JPH0714765A - Radical cell and molecular beam epitaxy system - Google Patents

Radical cell and molecular beam epitaxy system

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JPH0714765A
JPH0714765A JP5184386A JP18438693A JPH0714765A JP H0714765 A JPH0714765 A JP H0714765A JP 5184386 A JP5184386 A JP 5184386A JP 18438693 A JP18438693 A JP 18438693A JP H0714765 A JPH0714765 A JP H0714765A
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JP
Japan
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crucible
molecular beam
radical
nitrogen
cell
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JP5184386A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshitaka Setoguchi
佳孝 瀬戸口
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Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE:To grow a high quality crystalline thin film of ZnSe by providing a radical cell for producing radical beam of nitrogen with a mesh electrode and applying a bias voltage thereto when a ZnSe crystal thin film is grown by molecular beam epitaxy using nitrogen as a p-type dopant. CONSTITUTION:A radical cell 8 comprises a crucible 18, a high frequency coil 19, and a shield 20 wherein high frequency current is fed to the high frequency coil 19 in order to generate plasma of nitrogen gas. The material of radical, i.e., nitrogen gas, is introduced from a gas cylinder to the crucible 18 through an introduction pipe 21 coupled with the crucible 18 at the bottom thereof. Furthermore, a mesh electrode 28 fixed with a metal mesh at the tip of a metal rod is disposed at an opening of the crucible 18 and a voltage is applied from a bias power supply 29 through the metal rod. Consequently, positive ions of nitrogen are braked and the nitrogen, otherwise the colliding against a substrate at high speed, is decelerated. This constitution suppresses the possibility of disturbing the crystal structure of ZnSe growing on the substrate.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、分子線エピタキシ−
装置において、原料をプラズマにしてチャンバ内に導く
ことのできるラジカルセルに関する。分子線エピタキシ
−法は、超高真空のチャンバ内に基板を設け、幾つかの
種類の原料を加熱して分子線とし、基板に照射し、基板
の上に原料化合物の薄膜を形成する方法である。分子線
セルがチャンバの周壁にそって幾つか設けられる。これ
はるつぼ、ヒ−タ、リフレクタ、熱電対、支柱などより
なる。原料毎に一つの分子線セルが設けられる。超高真
空にするので気体原子の平均自由工程が長くなり、分子
線セルから直進して基板に到達する。GaAsなどの化
合物半導体薄膜を適当な基板の上に形成することができ
る。不純物をド−プする場合は、その元素を含む分子線
セルを設ける。分子線エピタキシ−法は、原料の供給を
厳密に制御することができるので、微細構造をもつ素子
を再現性良く製造することができるという利点がある。
This invention relates to molecular beam epitaxy.
The present invention relates to a radical cell capable of converting a raw material into plasma and introducing it into a chamber. The molecular beam epitaxy method is a method in which a substrate is provided in an ultrahigh vacuum chamber, several kinds of raw materials are heated to form molecular beams, and the substrate is irradiated with the raw material compound to form a thin film of the raw material compound. is there. Several molecular beam cells are provided along the peripheral wall of the chamber. This consists of a crucible, a heater, a reflector, a thermocouple, and a support. One molecular beam cell is provided for each raw material. The ultra-high vacuum lengthens the mean free path of gas atoms, and goes straight from the molecular beam cell to reach the substrate. A compound semiconductor thin film such as GaAs can be formed on a suitable substrate. When doping impurities, a molecular beam cell containing the element is provided. The molecular beam epitaxy method has an advantage that a device having a fine structure can be manufactured with good reproducibility because the supply of raw materials can be strictly controlled.

