JPH05117080A - 分子線結晶成長装置及び該装置を用いた分子線結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は分子線結晶成長装置及び該装置を用
いた分子線結晶成長方法に関し、分子線結晶成長法を適
用して結晶を成長している最中に於いても、放射型温度
計に依って正確な基板温度を測定できるようにする。 【構成】 基板ホルダ３１に保持される基板４１を見込
むことが可能な位置に配設された分子線源セル３２と、
分子線源セル３２と基板ホルダ３１との間の分子線源セ
ル３２を覆う位置に配設されて分子線源セル３２から基
板４１に向かう輻射を自在に遮断するチョッパ３７と、
基板４１の温度を測定する為に基板４１が発生する赤外
線が入射する位置に配設された放射型温度計３５と、放
射型温度計３５と接続され且つチョッパ３７が分子線源
セル３２からの輻射を遮断する周期と同期して検波を行
う位相検波増幅器３６とを備えてなるよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、任意の品質の結晶を制
御性良く成長するのに好適な分子線結晶成長装置及び該
装置を用いた分子線結晶成長方法に関する。

【０００２】一般に、分子線エピタキシ法は、超高真空
中におかれ、且つ、適切な温度に加熱された基板に対
し、高温に加熱された分子線源セルから所望の半導体結
晶を構成する為の元素を照射して結晶膜として成長させ
る真空蒸着法の一種と考えて良く、現在、それに依って
得られる半導体結晶膜は、実用上では問題がない程度に
品質が向上している。然しながら、場合に依って、半導
体としては品質が低いもの、例えば、高抵抗のものを意
図的に成長させたり、或いは、更に高品質のものを成長
させたりする制御を容易に行うことができるようにしな
ければならない。

【０００３】

【従来の技術】一般に、分子線エピタキシ法では、基板
に成長しつつある結晶の表面温度は大変重要なパラメー
タである。その理由は、分子線源セルから基板に到達し
た結晶構成原子或いは分子の基板表面に於ける動力学、
換言すると、マイグレーションの量が、そこでの温度に
依って決定されるからであり、この原子或いは分子の運
動が、成長させた結晶の品質を大きく左右することにな
る。

【０００４】通常、分子線エピタキシ法を実施する場
合、基板を不揮発性の高融点金属で作成されたブロック
に貼着し、その裏面に基板加熱ヒータを配置し、ブロッ
クと基板加熱ヒータとの間に設置された熱電対で基板の
大まかな温度を測定するようにしている。然しながら、
この方法では、真の基板表面温度を測定できないばかり
か、基板加熱ヒータとブロックとの間の距離、或いは、
熱電対の位置が僅か変化しても指示温度が大きく変化す
る旨の好ましくない現象が起こる。

【０００５】この熱電対を用いる手段に対し、比較的安
定で、且つ、基板表面温度を測定し得る従来の技術とし
て、赤外線パイロスコープと呼ばれる放射型温度計に依
る温度モニタの方法がある。

【０００６】図３は放射型温度計に依る温度モニタを行
う分子線結晶成長装置の要部説明図を表している。図に
於いて、２０は成長室、２１は基板ホルダ、２２は分子
線源セル、２３はシャッタ、２４は覗き窓、２５は放射
型温度計、２６は基板をそれぞれ示している。この装置
では、加熱された基板２６から熱放射される特定波長領
域の赤外線を覗き窓２４を介して放射型温度計２５で検
知し、光電効果を利用して電流に変換してから温度に換
算するようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図３について説明した
放射型温度計に依る温度モニタは、熱電対に比較すると
優れているが、この方法では、他の赤外線発生源から赤
外線が入射する場合に正確な温度測定を行うことができ
ない。

【０００８】図示された分子線結晶成長装置に於いて
は、成長室２０の中には結晶成長に必要な温度に加熱さ
れる基板２６が配置され、そして、基板２６に対向する
ような位置に分子線源セル２２が設置されている。結晶
成長時には、分子線源セル２２が高温に加熱されるの
で、かなり大きな熱源となる。成長室２０内は超高真空
になっていることから、伝導に依る熱の擾乱は無視する
ことができるのであるが、分子線源セル２２が高温に加
熱されることで発生した赤外線（図３の一点鎖線）は分
子ビーム（図３の破線）と同様に基板２６に到達する。
一般に、基板２６は鏡面になっているので、その鏡面で
反射した赤外線は覗き窓２４を介して放射型温度計２５
に入射し、従って、基板２６の真の温度を測定すること
はできない。そこで、結晶成長開始前、分子線源セル２
２と基板２６との間に位置するシャッタ２３が閉じてい
る間に基板２６の温度をモニタし、それを成長中の基板
温度であると見做している。

