JPH02129094A - 分子線エピタキシャル法によるグレーデッド層の成長方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、分子線エピタキシャル法により結晶をエピ
タキシャル成長させる方法に関するものであり、特に膜
厚方向に組成分布を持ったグレーデッド層を成長させる
方法に関するものである。

［従来の技術および発明が解決しようとする課題］たと
えば、Ａ　ｌｌｘ　Ｇａ　＋−ｘ　Ａ　Ｓのような組成
のグレーデッド層は、従来より分子線エピタキシャル法
によりエピタキシャル成長されている。この分子線エピ
タキシャル法は、超真空中で、加熱した基板上にグレー
デッド層を構成する各元素の分子線を別々に照射し、基
板上にグレーデッド層をエピタキシャル成長させる方法
である。上記のＡ痣ＸＧαＩ−ＸＡＳのグレーデッド層
を分子線エピタキシャル法で成長させる場合、Ａｌｌま
たはＧａのるつぼの温度をエピタキシャル成長中に変え
ることにより、Ａ（ＬおよびＧａの分子線強度比を変化
させて、グレーデッド層の厚み方向における組成を制御
していた。

しかしながら、このような従来のグレーデッド層の成長
方法では、るつぼの温度と分子線強度との関係が複雑で
あり、またるつぼの温度を精度良く変化させることが難
しく、厚み方向に所定の組成分布を有するように制御す
るのが困難であるという問題があった。特に、るつぼの
温度を急激に精度良く変化させることが難しいため、急
傾斜のグレーデッド層を成長させることができないとい
う問題があった。

この発明の目的は、成長中にるつぼの温度を変えること
なく、グレーデッド層の厚み方向の組成分布を精度よく
制御できる成長方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段および作用］この発明の成
長方法では、エピタキシャル成長中に、各分子線の基板
への入射角度を変えることにより、基板に入射する分子
線強度および分子線強度比を制御して厚み方向に所定の
組成分布を有するようにグレーデッド層を成長させるこ
とを特徴としている。

この発明において分子線の基板への入射角度を変える方
法は、たとえば基板を基板マニピュレータ等で保持して
、この基板マニピュレータにより基板を回転させて、る
つぼに対する傾斜角度を変化させてもよいし、あるいは
基板は動かさずにるつぼを移動させて分子線の入射角度
を変化させてもよい。

第１図は、この発明を具体的に説明するための装置を示
す概略断面図である。第１図において、基板１は基板マ
ニピュレータ２に保持されている。

基板マニピュレータ２は、矢印り方向および矢印Ｅ方向
に回転して傾斜角度を変化させることができるとともに
、矢印Ｃ方向に軸回転することができる。装置内には、
３カ所にるつぼ３、るつぼ４およびるつぼ５が配置され
ている。るつぼ３，４および５のそれぞれには、分子線
セルシャッタ７゜８および９が設けられている。また、
装置内のるつぼ３．４および５が設けられていない領域
には、液体窒素シュラウド６　ａ＋　　６　ｂ　＋　　
６　ｃおよび６ｄが設けられている。

基板マニピュレータ２を操作して、基板１を矢印り方向
または矢印Ｅ方向に回転することにより、それぞれのる
つぼ３．４および５から基板１に入射する分子線の角度
を変えることができ、これによって基板に入射する分子
線の強度および分子線の強度比を変化させることができ
る。このようにして、分子線強度および強度比を制御す
ることにより、成長させる結晶の厚み方向での組成分布
の制御が可能となる。

るつぼ３，４および５からの分子線が基板１表面に平行
かつ均一に入射すると仮定すると、基板ｌが第１図に示
すようにるつぼ３に対して角度α、るつぼ５に対して角
度βの位置にあるとき、基板１表面に入射する分子線Ａ
およびＢの強度比ＲＡ＋ｉｌは、以下の式で示される。