【0002】[0002]

【従来の技術】以上に説明したものは、原料が固体であ
るものである。原料がガスである場合は分子線セルのよ
うに閉じられたものではなく、ガスソ−スセルといっ
て、外部のガスボンベとつながったようなセルになる。
セルの開口部にはヒ−タやリフレクタ、などが設けられ
る。またガスの流れを制限するためにジャマ板が設けら
れることもある。これらはいずれにしても、原料が分子
線になるのは加熱により蒸発したためである。分子線で
あるが、原子または分子としては基底状態にある。エネ
ルギ−としては運動エネルギ−だけを持つ。化学的な活
性は低い。
2. Description of the Related Art The materials described above are solid materials. When the raw material is gas, it is not a closed cell like a molecular beam cell, but a gas source cell, which is a cell connected to an external gas cylinder.
A heater, a reflector, or the like is provided in the opening of the cell. A baffle plate may also be provided to limit the flow of gas. In any case, the raw material becomes a molecular beam because it is evaporated by heating. Although it is a molecular beam, it is in the ground state as an atom or molecule. Only energy has kinetic energy. Chemical activity is low.

【0003】さて青色発光素子としてさまざまのものが
考えられてきている。バンドギャップが広く直接遷移型
である半導体が材料となる。しかもpn接合が形成され
なければならない。しかしこのような条件を満足する材
料がない。
Various blue light emitting elements have been considered. The material is a semiconductor having a wide band gap and a direct transition type. Moreover, a pn junction must be formed. However, there is no material that satisfies such conditions.

【0004】ZnSeが青色発光素子の材料として昔か
ら研究されてきた。これはバンドギャップが広く、直接
遷移型という条件には適合する。しかし多くの困難があ
り、ZnSeの青色レ−ザは実現できなかった。まずバ
ルクのZnSe結晶を作るのが難しい。これは高温で昇
華するので高圧を掛けて結晶成長しなければならない。
従来のチョクラルスキ−法やブリッジマン法ではバルク
結晶を製造できない。ZnSe基板ができないので、G
aAsを基板としてヘテロエピタキシ−を行うことが多
い。基板の上にZnSe薄膜をエピタキシャル成長させ
る。
ZnSe has been studied for a long time as a material for a blue light emitting device. This has a wide band gap and is suitable for the condition of direct transition type. However, there were many difficulties, and a blue laser of ZnSe could not be realized. First, it is difficult to make a bulk ZnSe crystal. Since this sublimes at high temperature, high pressure must be applied to grow crystals.
Bulk crystals cannot be manufactured by the conventional Czochralski method or Bridgman method. Since ZnSe substrate cannot be used, G
Heteroepitaxy is often performed using aAs as a substrate. A ZnSe thin film is epitaxially grown on the substrate.

【0005】ところが伝導型の制御が難しい。pn接合
を作るにはp型の薄膜と、n型の薄膜が必要である。い
ずれの型も難しいが、特にp型のZnSeが作り難い。
n型の結晶は、n型不純物をド−プすることによって得
られる。従来ZnSeのn型不純物としては、Al、G
a、Inなどが知られていた。しかしこれらはド−プ量
を上げると却ってn型キャリヤ密度が低下し、1017
-3が最大のn型キャリヤ密度であった。
However, it is difficult to control the conductivity type. To make a pn junction, a p-type thin film and an n-type thin film are required. Both types are difficult, but p-type ZnSe is particularly difficult to make.
N-type crystals are obtained by doping n-type impurities. Conventional ZnSe n-type impurities include Al and G
a, In, etc. were known. However, when the amount of doping is increased, the n-type carrier density is rather lowered, and 10 17 c
m -3 was the maximum n-type carrier density.

【0006】p型のド−プはさらに難しい。西沢らはL
i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。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。8×10
16cm-3以上にはならない。それにLiはZnSe中で
拡散しやすく、pn接合の特性が一定しない。
P-type doping is more difficult. Nishizawa et al.
It was announced that a p-type ZnSe crystal doped with i was manufactured by a vapor pressure controlled temperature difference method. 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 poor in reproducibility. Further, the carrier density of p-type impurities is low. 8 x 10
It does not exceed 16 cm -3 . In addition, Li easily diffuses in ZnSe, and the characteristics of the pn junction are not constant.

