JPH0710931U - Radical cell and molecular beam epitaxy system - Google Patents

Radical cell and molecular beam epitaxy system

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JPH0710931U
JPH0710931U JP4222193U JP4222193U JPH0710931U JP H0710931 U JPH0710931 U JP H0710931U JP 4222193 U JP4222193 U JP 4222193U JP 4222193 U JP4222193 U JP 4222193U JP H0710931 U JPH0710931 U JP H0710931U
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pressure
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molecular beam
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佳孝 瀬戸口
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 分子線エピタキシ−法において、ZnSeな
どII−VI族化合物半導体に窒素をド−プするために、窒
素ラジカルにして成長中の結晶に当てる。ラジカルセル
の出口は小さいオリフィスになっている。真空チャンバ
は高真空に、ラジカルセルは低真空であるので、オリフ
ィスにより差圧を維持している。この場合真空チャンバ
の圧力変動などにより、ラジカルセルの圧力が変わりラ
ジカル生成量も変動する。すると窒素のド−プ量が変化
してしまう。これを防ぐことが目的である。 【構成】 ラジカルセル10の入口側と出口側にバルブ
2,6を設ける。出口側のバルブ6は、真空チャンバ7
内の高真空と、セル内の低真空の差圧を維持する作用も
ある。ラジカルセルの圧力を測定して圧力が一定になる
ように、出口側のバルブ開度を調整する。
(57) [Summary] (Modified) [Objective] In the molecular beam epitaxy method, in order to dope nitrogen to a II-VI group compound semiconductor such as ZnSe, nitrogen radicals are applied to the growing crystal. The exit of the radical cell is a small orifice. Since the vacuum chamber has a high vacuum and the radical cell has a low vacuum, the differential pressure is maintained by the orifice. In this case, the pressure of the radical cell changes due to the pressure variation of the vacuum chamber, and the radical production amount also varies. Then, the doping amount of nitrogen changes. The purpose is to prevent this. [Configuration] Valves 2 and 6 are provided on the inlet side and the outlet side of the radical cell 10. The valve 6 on the outlet side is a vacuum chamber 7
It also acts to maintain the differential pressure between the high vacuum inside and the low vacuum inside the cell. The pressure of the radical cell is measured and the valve opening on the outlet side is adjusted so that the pressure becomes constant.

Description

【考案の詳細な説明】[Detailed description of the device]

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】[Industrial applications]

この考案は、分子線エピタキシ−で用いられ、窒素ガスをラジカルにするラジ カルセルに関する。分子線エピタキシ−装置は、超高真空に引いたチャンバ内で 、加熱した基板に原料の分子線を当てて基板上に薄膜結晶を成長させるものであ る。超高真空であるから分子の平均自由工程が長くセルから直進して基板に至る 分子線となる。 The present invention relates to a radical cell used in molecular beam epitaxy and using nitrogen gas as a radical. The molecular beam epitaxy apparatus is to grow a thin film crystal on a substrate by applying a molecular beam of a raw material to a heated substrate in a chamber evacuated to an ultrahigh vacuum. Since it is an ultra-high vacuum, the mean free path of the molecule is long and the molecular beam goes straight from the cell to the substrate.

【0002】 原料が固体の場合は、分子線セルのるつぼに入れておき、ヒ−タで加熱して蒸 発または昇華させて分子線を形成する。分子線セルはるつぼ、ヒ−タ、リフレク タ、シャッタなどを含む。原料が気体の場合は、ガスソ−スセルを用いる。装置 の外にガスボンベがあり、これからガスを超高真空チャンバ内部に導入する。ガ スソ−スセルにもやはりるつぼとヒ−タ、リフレクタなどがありヒ−タによりガ スを加熱し運動エネルギ−を与える。るつぼの上方は小さい開口を持ち、セル側 の圧力と、チャンバ内の圧力の差を維持するようになっている。When the raw material is a solid, it is placed in a crucible of a molecular beam cell and heated with a heater to be vaporized or sublimated to form a molecular beam. Molecular beam cells include crucibles, heaters, reflectors, shutters and the like. When the raw material is gas, a gas source cell is used. There is a gas cylinder outside the equipment, from which gas is introduced into the ultra-high vacuum chamber. The gas source cell also has a crucible, a heater, and a reflector, and the heater heats the gas to give kinetic energy. A small opening is provided above the crucible to maintain the difference between the pressure on the cell side and the pressure in the chamber.