ＪＡ　（α）＋Ｊａ（β） ＝　　　ＦＡ　８１　ｎａ　　　　　、、、　（１）Ｆ
Ａ　　ｓ　ｉｎａ＋ＦＢ　　ｓ　ｉｎβ二こで、ＦＡは
、α−９０°のとき基板表面に入射する分子線Ａの強度
（個／ｃｍ２　・Ｓ）であり、Ｆａは、β−９０°のと
き基板表面に入射する分子線Ｂの強度（個／ｃｍ２　＊
ｓ）であり、ＪＡ（０Ｃ）は、基板とるつぼＡとの角度
がαのときの基板表面に入射する分子線Ａの強度であり
、Ｊ［１（β）は、基板とるつぼＢとの角度がβのとき
の基板表面に入射する分子線Ｂの強度を示している。

たとえば、Ａ、Ｂ、−ｘＣにおけるＡの組成ＸＡは、分
子線ＡおよびＢの付着係数をそれぞれｋＡｎｋ６とすれ
ば以下の（２）式で表わされる。

Ｘ＾−ｋＡＪ＾　（α）／　ｆｋＡＪＡ　　（α）＋ｋ
ａＪａ（β））　　　　　　　・・・（２）また、基板
の角度を変えることにより、成長速度Ｇ（μｍ／ｈ）も
変化する。成長中に、基板がα（ｔ）、β（１）および
（α＋β−１８０°−γ）に従って変化すれば、成長開
始ｔ、後におけるグレーデッド層の厚みＴと、混晶比Ｘ
Ａの関係は以下の式により求められる。

Ｔ（ｔ＋　）−ＪＧ　（ｔ）ｄｔ　　　　　　　　・・
・（３）ｋＡＦＡ　ｓｌｎ　α（ｔ＋　）＋ｋａ　　Ｆ
Ｂ　ｓｉｎβ（ｔ、） ・・・　（４） 上記の（３）および（４）式を用いて基板の角度を＠御
することにより、グレーデッド層の厚み方向の組成分布
を任意に制御しながら成長させることができる。

［実施例］ 第２図は、この発明の一実施例を説明するための図であ
る。この実施例では、Ａｕｘ　Ｇａ　＋−ｘ　ＡＳの成
長を例示して説明する。第２図に示すように、２０Ｘ２
０ｍｍの大きさのＧａＡｓ基板１１を、基板マニピュレ
ータ１２の上に取付は保持した。蒸発源の材料としては
、Ｇａ５ＡｓおよびＡＬを用いた。るつぼ１３にはＡｉ
を、るつぼ１４にはＡｓを、るつぼ１５にはＧａを入れ
た。るつぼ１３．１４および１５の開口部は、すべて直
径２０ｍｍの円形形状である。また、るつぼ１３゜１４
および１５と基板１１との距離は、２５０ｍｍとなるよ
うに設置されており、るつぼ１３からのＡＱ、分子線の
照射方向Ｘと、るつぼ１５からのＧａ分子線の照射方向
２とが、９０°の角度を保つようにるつぼ１３およびる
つぼ１５が配置されている。また、るつぼ１３とるつぼ
１５の中間にＡｓを入れたるつぼ１４が設けられている
。

第２図においては、Ａｌ１分子線の照射方向Ｘと、基板
１の成長面とがなす角度をθとし、エピタキシャル成長
中、基板マニピュレータ２を操作して、θ−１０°から
θ−８０°まで、１分間に１°の割合で基板１を回転さ
せた。その成長条件は以下のようにして行なった。

成長温度：６５０℃ 成長時間＝７０分 Ｇａ分子線強度：５Ｘ１０−’ＴｏｒｒＡｆＬ分子線強
度：　２．３Ｘ１０−　’　Ｔｏ　ｒ　ｒＡｓ分子線強
度：３ｘｌＯ−’　Ｔｏｒｒ基板面回転：２５回転／分 なお、分子線強度は、電離真空計を基板上の成長させる
位置に配置して測定したものである。