【0007】そこでn型の不純物としては、塩素が用い
られるようになった。これは塩化亜鉛(ZnCl2 )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 Con
f. Solid State Devices and Materials,Tokyo,1986,p6
35 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1桁
近く改善される。
Therefore, chlorine has come to be used as an n-type impurity. This is made from zinc chloride (ZnCl 2 ). Chlorine doped ZnSe is a molecular beam epitaxy
It can also be made by law. Zn, Se,
The ZnCl 2 molecular beam cell is irradiated at the same time. K.
Ohkawa, T.Mitsuyu and O.Yamazaki: Ext.Abstr.18th Con
f. Solid State Devices and Materials, Tokyo, 1986, p6
When 35 chlorine is used as an n-type impurity, a carrier density of about 10 19 cm -3 can be realized. It is improved by almost an order of magnitude over the Ga-dope case.

【0008】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ZnSe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。
Nitrogen has been investigated as a p-type impurity. However, it is difficult for nitrogen to enter the ZnSe crystal.
Although various attempts have been made to dope nitrogen into ZnSe by liquid phase epitaxy, MOCVD, MBE, etc., none of them could introduce nitrogen into ZnSe. Nitrogen did not enter ZnSe and did not become a p-type impurity.

【0009】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
当てる方法を発明した。K.Ohkawa,T.Karasawa and T.Mi
tsuyu:6th Int.Conf.Molecular Beam Epitaxy,San Dieg
o, 1990,PIII-21,J.Cryst.Growth 117,375(1991) K.Ohkawa,A.Tsujimura,S.Hayashi, S.Yoshii and T.Mit
suyu:Ext.Abstr.1992 Int. Conf. Solid State Devices
and Materials,Tsukuba, 1992 p.330 これらの著者は分子線エピタキシ−装置の構造を図示し
ていないので、どのような装置を使用したのか明らかで
ない。しかし図3のようなものであろうと推測される。
However, Okawa et al. Proposed a radical doping method in which nitrogen is used as a radical to dope ZnSe. The inventor has invented a method in which nitrogen gas is turned into active nitrogen by electric discharge and is applied to a substrate together with a molecular beam of Zn and a molecular beam of Se as a molecular beam. K. Ohkawa, T. Karasawa and T. Mi
tsuyu: 6th Int.Conf.Molecular Beam Epitaxy, San Dieg
o, 1990, PIII-21, J.Cryst.Growth 117,375 (1991) K.Ohkawa, A.Tsujimura, S.Hayashi, S.Yoshii and T.Mit
suyu: Ext.Abstr.1992 Int.Conf. Solid State Devices
and Materials, Tsukuba, 1992 p. 330 Since these authors do not show the structure of the molecular beam epitaxy device, it is not clear what kind of device was used. However, it is presumed that it may be something like FIG.

【0010】図3は本発明者の想像に基づく分子線エピ
タキシ−装置にラジカルセルを設けたものを示す概略図
である。超高真空チャンバ1の内部壁面には、液体窒素
シュラウド2が設けられる。他の真空室と連絡管3によ
って接続される。他の真空室とチャンバ1とはゲ−トバ
ルブ4により仕切られる。搬送装置5が試料基板を自動
搬送する。試料ホルダ6に試料基板7が下向きに取り付
けられる。分子線エピタキシ−装置の壁面に沿って幾つ
かの分子線セルが設けられる。この内一つが窒素のド−
プのためのラジカルセル8である。他の分子線セル9は
固体原料を分子線とするものである。数多く設けられる
がここでは一つしか図示しない。
FIG. 3 is a schematic view showing a molecular beam epitaxy apparatus based on the inventor's imagination and provided with a radical cell. A liquid nitrogen shroud 2 is provided on the inner wall surface of the ultra-high vacuum chamber 1. It is connected to another vacuum chamber by a connecting pipe 3. The other vacuum chamber and the chamber 1 are separated by a gate valve 4. The transfer device 5 automatically transfers the sample substrate. The sample substrate 7 is attached to the sample holder 6 downward. Molecular Beam Epitaxy Several molecular beam cells are provided along the wall of the device. One of these is nitrogen
Radical cell 8 for The other molecular beam cell 9 uses a solid raw material as a molecular beam. Many are provided, but only one is shown here.