【0003】[0003]

【従来の技術】[Prior art]

分子線エピタキシ−法は、III-V族化合物半導体薄膜、Si半導体薄膜の形成 、誘電体膜など多くの種類の物質の薄膜の形成に用いることができる。ここでは II−VI族半導体、例えばZnSeのエピタキシャル成長膜に窒素をド−プするこ とができるようにした分子線エピタキシ−装置に関する。ZnSeは青色発光素 子の材料として重要である。半導体発光素子は、発光ダイオ−ドと半導体レ−ザ がある。赤外、赤色、黄色、緑色などの発光素子は既にある。青色を発生する素 子への要求が古くからあるが、未だ充分な性能のものが得られていない。青色発 光素子はバンドギャップの広い半導体結晶を用いてpn接合を形成しなければな らない。 The molecular beam epitaxy method can be used for forming III-V compound semiconductor thin films, Si semiconductor thin films, and thin films of many kinds of substances such as dielectric films. The present invention relates to a molecular beam epitaxy apparatus capable of doping nitrogen into an epitaxial growth film of a II-VI group semiconductor, for example, ZnSe. ZnSe is important as a material for blue light emitting elements. The semiconductor light emitting device includes a light emitting diode and a semiconductor laser. Infrared, red, yellow, green, etc. light emitting elements already exist. There has been a long-standing demand for elements that generate blue color, but sufficient performance has not yet been obtained. The blue light emitting element must form a pn junction using a semiconductor crystal with a wide band gap.

【0004】 青色発光素子の材料としてはバンドギャップが広いことが必要である。この他 に、直接遷移型である、pn接合が容易にできる、大型の基板が得易いこと、デ バイスプロセスが容易であることなどが要求される。このような条件を全て満足 する材料は今のところ存在しない。いずれかの条件を満たすものとして、GaN 、SiC、ZnSe、ZnS、GaAlN、ZnSSeなどがある。A wide band gap is required as a material for a blue light emitting element. In addition, it is required to be a direct transition type, to facilitate pn junction, to easily obtain a large-sized substrate, and to facilitate the device process. There is currently no material that satisfies all of these conditions. GaN, SiC, ZnSe, ZnS, GaAlN, ZnSSe and the like satisfy any of the conditions.

【0005】 本発明で対象にするのはII−VI族化合物半導体である。例えばZnSeである がこれはバンドギャップが2.7eVであり直接遷移型の半導体である。しかし これは大きい単結晶基板ができない、p型ができないなどの困難があった。Zn Se単結晶基板の作成は、高圧ブリッジマン、昇華法、ヨウ素輸送法、溶液成長 法、パイパ−法など多くの方法が試みられている。ZnSeは高圧を掛けなけれ ば高温で昇華してしまうので、融液とするのが難しく、単結晶基板の形成は未だ 成功を納めていない。The subject matter of the present invention is a II-VI group compound semiconductor. For example, ZnSe is a direct transition type semiconductor having a band gap of 2.7 eV. However, this has a problem that a large single crystal substrate cannot be formed and a p-type cannot be formed. Many methods such as a high-pressure Bridgman method, a sublimation method, an iodine transport method, a solution growth method, and a piper method have been tried for producing a ZnSe single crystal substrate. Since ZnSe sublimes at high temperature unless high pressure is applied, it is difficult to form a melt, and the formation of a single crystal substrate has not yet been successful.

【0006】 そこで、GaAsを基板に用いて、ZnSe薄膜をこの上にヘテロエピタキシ ャル成長させることが試みられる。基板の問題はこれで一応回避される。しかし 発光素子とするにはpn接合を作る必要がある。このためにはn型の結晶と、p 型の結晶を作らなければならない。ところが伝導型の制御が難しい。Therefore, it is attempted to use GaAs as a substrate and heteroepitaxially grow a ZnSe thin film thereon. The board problem is now avoided. However, it is necessary to form a pn junction to form a light emitting device. For this purpose, n-type crystals and p-type crystals must be produced. However, it is difficult to control the conduction type.

【0007】 p型、n型いずれの伝導型の結晶を作るのも難しい。ノンド−プの場合n型に なる。しかしキャリヤ密度が極めて小さい。従来ZnSeのn型不純物としては 、Al、Ga、Inなどが知られていた。しかしこれらの不純物はド−プ量を上 げると却ってn型キャリヤ密度が低下する。1017cm-3が最大のn型キャリヤ 密度であった。このように低濃度であると順方向の抵抗が大きく、発光素子のp n接合としては不十分である。It is difficult to produce a p-type or n-type conduction type crystal. In the case of non-dope, it becomes n-type. However, the carrier density is extremely low. Conventionally, Al, Ga, In, etc. have been known as n-type impurities of ZnSe. However, these impurities rather decrease the n-type carrier density when the doping amount is increased. The maximum n-type carrier density was 10 17 cm -3 . When the concentration is low as described above, the resistance in the forward direction is large, which is insufficient as a pn junction of the light emitting element.

【0008】 しかしもっと難しいのはp型のZnSe結晶を作ることである。まず何がp型 ド−パントになるのかということについて疑問があった。Na、Liなどがp型 のド−パントになるという説もあり、その試みもある。MBE(分子線エピタキ シ−)によってZnSeを成長させる試みもある。p型のド−パントとして様々 なものが試みられるがp型のものは得られなかった。However, more difficult is to make a p-type ZnSe crystal. First of all, I wondered what would become a p-type dopant. There is a theory that Na, Li, etc. become p-type dopants, and there is an attempt to do so. There is also an attempt to grow ZnSe by MBE (Molecular Beam Epitaxy). Various p-type dopants have been tried, but no p-type dopant has been obtained.