【０００９】ところで、近年、超高速半導体デバイスの
実用化に関する要求が強く、その要求に応える為には多
種多様な高品質半導体結晶が必要である。通常、このよ
うな半導体結晶は、様々な種類の半導体からなる薄膜を
組み合わせることで作られている。

【００１０】例えば、高電子移動度トランジスタ（ｈｉ
ｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
などからなるヘテロ接合を用いることが不可欠である
が、その電子移動度を決定する大きな因子になるＧａＡ
ｓ層に於ける残留不純物の量、即ち、結晶の品質は、そ
の結晶を成長させる際の温度に依存している。即ち、高
品質のＧａＡｓ結晶を制御性良く成長させる為には、成
長中の基板温度を検知し、その結果を基にして基板温度
の制御を行うことが必要である。然しながら、前記した
放射型温度計に依る方法に依った場合、結晶の成長開始
後は正しい温度モニタができない旨の欠点があり、最適
な基板温度の設定制御を行うことが不可能である。

【００１１】本発明は、分子線結晶成長法を適用して結
晶を成長している最中に於いても、放射型温度計に依っ
て正確な基板温度を測定できるようにする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理を説
明する為の分子線結晶成長装置を表す要部説明図であ
る。図に於いて、１は分子線結晶成長装置に於ける成長
室、２は基板ホルダ、３は分子線源セル、４はシャッ
タ、５は覗き窓、６は放射型温度計、７は位相検波増幅
器、８はチョッパ、９は基板をそれぞれ示している。

【００１３】この分子線結晶成長装置に依って結晶成長
を行う場合、シャッタ４を開き、結晶成長を開始した後
は、各分子線源セル３から基板９に向けて噴出される分
子線は一定の周期で動作するチョッパ８に依ってチョッ
ピングされる。ところで、この場合に於ける基板９の温
度モニタには、全く新しい手段が採られている。即ち、
基板温度をモニタする為の放射型温度計６が接続された
位相検波増幅器７は、その検波用参照信号をチョッパ８
から取り出し、そして、検波周波数をチョッピングの周
波数に設定してある。

【００１４】従って、位相検波増幅器７は、分子線源セ
ル３から基板９に向けて放射される赤外線がチョッパ８
に依って遮蔽された時のみ、基板９の表面から放射され
ている赤外線に対応した信号を選択的に増幅することに
なる。

【００１５】前記したところから、本発明に依る分子線
結晶成長装置及び該装置を用いた分子線結晶成長方法に
於いては、

【００１６】（１）成長室（例えば成長室３０）内の基
板ホルダ（例えば基板ホルダ３１）に保持される基板
（例えば基板４１）を見込むことが可能な位置に配設さ
れた分子線源セル（例えば分子線源セル３２）と、前記
分子線源セルと前記基板ホルダとの間の前記分子線源セ
ルを覆う位置に配設されて分子線源セルから基板に向か
う輻射を自在に遮断するチョッパ（例えばチョッパ３
７）と、前記基板の温度を測定する為に前記基板が発生
する赤外線が入射する位置に配設された放射型温度計
（例えば赤外線パイロスコープ３５）と、前記放射型温
度計と接続され且つ前記チョッパが前記分子線源セルか
らの輻射を遮断する周期と同期して検波を行う位相検波
増幅器（例えば位相検波増幅器３６）とを備えてなる
か、或いは、（２）成長室内の基板ホルダに保持される
基板を見込むことが可能な位置に配設された分子線源セ
ルと、前記分子線源セルの直前に配設されて分子線源セ
ルから基板に向かう分子線を自在に遮断するシャッタ
（例えばシャッタ３３）と、前記基板の温度を測定する
為に前記基板が発生する赤外線が入射する位置に配設さ
れた放射型温度計と、前記放射型温度計と接続され且つ
前記シャッタが前記分子線源セルからの分子線を遮断す
る周期と同期して検波を行う位相検波増幅器とを備えて
なるか、或いは、（３）成長室に配設された分子線源セ
ルからの分子線並びに輻射を遮断して基板に到達しない
状態を周期的に出現させ、その状態のときのみ検波を行
う位相検波増幅器に接続された放射型温度計で前記基板
の温度を測定し、その温度の測定結果に基づいて基板の
温度制御を行いつつ前記基板上に分子線結晶成長を行う
ことを特徴とするか、或いは、