【0011】分子線セル9は、るつぼ10、ヒ−タ1
1、リフレクタ12、支柱13、超高真空フランジ1
4、熱電対15、シャッタ16などよりなる。これは亜
鉛、セレンなど固体を加熱蒸発させ分子線とする。分子
線は基板に向かって直進する。
The molecular beam cell 9 comprises a crucible 10 and a heater 1.
1, reflector 12, column 13, ultra-high vacuum flange 1
4, thermocouple 15, shutter 16 and the like. This heats and evaporates solids such as zinc and selenium into molecular beams. The molecular beam goes straight toward the substrate.

【0012】ラジカルセル8は、るつぼ18、高周波コ
イル19、遮蔽板20、導入パイプ21、バルブ22、
シャッタ23などを含む。基板の直下にもシャッタ17
がある。ラジカルセルからは窒素のラジカルがラジカル
線となって基板に飛んでゆく。基板上で反応がおこり、
窒素を含むZnSeが成長する。
The radical cell 8 includes a crucible 18, a high frequency coil 19, a shield plate 20, an introduction pipe 21, a valve 22,
The shutter 23 and the like are included. A shutter 17 is also provided just below the substrate.
There is. From the radical cell, nitrogen radicals become radical rays and fly to the substrate. The reaction occurs on the substrate,
ZnSe containing nitrogen grows.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】分子線エピタキシ−装
置により、ZnSeなどのII−VI族化合物半導体結晶を
製造する際、p型の伝導型を持つ結晶を得るために、窒
素ガスをプラズマにしてII族、VI族元素の分子線ととも
に基板に照射していた。単に窒素ガスを分子線にしても
ZnSeの結晶内部には入ってゆかないが、プラズマに
して活性化すると成長中のZnSeの内部に取り込まれ
てゆく。プラズマにするために、窒素の分子線セルに
は、高周波や、マイクロ波を印加して、窒素をプラズマ
状態にするようにしている。プラズマ状態の窒素は活性
が高くて、運動エネルギ−も多様である。イオンである
ものもあり、中性ラジカルであるものもある。
When a II-VI group compound semiconductor crystal such as ZnSe is manufactured by a molecular beam epitaxy apparatus, nitrogen gas is converted into plasma in order to obtain a crystal having a p-type conductivity type. The substrate was irradiated with the molecular beams of the group II and VI elements. Even if nitrogen gas is used as a molecular beam, it does not enter the inside of the ZnSe crystal, but it is taken into the inside of the growing ZnSe when activated by plasma. In order to generate plasma, high-frequency waves or microwaves are applied to the nitrogen molecular beam cell so that nitrogen is brought into a plasma state. Plasma nitrogen has high activity and various kinetic energy. Some are ions and some are neutral radicals.

【0014】中性の窒素は、分子線エピタキシ−装置の
超高真空のために分子線から直進して基板に至る。中性
の窒素分子を輸送する源泉となるものは、高周波やマイ
クロ波から与えられた運動エネルギ−である。イオンの
場合はそれだけでなく、分子線セルと基板の電位差によ
り加速される。適当な運動エネルギ−を持つものは成長
中の薄膜に入り結晶構造の一部を形成する。しかし窒素
プラズマの中にはよりエネルギ−の高い窒素イオンも存
在する。
Neutral nitrogen travels straight from the molecular beam to the substrate due to the ultrahigh vacuum of the molecular beam epitaxy system. The source of transporting neutral nitrogen molecules is kinetic energy given by high frequency waves or microwaves. In the case of ions, not only that but also acceleration due to the potential difference between the molecular beam cell and the substrate. Those with the appropriate kinetic energy enter the growing thin film and form part of the crystal structure. However, nitrogen ions with higher energy also exist in the nitrogen plasma.

【0015】イオンの場合は、分子線セルと基板のバイ
アスによりさらに加速されて基板に衝突する。高速の窒
素イオンが基板に衝突すると、成長中の薄膜の結晶性が
乱される。閃亜鉛鉱型の結晶構造が乱れるし、ZnとS
eの比が局所的に1:1でない部分も発生する。結晶性
が悪いと、窒素ド−プによりp型のZnSeができたと
しても、発光素子などに利用できない。半導体レ−ザと
して利用する場合は、電気−光の変換効率が悪いし、電
気抵抗も増えるからである。
In the case of ions, they are further accelerated by the bias of the molecular beam cell and the substrate and collide with the substrate. The impact of fast nitrogen ions on the substrate disturbs the crystallinity of the growing thin film. The zinc blende type crystal structure is disordered, and Zn and S
There is also a portion where the ratio of e is not locally 1: 1. If the crystallinity is poor, even if p-type ZnSe is formed by nitrogen doping, it cannot be used for a light emitting device or the like. This is because when it is used as a semiconductor laser, the electric-light conversion efficiency is poor and the electric resistance increases.