【0009】 西澤らはLiをド−プしたp型のZnSe結晶を蒸気圧制御温度差法で製作し たと発表した。これは薄膜ではなくて、バルク結晶である。 J.Nishizawa, K.Itoh, Y.Okuno and F.Sakurai: J.Appl.Phys.57,2210(1985) しかしLiド−プのZnSeの製作は難しく再現性に乏しい。またp型不純物の キャリヤ密度が低い。8×1016cm-3以上にはならない。それにLiはZnS e中で拡散しやすく、pn接合の特性が一定しない。Nishizawa et al. Announced that they manufactured a p-type ZnSe crystal doped with Li by the vapor pressure controlled temperature difference method. This is not a thin film, but a bulk crystal. J. Nishizawa, K. Itoh, Y. Okuno and F. Sakurai: J. Appl. Phys. 57, 2210 (1985) However, the production of Li-doped ZnSe is difficult and reproducible. In addition, the carrier density of p-type impurities is low. It does not exceed 8 × 10 16 cm -3 . In addition, Li easily diffuses in ZnSe, and the characteristics of the pn junction are not constant.

【0010】 MIGITA等は、分子線エピタキシ−法で、GaAs基板の上に、窒素をド −パントとしてp型のZnSe薄膜を成長させたと言っている。 M.MIGITA, A.TAIKE, M.SHIIKI & H.YAMAMOTO; "p-type conduction of ZnSe Hig hly Doped With Nitrogen by Metalorganic Molecular Beam Epitaxy", J.Cryst al Growth 101(1990) 835-840MIGITA et al. Say that a p-type ZnSe thin film was grown on a GaAs substrate using nitrogen as a dopant by a molecular beam epitaxy method. M.MIGITA, A.TAIKE, M.SHIIKI &H.YAMAMOTO; "p-type conduction of ZnSe Hig hly Doped With Nitrogen by Metalorganic Molecular Beam Epitaxy", J. Cryst al Growth 101 (1990) 835-840

【0011】 これは分子線エピタキシャル成長法である。Znの原料としては、ジメチルZ n(DMZ)、セレンの原料としては水素化セレンH2 Seを使う。これらは通 常の分子線セルに入れるのではなく、ガスソ−スセルから分子線エピタキシャル 装置の内部へ導入する。窒素はNH3 ガスの形でやはりガスソ−スセルから導入 する。基板はGaAsである。これをサセプタにおいて、250℃〜450℃に 加熱し、1〜4×10-5Torrで気相成長させたとある。これはp型のZnS eであって、温度が450℃程度でキャリヤ密度が1018cm-3であると言って いる。しかしながら、300℃では1013cm-3である。これによりp型のZn Seが得られたとしている。This is a molecular beam epitaxial growth method. Dimethyl Zn (DMZ) is used as a Zn raw material, and hydrogenated selenium H 2 Se is used as a selenium raw material. These are not put into a usual molecular beam cell, but are introduced into the inside of a molecular beam epitaxial device from a gas source cell. Nitrogen is also introduced from the gas source cell in the form of NH 3 gas. The substrate is GaAs. It is said that this was heated in a susceptor to 250 ° C. to 450 ° C. and vapor-phase grown at 1 to 4 × 10 −5 Torr. This is p-type ZnSe, which is said to have a carrier density of 10 18 cm -3 at a temperature of about 450 ° C. However, it is 10 13 cm −3 at 300 ° C. As a result, p-type ZnSe is obtained.

【0012】 しかしながらこの方法は再現性が良くなくて追試によってそれだけの特性がで ない。またp型といってもキャリヤ密度が小さすぎるという難点がある。窒素が p型のド−パントとして機能するとしても、ZnSe薄膜の内部にまで充分に入 らないのであろう。このためにp型キャリヤの密度が小さ過ぎるのであろう。However, this method does not have good reproducibility and does not have such characteristics due to additional tests. Further, even though it is a p-type, there is a problem that the carrier density is too low. Even if nitrogen functions as a p-type dopant, it may not sufficiently penetrate into the ZnSe thin film. For this reason, the density of the p-type carrier may be too low.

【0013】 その後n型の不純物として塩素が有効であることが見い出された。この発見の 後、塩素がn型不純物として用いられるようになった。これは塩化亜鉛(ZnC l2 )を原料とする。塩素ド−プZnSeは分子線エピタキシ−法で作ることも できる。GaAs基板に、Zn、Se、ZnCl2 の分子線セルを同時に照射す るのである。 K.Ohkawa, T.Mitsuyu and O.Yamazaki: Ext.Abstr.18th Conf. Solid State Dev ices and Materials,Tokyo,1986,p635Subsequently, it was found that chlorine is effective as an n-type impurity. After this discovery, chlorine was used as an n-type impurity. This uses zinc chloride (ZnCl 2 ) as a raw material. Chlorine doped ZnSe can also be made by the molecular beam epitaxy method. The GaAs substrate is simultaneously irradiated with a molecular beam cell of Zn, Se and ZnCl 2 . K. Ohkawa, T. Mitsuyu and O. Yamazaki: Ext. Abstr. 18th Conf. Solid State Dev ices and Materials, Tokyo, 1986, p635

【0014】 塩素をn型不純物として用いると1019cm-3程度のキャリヤ密度を実現でき る。Gaド−プの場合よりもキャリヤ密度が1桁近く改善される。When chlorine is used as an n-type impurity, a carrier density of about 10 19 cm −3 can be realized. The carrier density is improved by an order of magnitude as compared with the case of Ga-dope.