【００１７】

【作用】前記手段を採ることに依り、分子線結晶成長
中、基板の温度、従って、結晶表面の温度は、分子線源
セルからの輻射が伝わらない状態で測定され、従って、
擾乱を受けることなく正確に測定することが可能であっ
て、分子線結晶成長中に制御すべき重要なパラメータで
ある基板の温度制御を良好に実施することができるから
希望通りの半導体結晶が得られ、特に、高品質のものは
勿論のこと、半導体として低品質である高抵抗をもつも
のなどを任意に成長することができる。

【００１８】図２は本発明一実施例を説明する為の分子
線結晶成長装置を表す要部説明図である。図に於いて、
３０は分子線結晶成長装置の成長室、３１は基板ホル
ダ、３２は分子線源セル、３３はシャッタ、３４は覗き
窓、３５は放射型温度計の一種である赤外線パイロスコ
ープ、３６は位相検波増幅器、３７はチョッパ、３８は
チョッパ３７を駆動するモータ、３９は信号線、４０は
参照信号線、４１は基板をそれぞれ示している。

【００１９】図示例に於いて、基板ホルダ３１は例えば
Ｍｏを材料として構成されたものである。分子線源セル
３２は、この場合、Ａｌ用セルかＧａ用セルであるとす
る。覗き窓３４は溶融石英を材料として構成されてい
る。赤外線パイロスコープ３５はＳｉを検出素子とし、
０．６〔μｍ〕乃至０．９〔μｍ〕の波長帯に感度をも
つもの、或いは、ＰｂＳを検出素子とし、２〔μｍ〕の
波長帯に感度をもつものである。位相検波増幅器３６は
所謂ロック・イン・アンプと呼ばれているものである。
チョッパ３７は回転可能な半円状の板で構成されてい
る。基板４１はＧａＡｓ基板であるとする。尚、チョッ
パ３７は、要は、分子線源セル３２を周期的に覆うこと
ができれば良いので、カメラのシャッタのようなものを
周期的に開閉するようにしても良い。

【００２０】今、ＧａＡｓ基板４１上にＡｌＧａＡｓ結
晶層を成長させる場合について説明する。初期の段階で
は、低温で分子線を発生するＡｓ分子線源セル３２から
のＡｓ分子線を照射しながら基板４１を加熱する。その
際、より高い温度でないと分子線を発生しないＡｌ分子
線源セル３２やＧａ分子線源セル３２に於ける各シャッ
タ３３は閉じられている。従って、赤外線パイロスコー
プ３５には、基板４１の表面から放射される赤外線が殆
ど擾乱を受けることなく到達する。各シャッタ３３を開
いて成長を開始した場合、連続的に回転する半円状の板
であるチョッパ３７は分子線源セル３２から噴出する分
子線を周期的に遮断する働きをする。従って、チョッパ
３７が開放されている時は成長に必要な分子線が通過
し、閉成されている時は温度モニタの邪魔になる分子線
源セル３２からの赤外線が遮断される。基板４１に供給
される分子線が周期的に遮断されても、結晶の成長には
何ら支障がなく、また、結晶の品質に悪影響を及ぼさな
いことが実験的に確認されている。

【００２１】赤外線パイロスコープ３５に接続された位
相検波増幅器３６に於いては、チョッパ３７が分子線源
セル３２を覆っている状態のときのみ基板４１からの赤
外線を検出できるようにする為、その検波周波数をチョ
ッパ３７が回転して分子線源セル３２を覆う周期と同じ
になるよう設定した。

【００２２】このようにして、ＧａＡｓ基板４１の温度
は殆ど擾乱を受けることなく正確に測定され、ＧａＡｓ
基板４１自体の温度制御は良好に行われた。その結果、
得られたＡｌＧａＡｓ層の品質は大変良好なものであっ
た。