【0016】窒素をプラズマにしなければ、窒素をZn
Seにド−プすることができない。しかしプラズマ中に
は高エネルギ−の窒素イオンが存在し、これが薄膜に衝
突し薄膜の結晶性を低下させる。本発明は分子線エピタ
キシ−で窒素ド−プZnSeを成長させる際のこのよう
な問題を解決することを目的とする。つまりエネルギ−
の高い窒素イオンが基板に衝突しないようにしたラジカ
ルセルを提供することが目的である。
If nitrogen is not turned into plasma, nitrogen is added to Zn.
It is not possible to do so on Se. However, high-energy nitrogen ions are present in the plasma, which collide with the thin film and reduce the crystallinity of the thin film. It is an object of the present invention to solve such a problem in growing nitrogen doped ZnSe by molecular beam epitaxy. In other words, energy
It is an object of the present invention to provide a radical cell in which high-concentration nitrogen ions do not collide with the substrate.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明の分子線エピタキ
シ−装置のラジカルセルは、窒素に高周波またはマイク
ロ波を印加してプラズマにしこれを基板に向けて飛ばす
が、セルと基板の間に金属よりなる網を設ける。この網
をメッシュ電極として所望のバイアスを与える。正のバ
イアスを与えると、窒素の正イオンが運動エネルギ−を
失う。エネルギ−を殆ど喪失して、メッシュ電極を通過
できないものもある。メッシュ電極を通り抜けることが
できた正イオンでも、メッシュ電極のバイアス分だけエ
ネルギ−を失っているので、基板に与える衝撃力が緩和
される。
In the radical cell of the molecular beam epitaxy apparatus of the present invention, a high frequency or a microwave is applied to nitrogen to form a plasma, which is blown toward a substrate. A net consisting of The mesh is used as a mesh electrode to apply a desired bias. When a positive bias is applied, the positive ions of nitrogen lose kinetic energy. Some lose most of their energy and cannot pass through the mesh electrode. Even positive ions that have been able to pass through the mesh electrode have lost energy due to the bias of the mesh electrode, so that the impact force applied to the substrate is relaxed.

【0018】[0018]

【作用】本発明の窒素の分子線セルは、セルの開口と基
板の中間にメッシュ電極を設けており、これに正の電圧
を印加する。窒素ラジカルの中には、エネルギ−の高い
窒素イオンが含まれるが、これがメッシュ電極の近傍で
減速される。減速の程度はメッシュ電極のバイアスによ
る。窒素イオンが減速され、あるものはメッシュ電極か
らセルのほうへ戻される。あるものは、減速されてもメ
ッシュ電極を通り抜けて基板に至るものもある。後者の
場合でも基板に衝突する時のエネルギ−が低いので、基
板に与える衝撃は少ない。成長中の薄膜の結晶性に悪影
響を及ぼさない。結晶性の優れた窒素ド−プZnSeを
成長させることができる。
In the nitrogen molecular beam cell of the present invention, a mesh electrode is provided between the cell opening and the substrate, and a positive voltage is applied to the mesh electrode. Nitrogen radicals contain high-energy nitrogen ions, which are decelerated near the mesh electrode. The degree of deceleration depends on the bias of the mesh electrode. Nitrogen ions are slowed down and some are returned from the mesh electrode towards the cell. Some pass through the mesh electrode and reach the substrate even when decelerated. Even in the latter case, since the energy when colliding with the substrate is low, the impact on the substrate is small. It does not adversely affect the crystallinity of the growing thin film. Nitrogen doped ZnSe having excellent crystallinity can be grown.