【0015】 先述のように、p型の不純物としては窒素が検討されてきた。しかし窒素はZ nSe結晶の中へ入って行き難い。液相エピタキシ−、MOCVD法、MBE法 などによる、窒素のZnSeへのド−プがいろいろと試みられていたが、いずれ も窒素をZnSe中へ導入することが出来なかった。窒素はZnSeの中に入ら ずp型の不純物とならなかったのである。As described above, nitrogen has been studied as a p-type impurity. However, nitrogen is difficult to enter into the ZnSe crystal. Although various attempts have been made to dope nitrogen into ZnSe by liquid phase epitaxy, MOCVD method, MBE method, etc., none of them could introduce nitrogen into ZnSe. Nitrogen did not enter ZnSe and did not become a p-type impurity.

【0016】 ところが、大川等は、窒素をラジカルとしてZnSeにド−プするラジカルド −ピング法を提案した。これは窒素ガスを放電により活性窒素とし、分子線とし て、Znの分子線や、Seの分子線とともに基板に当てる方法である。 K.Ohkawa, T.Karasawa and T.Mitsuyu: 6th Int.Conf.Molecular Beam Epitaxy, San Diego, 1990,PIII-21,J.Cryst.Growth 117,375(1991) K.Ohkawa, A.Tsujimura, S.Hayashi, S.Yoshii and T.Mitsuyu: Ext.Abstr.1992 Int. Conf. Solid State Devices and Materials,Tsukuba, 1992 p.330 こうして塩素をn型、窒素をp型として、分子線エピタキシ−法でZnSeのp n接合ができるようになった。However, Okawa et al. Proposed a radical doping method in which nitrogen is used as a radical to dope ZnSe. This is a method in which nitrogen gas is turned into active nitrogen by electric discharge, and a molecular beam is applied to the substrate together with a Zn molecular beam and a Se molecular beam. K.Ohkawa, T.Karasawa and T.Mitsuyu: 6th Int.Conf.Molecular Beam Epitaxy, San Diego, 1990, PIII-21, J.Cryst.Growth 117,375 (1991) K.Ohkawa, A.Tsujimura, S.Hayashi , S. Yoshii and T. Mitsuyu: Ext.Abstr.1992 Int. Conf. Solid State Devices and Materials, Tsukuba, 1992 p.330 Thus, with chlorine as n-type and nitrogen as p-type, ZnSe of the molecular beam epitaxy method was used. A pn junction is now available.

【0017】[0017]

【考案が解決しようとする課題】 分子線エピタキシ−装置にラジカルセルを取り付けて窒素をラジカル線にして GaAs基板に照射し、窒素ド−プのZnSe薄膜を成長させるのであるが、大 川らの提案しているラジカルセルにはなお安定性において問題があって、時間的 に窒素のド−プ量が変動する。つまり薄膜の厚み方向のp型キャリヤ濃度の揺ら ぎが大きいということである。A radical cell was attached to a molecular beam epitaxy apparatus, and nitrogen was used as a radical beam to irradiate a GaAs substrate to grow a ZnSe thin film of nitrogen doping. The proposed radical cell still has a problem in stability, and the nitrogen doping amount fluctuates with time. That is, the fluctuation of the p-type carrier concentration in the thickness direction of the thin film is large.

【0018】 図2に分子線エピタキシ−装置に取り付けられるラジカルセルの構造を示す。 セル本体1は円筒状の容器であり、パイプ11を介してガスボンベ(図示せず) につながっている。パイプ11の途中には、窒素ガス量を制御するためのバルブ 2が設けられる。セル本体1の外周にはRFコイル3が設けられる。これに高周 波が印加されて、セル本体の内部に高周波電磁界を発生させる。これによってガ スが励起されてプラズマ状態になる。プラズマ4は、窒素のイオン、中性活性種 、電子などの集合である。FIG. 2 shows the structure of a radical cell attached to a molecular beam epitaxy apparatus. The cell body 1 is a cylindrical container, and is connected to a gas cylinder (not shown) via a pipe 11. A valve 2 for controlling the amount of nitrogen gas is provided in the middle of the pipe 11. An RF coil 3 is provided on the outer periphery of the cell body 1. A high frequency is applied to this to generate a high frequency electromagnetic field inside the cell body. As a result, the gas is excited and enters a plasma state. The plasma 4 is a collection of nitrogen ions, neutral active species, electrons and the like.