以上のようにして得られたグレーデッド層について、２
次イオン質量分析法により、厚み方向のＡｌｌの組成分
布を測定した。第３図にこの結果を示す。第３図におい
て、横軸はエピタキシャル層と基板界面からの距離（μ
ｍ）を示しており、縦軸は、ＡＱの組成Ｘを示している
。

第３図に示すように、この実施例で得られたグレーデッ
ド層は、一定の割合で厚み方向に沿ってＡ（の組成が変
化しており、所定の組成分布を有するグレーデッド層と
なっている。

第４図は、この発明に従い成長させたグレーデッド層の
一例における厚み方向の組成分布を示す図である。この
実施例では、第３図の実施例における方向とは逆方向に
基板を回転させており、ＡＬの組成分布の増減が逆にな
っている。

第５図は、この発明に従い成長させたグレーデッド層の
他の例における厚み方向の組成分布を示す図である。第
５図に示すように、界面から１μｍのあたりでＡｌの組
成が急激に変化している。

このように、この発明に従えば、組成分布を厚み方向に
急激に変化させることができる。

第６図は、この発明に従い成長させたグレーデッド層の
さらに他の例における厚み方向の組成分布を示す図であ
る。第６図に示されるように、この実施例で得られたグ
レーデッド層では、Ａｌｌの組成が厚み方向に繰返し増
減している。従来の方法では、るつぼの温度を変化させ
ることにより分子線強度を制御していたため、この第６
図に示すような組成分布のものを得ようとする場合、る
つぼを頻繁に加熱冷却する必要があり、技術的に非常に
困難であった。しかしながら、この発明では、るつぼに
対する基板の傾斜角度を変化させるのみで分子線強度の
制御を行なうことができるので、このような複雑な組成
分布を実現することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明の成長方法によれば、分
子線の基板への入射角度を変えることにより、分子線強
度および分子線強度比を制御しているので、グレーデッ
ド層の厚み方向の組成分布を精度良く制御することがで
き、従来では困難であった厚み方向の急激な組成の変化
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を具体的に説明するための装置を示
す概略断面図である。第２図は、この発明の一実施例を
説明するための図である。第３図は、この発明の一実施
例で得られたグレーデッド層の厚み方向の組成分布を示
す図である。第４図は、この発明に従い成長させたグレ
ーデッド層の一例における厚み方向の組成分布を示す図
である。 第５図は、この発明に従い成長させたグレーデッド層の
他の例における厚み方向の組成分布を示す図である。第
６図は、この発明に従い成長させたグレーデッド層のさ
らに他の例における厚み方向の組成分布を示す図である
。 図において、１は基板、２は基板マニピュレータ、３は
るつぼ、４はるつぼ、５はるつぼ、６ａ。 ６ｂ、６ｃ、６ｄは液体窒素シュラウド、７，８゜９は
分子線セルシャッタ、１は基板、２は基板マニピュレー
タ、１３は／ｌを入れたるつぼ、１４はＡｓを入れたる
つぼ、１５はＧａを入れたるつぼを示す。 ｌ：基板 ２：基板マニピュレータ ３．４．Ｓ：るつぼ ｆ６．　＆ｂ、　Ｇｔ＋　ｆｆｊ：液体Ｍ素シュラウド
７．８，９：分子線セルシャツタ 第３図 エピタキシャル層と基板界面からの距離（μｍ）第４図 エピタキシャル層と基板界面からの距１ｉ１１ｆ（μｍ
）第Ｓ図 エピタキシャル層と基板界面からの距離（μｍ）第 ６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）超高真空中で、加熱した基板に複数の元素の分子
   線を照射し前記基板に前記複数の元素から構成される膜
   厚方向に組成分布を持ったグレーデッド層をエピタキシ
   ャル成長させる方法において、 前記エピタキシャル成長中に前記各分子線の前記基板へ
   の入射角度を変えることにより、前記基板に入射する分
   子線強度および分子線強度比を制御して厚み方向に所定
   の組成分布を有するように前記グレーデッド層を成長さ
   せる、分子線エピタキシャル法によるグレーデッド層の
   成長方法。