【００２３】前記実施例に於いては、分子線源セル３２
からの輻射を遮断するのにチョッパ３７を用いている
が、場合に依って、その作用をシャッタ３３に行わせる
ことができる。但し、そのようにすると、成長させるべ
き結晶の如何に依って、基板温度の測定に或る程度の擾
乱が入ることは免れない。その理由は、例えば、成長さ
せる結晶の構成材料にＡｓが含まれる場合、Ａｓ用分子
線源セルは、成長開始前からシャッタを開き、成長中は
勿論のこと、殆どの場合、シャッタを閉じることはない
から、Ａｓ用分子線源セルからの輻射のみは擾乱源とな
ってしまうことによる。

【００２４】

【発明の効果】本発明に依る分子線結晶成長装置及び該
装置を用いた分子線結晶成長方法に於いては、基板ホル
ダに保持される基板を見込むことが可能な位置に分子線
源セルを配設し、その分子線源セルを覆う位置にチョッ
パ或いはシャッタを配設して分子線源セルから基板に向
かう輻射を自在に遮断できるようにし、また、基板が発
生する赤外線が入射する位置に放射型温度計を配設し、
その放射型温度計に位相検波増幅器を接続してチョッパ
やシャッタが分子線源セルからの輻射を遮断する周期と
同期して検波を行うようにしている。

【００２５】前記構成を採ることに依り、分子線結晶成
長中、基板の温度、従って、結晶表面の温度は、分子線
源セルからの輻射が伝わらない状態で測定され、従っ
て、擾乱を受けることなく正確に測定することが可能で
あって、分子線結晶成長中に制御すべき重要なパラメー
タである基板の温度制御を良好に実施することができる
から希望通りの半導体結晶が得られ、特に、高品質のも
のは勿論のこと、半導体として低品質である高抵抗をも
つものなどを任意に成長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する為の分子線結晶成長装
置を表す要部説明図である。

【図２】本発明一実施例を説明する為の分子線結晶成長
装置を表す要部説明図である。

【図３】放射型温度計に依る温度モニタを行う分子線結
晶成長装置の要部説明図である。

【符号の説明】

１ 分子線結晶成長装置に於ける成長室 ２ 基板ホルダ ３ 分子線源セル ４ シャッタ ５ 覗き窓 ６ 放射型温度計 ７ 位相検波増幅器 ８ チョッパ ９ 基板 ３０ 分子線結晶成長装置の成長室 ３１ 基板ホルダ ３２ 分子線源セル ３３ シャッタ ３４ 覗き窓 ３５ 放射型温度計の一種である赤外線パイロスコープ ３６ 位相検波増幅器 ３７ チョッパ ３８ チョッパ３７を駆動するモータ ３９ 信号線 ４０ 参照信号線 ４１ 基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】成長室内の基板ホルダに保持される基板を
   見込むことが可能な位置に配設された分子線源セルと、 前記分子線源セルと前記基板ホルダとの間の前記分子線
   源セルを覆う位置に配設されて分子線源セルから基板に
   向かう輻射を自在に遮断するチョッパと、 前記基板の温度を測定する為に前記基板が発生する赤外
   線が入射する位置に配設された放射型温度計と、 前記放射型温度計と接続され且つ前記チョッパが前記分
   子線源セルからの輻射を遮断する周期と同期して検波を
   行う位相検波増幅器とを備えてなることを特徴とする分
   子線結晶成長装置。
2. 【請求項２】成長室内の基板ホルダに保持される基板を
   見込むことが可能な位置に配設された分子線源セルと、 前記分子線源セルの直前に配設されて分子線源セルから
   基板に向かう分子線を自在に遮断するシャッタと、 前記基板の温度を測定する為に前記基板が発生する赤外
   線が入射する位置に配設された放射型温度計と、 前記放射型温度計と接続され且つ前記シャッタが前記分
   子線源セルからの分子線を遮断する周期と同期して検波
   を行う位相検波増幅器とを備えてなることを特徴とする
   分子線結晶成長装置。
3. 【請求項３】成長室に配設された分子線源セルからの分
   子線並びに輻射を遮断して基板に到達しない状態を周期
   的に出現させ、 その状態のときのみ検波を行う位相検波増幅器に接続さ
   れた放射型温度計で前記基板の温度を測定し、 その温度の測定結果に基づいて基板の温度制御を行いつ
   つ前記基板上に分子線結晶成長を行うことを特徴とする
   分子線結晶成長方法。