【0019】 セル本体の上頂部には小さいオリフィス8が開口している。オリフィス8から 窒素のラジカルやイオンが超高真空チャンバの内部に入る。ラジカルは、平均自 由工程が長いので直進するラジカル線となる。この構造であると、セル本体が、 チャンバ内部のセル取付部に固定され、RFコイルは、チャンバ内部に存在する 。バルブ2はチャンバの外にあり、外から操作できる。プラズマが生成されるセ ル本体がチャンバの内部に存在する。A small orifice 8 opens at the top of the cell body. Nitrogen radicals and ions enter the ultra-high vacuum chamber through the orifice 8. The radical is a radical ray that travels straight because the mean free process is long. With this structure, the cell body is fixed to the cell attachment portion inside the chamber, and the RF coil exists inside the chamber. The valve 2 is outside the chamber and can be operated from outside. The cell body in which plasma is generated is inside the chamber.

【0020】 分子線エピタキシ−装置で結晶成長を行う場合、固体ソ−スで10-8〜10-9 Torr、ガスソ−スでもこれに近い高真空での成長となる。ラジカルセルでは ラジカルを生成するために高周波グロ−放電を維持しなければならない。高周波 グロ−放電を維持するためには、10-1〜10-2Torr程度の低い真空度が好 ましい。セルが低真空、チャンバが高真空であり、圧力差が大きい。差圧を保持 するために、セルの先端を小さいオリフィス8にしている。差動排気して両者の 圧力差を保つようにしている。When a crystal is grown by a molecular beam epitaxy apparatus, a solid source is 10 −8 to 10 −9 Torr, and a gas source is also grown in a high vacuum close to this. In a radical cell, a high frequency glow discharge must be maintained in order to generate radicals. In order to maintain high frequency glow discharge, a low vacuum degree of about 10 -1 to 10 -2 Torr is preferable. The cell has a low vacuum, the chamber has a high vacuum, and the pressure difference is large. In order to maintain the differential pressure, the tip of the cell has a small orifice 8. Differential pressure is exhausted to maintain the pressure difference between the two.

【0021】 しかし、エピタキシャル成長時にチャンバ内の圧力が変動する。また窒素ガス の流量の変化に伴ってセル内のプラズマの状態が変化する。プラズマ状態変化に より、ZnSe中にド−プされる窒素ド−パントの量が変動する。ために結晶の 電気的特性にばらつきが生じる。結晶成長の再現性にも問題があった。However, the pressure in the chamber fluctuates during epitaxial growth. In addition, the state of plasma in the cell changes as the flow rate of nitrogen gas changes. The amount of nitrogen dopant that is doped into ZnSe varies depending on the change in plasma state. Therefore, the electrical characteristics of the crystal vary. There was also a problem in reproducibility of crystal growth.

【0022】 これはラジカルセルの先端にあるオリフィスの開度を、チャンバ内の圧力変動 によって調整できないことに一つの原因がある。もうひとつは、ラジカルセル内 部の圧力を一定に維持するのが難しいことに原因がある。This is due in part to the fact that the opening of the orifice at the tip of the radical cell cannot be adjusted by the pressure fluctuation in the chamber. Another reason is that it is difficult to maintain a constant pressure inside the radical cell.

【0023】 ラジカルセルでの窒素のラジカルの生成を安定化させて、ZnSe結晶に含ま れるド−パント量を一定に制御し、安定した品質の薄膜結晶を製造できるように することが本考案の目的である。さらに繰り返し成長によっても条件が変わらず 再現性の高い窒素ド−プ薄膜結晶成長を可能にするのが本考案の第2の目的であ る。It is desirable to stabilize the generation of nitrogen radicals in the radical cell and control the amount of dopant contained in the ZnSe crystal to a constant level so that a thin film crystal of stable quality can be manufactured. Is the purpose. Further, the second object of the present invention is to enable the nitrogen-doped thin film crystal growth with high reproducibility without changing the conditions by repeated growth.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

本考案のラジカルセルは、ラジカルセルと分子線エピタキシ−装置の間のパイ プの部分を長くし、パイプ部分に圧力調整バルブを設け、セル本体には圧力計を 設ける。圧力計の信号をフィ−ドバックして、圧力調整バルブの開度を自動調整 しラジカルセル内の圧力を一定に保持する。つまり、ラジカルセルの圧力をモニ タする点と、セル圧力を制御する点で従来のものと異なる。 In the radical cell of the present invention, the portion of the pipe between the radical cell and the molecular beam epitaxy device is lengthened, a pressure adjusting valve is provided in the pipe portion, and a pressure gauge is provided in the cell body. The pressure gauge signal is fed back to automatically adjust the opening of the pressure control valve to keep the pressure inside the radical cell constant. That is, it differs from the conventional one in that the pressure of the radical cell is monitored and the cell pressure is controlled.

【0025】[0025]

【作用】[Action]

ラジカルセルのオリフィスの代わりに圧力調整バルブを設けており、これによ り、チャンバとセルの圧力差を維持できる。オリフィスのように開度の調整が不 可能であると、チャンバ内圧力変動の影響がセルに及ぶ。しかし本考案ではバル ブにしているから、チャンバ内の圧力変動があっても、セルの圧力は自在に制御 できる。プラズマ生成量は、ガスの供給量、温度、高周波電力、ガス圧力などの 函数であるが、セルの前後にバルブがあるので、ガス供給量だけでなく、ガス圧 力も制御できる。 A pressure regulating valve is provided instead of the orifice of the radical cell, which can maintain the pressure difference between the chamber and the cell. If the opening cannot be adjusted like an orifice, the effect of pressure fluctuations in the chamber affects the cell. However, in the present invention, since the valve is used, the cell pressure can be controlled freely even if the pressure in the chamber fluctuates. The amount of plasma generated is a function of gas supply amount, temperature, high frequency power, gas pressure, etc. However, since there are valves before and after the cell, not only the gas supply amount but also the gas pressure can be controlled.

