAs、歪超格子の井戸層
と障壁層の組合せとしてInGaAs−InP,InGaAs−GaAsP層
を代表として述べたが、これらの基板、歪超格子の井戸
層と障壁層の組合せに限らず、SiやII−VI族の基板を用
いても良いし、量子井戸及び障壁層としてInGaAsP,InAs
P,AlGaAs,GaInAsSb,InGaAlAs,InGaAlPのいずれの組合せ
でも良いということはいうまでもない。また、結晶成長
の手段として他の分子ビームエピタキシー装置等を用い
てもよい。
と障壁層の組合せとしてInGaAs−InP,InGaAs−GaAsP層
を代表として述べたが、これらの基板、歪超格子の井戸
層と障壁層の組合せに限らず、SiやII−VI族の基板を用
いても良いし、量子井戸及び障壁層としてInGaAsP,InAs
P,AlGaAs,GaInAsSb,InGaAlAs,InGaAlPのいずれの組合せ
でも良いということはいうまでもない。また、結晶成長
の手段として他の分子ビームエピタキシー装置等を用い
てもよい。
以上詳細に説明したように、本発明によれば所望の歪
を持つた超格子構造を精度良く、かつ再現性良く形成で
きるため、従来の結晶成長装置では出来なかつた種々の
新しい光素子や電気素子が設計可能になる。
を持つた超格子構造を精度良く、かつ再現性良く形成で
きるため、従来の結晶成長装置では出来なかつた種々の
新しい光素子や電気素子が設計可能になる。
第１図は本発明の結晶成長装置の全体構成を示す模式
図、第２図は本発明の結晶成長装置におけるウエーハホ
ルダーを兼ねたベリリウム製Ｘ線透過窓の構造を示す三
面図、第３図、第４図は本発明の結晶成長装置によつて
形成された歪超格子構造応用素子の一例の断面図であ
る。 １……リアクタ、２……Ｘ線源、３……Ｘ線透過窓、４
……回折波透過窓、５……カウンター、６……ジヤイロ
機構、７……半導体結晶層、８……CPU制御系、９……
ガス制御系、10……ガス流制御板、11……ベリリウム線
Ｘ線透過窓、13……ウエーハホルダー、14……基板ホル
ダー、31……ｎ−GaAs基板、32……ｎ−AlGaAsクラツド
層、33……InGaAs井戸層、34……GaAsP障壁層、35……A
lGaAsクラツド層、36……ｎ−GaAs層、51……ｎ−InP基
板、52……ｎ−InPバツフア層、53……InGaAs井戸層、5
4……InP障壁層、55……ｐ−InPクラツド層、56……ｐ
−InGaAsPクラツド層。
図、第２図は本発明の結晶成長装置におけるウエーハホ
ルダーを兼ねたベリリウム製Ｘ線透過窓の構造を示す三
面図、第３図、第４図は本発明の結晶成長装置によつて
形成された歪超格子構造応用素子の一例の断面図であ
る。 １……リアクタ、２……Ｘ線源、３……Ｘ線透過窓、４
……回折波透過窓、５……カウンター、６……ジヤイロ
機構、７……半導体結晶層、８……CPU制御系、９……
ガス制御系、10……ガス流制御板、11……ベリリウム線
Ｘ線透過窓、13……ウエーハホルダー、14……基板ホル
ダー、31……ｎ−GaAs基板、32……ｎ−AlGaAsクラツド
層、33……InGaAs井戸層、34……GaAsP障壁層、35……A
lGaAsクラツド層、36……ｎ−GaAs層、51……ｎ−InP基
板、52……ｎ−InPバツフア層、53……InGaAs井戸層、5
4……InP障壁層、55……ｐ−InPクラツド層、56……ｐ
−InGaAsPクラツド層。
Claims (3)
- 【請求項１】ガス流制御板と該ガス流制御板に接続され
た基板ウエーハ治具を有する有機金属熱分解リアクタに
Ｘ線回折装置を組み込めて構成され、上記ガス流制御板
は上記基板ウエーハ治具のウエーハホルダー面に対向す
る領域を含み、上記ウエーハホルダー面対向領域にはＸ
線透過率の高い部分が形成され、且つ上記Ｘ線回折装置
は上記ウエーハホルダー面への照射Ｘ線と該ウエーハホ
ルダー面からの回折Ｘ線が上記Ｘ線透過率の高い部分を
透過するように設けられたことを特徴とする結晶成長装
置。 - 【請求項２】上記Ｘ線透過率の高い部分は、上記ガス流
制御板のウエーハホルダー面対向領域に２箇所形成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
結晶成長装置。 - 【請求項３】上記ガス流制御板の上記ウエーハホルダー
面対向領域は上記基板ウエーハ治具と一体に形成され、
且つ該基板ウエーハ治具は上記有機金属熱分解リアクタ
に対して交換可能に構成されていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項又は第２項に記載の結晶成長装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014923A JP2993691B2 (ja) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | 結晶成長装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014923A JP2993691B2 (ja) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | 結晶成長装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03220717A JPH03220717A (ja) | 1991-09-27 |
| JP2993691B2 true JP2993691B2 (ja) | 1999-12-20 |
Family
ID=11874481
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014923A Expired - Fee Related JP2993691B2 (ja) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | 結晶成長装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2993691B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0827573A (ja) * | 1994-07-18 | 1996-01-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 成膜方法 |
| JPH10209052A (ja) * | 1997-01-17 | 1998-08-07 | Sony Corp | 気相成長装置および気相成長方法 |
| JP6851045B2 (ja) * | 2017-01-17 | 2021-03-31 | 国立大学法人東海国立大学機構 | 気相成長装置 |
-
1990
- 1990-01-26 JP JP2014923A patent/JP2993691B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03220717A (ja) | 1991-09-27 |
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