【0026】 本考案ではセル内の圧力をモニタしており、圧力が変動するとこれを元に戻す ように、圧力調整バルブの開度を変更する。こうしてチャンバ内の圧力変動など があってもセル内の圧力を一定に保つことができる。すると、ラジカル生成量が 時間的に一定し、結晶薄膜に取り込まれるド−パントの量が安定する。p型キャ リヤの均一な薄膜結晶を成長させることができる。また製品間のド−パント濃度 のばらつきの少ない高品質のエピタキシャル成長結晶を得ることができるのであ る。In the present invention, the pressure in the cell is monitored, and when the pressure fluctuates, the opening of the pressure regulating valve is changed so as to restore this. In this way, the pressure in the cell can be kept constant even if the pressure in the chamber fluctuates. Then, the amount of radicals generated is constant over time, and the amount of dopant taken into the crystal thin film becomes stable. A uniform thin film crystal of p-type carrier can be grown. It is also possible to obtain high-quality epitaxially grown crystals with little variation in dopant concentration between products.

【0027】[0027]

【実施例】【Example】

図1によって本考案の実施例を説明する。ラジカルセルは分子線エピタキシ− 装置の一部として設けられる。セル本体1は円筒形の容器であるが、これが分子 線エピタキシ−装置の外部にある。もちろん内部に収容することもできるが、外 部の方が便利である。セル本体1はパイプ11を介して窒素ガスのボンベ(図示 しない)に接続される。パイプ11にはバルブ2があり、セルに入るガス量を調 整する。セル本体1の外周には高周波(RF)コイル3がある。これに高周波を 印加して、セル内部に高周波電磁界を発生させて窒素ガスをプラズマ4にする。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The radical cell is provided as part of the molecular beam epitaxy system. The cell body 1 is a cylindrical container, which is outside the molecular beam epitaxy apparatus. Of course, it can be housed inside, but the outside is more convenient. The cell body 1 is connected via a pipe 11 to a cylinder of nitrogen gas (not shown). The pipe 11 has a valve 2 for adjusting the amount of gas entering the cell. On the outer periphery of the cell body 1 is a radio frequency (RF) coil 3. A high frequency is applied to this to generate a high frequency electromagnetic field inside the cell to convert nitrogen gas into plasma 4.

【0028】 本考案ではセル内部の圧力Pを測定するために圧力計5がセルの側方に設けら れる。またセル本体1の前方は、さらにパイプ12になっている。パイプ12の 途中に第2のバルブがある。ここでは圧力調整バルブ6と呼ぶ。In the present invention, a pressure gauge 5 is provided on the side of the cell to measure the pressure P inside the cell. Further, a pipe 12 is further formed in front of the cell body 1. There is a second valve in the middle of the pipe 12. Here, it is referred to as the pressure control valve 6.

【0029】 図2のものはセルがチャンバの内部にあるから、セルの前方が直ぐにオリフィ スになっているが、本考案の実施例ではセル本体をチャンバの外部に出すので、 セルとチャンバをつなぐためにパイプ12が必要になるのである。ラジカル用パ イプ12の先端は単なる開口13になっている。これはもっと絞ってオリフィス にしても良い。圧力調整バルブ6のアクチュエ−タ9は、圧力計5の信号をフィ −ドバックして開度を自動調整できるようになっている。In FIG. 2, since the cell is inside the chamber, the front of the cell becomes an orifice immediately. However, in the embodiment of the present invention, the cell body is exposed to the outside of the chamber. The pipe 12 is required for connection. The tip of the radical type pipe 12 is simply an opening 13. This may be narrowed down to an orifice. The actuator 9 of the pressure adjusting valve 6 can feed back the signal from the pressure gauge 5 to automatically adjust the opening.

【0030】 ラジカルセル10はこのような構造になっているが、入口側のバルブ2の開度 Qと、出口側の圧力調整バルブ6の開度Rが共に調整できる。高周波コイル3の 電力Wも調整可能な変数である。制御変数が3つある。プラズマの密度は高周波 (RF)電力、ガス供給量、プラズマ出力などによる。これらの変数が制御可能 であると、プラズマ密度やプラズマの出力を細かく制御することができる。The radical cell 10 has such a structure, but both the opening Q of the valve 2 on the inlet side and the opening R of the pressure adjusting valve 6 on the outlet side can be adjusted. The power W of the high frequency coil 3 is also an adjustable variable. There are three control variables. Plasma density depends on radio frequency (RF) power, gas supply, plasma output, etc. If these variables are controllable, the plasma density and the plasma output can be finely controlled.

【0031】 ここではセル内の圧力Pを一定に保つように、圧力計5の信号をフィ−ドバッ クして、圧力調整バルブ8のアクチュエ−タ9を自動的に調整するようにする。 圧力計やアクチュエ−タ9がチャンバの外部にある方が保守点検などに便利であ るので、このようにラジカルセルの大部分がチャンバの外部にある。そこでセル とチャンバの内部を繋ぐために長い延長パイプ12が必要になる。もちろんラジ カルセルをチャンバの内部に収容することも可能である。この場合でも、セルの 出口側に圧力調整バルブ6を取り付けるので延長パイプは必要である。Here, in order to keep the pressure P in the cell constant, the signal of the pressure gauge 5 is fed back so that the actuator 9 of the pressure adjusting valve 8 is automatically adjusted. Since it is convenient for maintenance and the like that the pressure gauge and the actuator 9 are outside the chamber, most of the radical cells are outside the chamber. Therefore, a long extension pipe 12 is required to connect the cell and the inside of the chamber. Of course, it is also possible to house the radial cell inside the chamber. Even in this case, the extension pipe is necessary because the pressure adjusting valve 6 is attached to the outlet side of the cell.

【0032】 その他の構成は、通常の分子線エピタキシ−装置と同じである。超高真空チャ ンバ7はステンレス、アルミなど金属製の容器である。この内壁に沿って、液体 窒素シュラウド14が設けられる。ガスを吸着し真空度を上げるためである。搬 送装置15があって、別の真空室(図示しない)との間に基板を搬送できるよう になっている。搬送装置の先端は、基板ホルダ16になっていて、これに基板1 7が取り付けられる。基板ホルダ16には、基板の回転、加熱機構が含まれる。 基板17の上には四重極質量分析器18がある。The other structure is the same as that of a normal molecular beam epitaxy apparatus. The ultra-high vacuum chamber 7 is a container made of metal such as stainless steel or aluminum. A liquid nitrogen shroud 14 is provided along the inner wall. This is for adsorbing gas and increasing the degree of vacuum. The transfer device 15 is provided so that the substrate can be transferred to another vacuum chamber (not shown). A substrate holder 16 is provided at the tip of the transfer device, and the substrate 17 is attached to the substrate holder 16. The substrate holder 16 includes a substrate rotating and heating mechanism. Above the substrate 17 is a quadrupole mass analyzer 18.

【0033】 ラジカルセルの外に、固体の原料を分子線にするための分子線セル19が幾つ か設けられる。ここでは簡単のために一つだけ図示する。固体原料21を入れる ためのるつぼ20、原料を加熱し液体にしまたは昇華するためのヒ−タ22、熱 を逃がさないためのリフレクタ23などが同心状に設けられる。るつぼの上方開 口部に接近してシャッタ24が開閉自在に設けられる。セルは超高真空フランジ 25の上に設置される。支柱26がフランジに対して、るつぼ、ヒ−タ、リフレ クタを支持する。固体の原料の場合はこのように孤立した分子線セルを用いる。 るつぼ20の開口は基板の方を向いており、シャッタ24を開いたときのみ、分 子線が基板へと飛んでゆく。In addition to the radical cell, some molecular beam cells 19 for converting a solid raw material into a molecular beam are provided. Only one is shown here for simplicity. A crucible 20 for containing a solid raw material 21, a heater 22 for heating the raw material into a liquid or sublimation, a reflector 23 for not releasing heat, and the like are concentrically provided. A shutter 24 is provided so as to be openable and closable close to the upper opening of the crucible. The cell is installed on the ultra-high vacuum flange 25. Posts 26 support the crucible, heater, and reflector against the flange. In the case of a solid material, such an isolated molecular beam cell is used. The opening of the crucible 20 faces the substrate, and only when the shutter 24 is opened, the molecular lines fly to the substrate.

【0034】 ラジカルセル10のほうは、本体がチャンバの外部にあり、延長パイプ12が 、超高真空フランジ31を通り抜けるようになっている。パイプ12の前端は開 口13になっているが、開口13の上にもシャッタ32があり、ラジカル線を通 過遮断している。シャッタが開いている時のみ、ラジカル線が基板17へ向けて 飛んでゆく。The radical cell 10 has a main body outside the chamber, and the extension pipe 12 can pass through the ultra-high vacuum flange 31. Although the front end of the pipe 12 is an opening 13, a shutter 32 is also provided above the opening 13 to block the radical rays from passing therethrough. Radical rays fly toward the substrate 17 only when the shutter is open.

【0035】[0035]

【考案の効果】[Effect of device]

従来のラジカルセルは、セル入口のバルブ開度のみしか制御可能でなかったた めに、ラジカルセルの圧力変動、ラジカルの生成量などを有効に調整できなかっ た。本考案は、圧力調整バルブをセルの出口に加えることにより制御可能変数を ひとつ増やし、セル圧力を測定することにより測定可能変数をひとつ増やしてい る。 In the conventional radical cell, since only the valve opening at the cell inlet can be controlled, it was not possible to effectively adjust the pressure fluctuation of the radical cell and the amount of radicals produced. The present invention increases the controllable variable by one by adding a pressure regulating valve to the outlet of the cell, and increases the measurable variable by one by measuring the cell pressure.

【0036】 これにより、ラジカルセル本体の圧力を一定に保持できる。ラジカルセルに導 入するガス流量や高周波電力を変化させても、安定したプラズマを維持できる。 これによりエピタキシャル成長薄膜のド−パント濃度が安定する。異なる薄膜間 でのド−パント濃度のばらつきも小さくすることができる。As a result, the pressure of the radical cell body can be kept constant. Stable plasma can be maintained even if the flow rate of gas introduced into the radical cell or the high frequency power is changed. This stabilizes the dopant concentration of the epitaxially grown thin film. It is also possible to reduce variations in dopant concentration between different thin films.

【0037】 また高真空チャンバ内の圧力変動による影響を受けないようにして、ラジカル セルでプラズマ生成できるので、成膜条件に左右されず、最適の条件で安定した ラジカルの供給が可能になる。Further, since plasma can be generated in the radical cell without being affected by the pressure fluctuation in the high vacuum chamber, stable radical supply can be performed under optimum conditions regardless of film forming conditions.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本考案の実施例に係るラジカルセルを備えた分
子線エピタキシ−装置の概略断面図。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a molecular beam epitaxy apparatus including a radical cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来例に係るラジカルセルの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a radical cell according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 セル本体 2 バルブ 3 RF(高周波)コイル 4 プラズマ 5 圧力計 6 圧力調整バルブ 7 超高真空チャンバ 8 オリフィス 9 アクチュエ−タ 10 ラジカルセル 1 Cell Main Body 2 Valve 3 RF (Radio Frequency) Coil 4 Plasma 5 Pressure Gauge 6 Pressure Control Valve 7 Ultra High Vacuum Chamber 8 Orifice 9 Actuator 10 Radical Cell

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項1】 分子線エピタキシ−装置において、窒素
をラジカルにしてII−VI族半導体結晶中に導入するため
の装置であって、窒素ガスを通してこれをプラズマにす
るための空間であるセル本体と、セル本体の周囲に設け
られ高周波電磁界により窒素をプラズマに励起する高周
波コイルと、セル本体の入口側に設けたバルブと、セル
本体の出口側に設けた圧力調整バルブと、セル本体の圧
力を検出する圧力計とを含み、セル本体の圧力によりセ
ル出口側の圧力調整バルブの開度を自動調整するように
したことを特徴とするラジカルセル。
1. A molecular beam epitaxy apparatus for introducing nitrogen into a II-VI group semiconductor crystal as radicals, the cell body being a space for passing nitrogen gas into plasma. , A high-frequency coil installed around the cell body to excite nitrogen into plasma by a high-frequency electromagnetic field, a valve provided on the inlet side of the cell body, a pressure control valve provided on the outlet side of the cell body, and a pressure on the cell body And a pressure gauge for detecting the pressure, and the opening of the pressure adjusting valve on the cell outlet side is automatically adjusted by the pressure of the cell body.
【請求項2】 超高真空中において、原料を分子線とし
て基板に向けて飛ばし、基板状に薄膜結晶を成長させる
分子線エピタキシ−装置であって、超高真空に引くこと
のできるチャンバと、真空排気装置と、基板を搬送する
搬送機構と、基板ホルダと、固体原料を分子線とする分
子線セルと、窒素をラジカルとするラジカルセルとを備
え、ラジカルセルは、窒素ガスを通してこれをプラズマ
にするための空間であるセル本体と、セル本体の周囲に
設けられ高周波電磁界により窒素をプラズマに励起する
高周波コイルと、セル本体で発生したラジカルをチャン
バの内部へ運ぶための延長パイプと、セル本体の入口側
に設けたバルブと、セル本体の出口側に設けた圧力調整
バルブと、セル本体の圧力を検出する圧力計とを含み、
セル本体の圧力によりセル出口側の圧力調整バルブの開
度を自動調整するようにしてあり、セル本体は分子線エ
ピタキシ−装置のチャンバの外側にあり、延長パイプに
よりラジカルをチャンバ内部へ導入するようにした事を
特徴とする分子線エピタキシ−装置。
2. A molecular beam epitaxy apparatus for flying a raw material as a molecular beam toward a substrate in an ultrahigh vacuum to grow a thin film crystal on the substrate, the chamber being capable of being pulled to the ultrahigh vacuum, An evacuation device, a transfer mechanism that transfers a substrate, a substrate holder, a molecular beam cell that uses a solid source as a molecular beam, and a radical cell that uses nitrogen as a radical. A cell body that is a space for making, a high-frequency coil that is provided around the cell body to excite nitrogen into plasma by a high-frequency electromagnetic field, and an extension pipe for carrying radicals generated in the cell body into the chamber, A valve provided on the inlet side of the cell body, a pressure adjusting valve provided on the outlet side of the cell body, and a pressure gauge for detecting the pressure of the cell body,
The opening of the pressure control valve on the cell outlet side is automatically adjusted by the pressure of the cell body, the cell body is outside the chamber of the molecular beam epitaxy apparatus, and the radicals are introduced into the chamber by an extension pipe. Molecular beam epitaxy device characterized in that
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