【0019】窒素のド−プに大きく作用するのは中性の
ラジカルである。中性のラジカルはメッシュ電極で電界
を感じないのでそのままメッシュ電極を通過できる。基
板に到達し反応に寄与する中性ラジカルの量が減るわけ
ではない。メッシュ電極は有害な高速正イオンのみを除
き、中性ラジカルはそのままにするので、ZnSeの成
長を阻害するということはない。
It is the neutral radicals that have a large effect on the nitrogen doping. Neutral radicals do not feel an electric field at the mesh electrode, so they can pass through the mesh electrode as they are. It does not reduce the amount of neutral radicals that reach the substrate and contribute to the reaction. Since the mesh electrode removes only harmful fast positive ions and leaves neutral radicals as they are, it does not hinder the growth of ZnSe.

【0020】[0020]

【実施例】図1により本発明の実施例を説明する。超高
真空チャンバ1の内壁に沿って、液体窒素シュラウド2
が設けられる。チャンバ1は他の真空室(図示せず)に
連通し、連絡管3にはゲ−トバルブ4が設けられる。搬
送装置5が真空室の内部にあって、試料基板を搬送でき
るようになっている。搬送装置5の先端には、試料ホル
ダ3があり、これが基板7を下向きに保持している。真
空チャンバ1の斜め下方の壁面には幾つかの分子線セル
が設けられる。この内一つは窒素を導入するためのラジ
カルセル8となっている。固体用の分子線セル9は、亜
鉛や、セレンなどの固体原料を分子線にするものであ
る。複数個あるがここでは簡単のために一つだけを示
す。分子線セル9はるつぼ10、ヒ−タ11、リフレク
タ12、支柱13、超高真空フランジ14等よりなる。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Along the inner wall of the ultra-high vacuum chamber 1, a liquid nitrogen shroud 2
Is provided. The chamber 1 communicates with another vacuum chamber (not shown), and the connecting pipe 3 is provided with a gate valve 4. The transfer device 5 is inside the vacuum chamber so that the sample substrate can be transferred. At the tip of the transfer device 5, there is a sample holder 3, which holds the substrate 7 downward. Several molecular beam cells are provided on the wall surface of the vacuum chamber 1 obliquely below. One of them is a radical cell 8 for introducing nitrogen. The solid-state molecular beam cell 9 is a molecular beam made of a solid raw material such as zinc or selenium. There are several, but only one is shown here for simplicity. The molecular beam cell 9 is composed of a crucible 10, a heater 11, a reflector 12, a column 13, an ultrahigh vacuum flange 14 and the like.

【0021】るつぼ10には固体原料を入れる。これは
例えばPBNるつぼである。ヒ−タは原料を加熱し気化
する。リフレクタ12はヒ−タの熱を反射しるつぼに閉
じ込める。支柱13は、超高真空フランジ14の上に、
リフレクタ12やヒ−タ11、るつぼ10などを支持す
るためのものである。るつぼの下底には熱電対15が接
触しており原料の温度をモニタしている。るつぼ10の
開口部上方にはシャッタ16がある。これは分子線の流
れを遮断することができる。シャッタ16の開閉により
自在に分子線の流れを制御することができる。固体原料
に対する分子線セルはこのように閉じられた系である。
A solid raw material is placed in the crucible 10. This is for example a PBN crucible. The heater heats and vaporizes the raw material. The reflector 12 traps the heat of the heater in a reflective crucible. The column 13 is on the ultra-high vacuum flange 14,
It is for supporting the reflector 12, the heater 11, the crucible 10 and the like. A thermocouple 15 is in contact with the bottom of the crucible to monitor the temperature of the raw material. A shutter 16 is provided above the opening of the crucible 10. This can block the flow of molecular beams. The flow of the molecular beam can be freely controlled by opening and closing the shutter 16. The molecular beam cell for solid raw materials is thus a closed system.

【0022】ラジカルセル8の方は、原料がガスである
ので閉じられていない。外部の高純度ガスボンベ(図示
しない)に原料導入パイプによってつながっている。る
つぼ18、高周波コイル19、遮蔽板20などを含む。
高周波コイルに高周波を流し、これによって窒素ガスを
プラズマにする。高周波コイルの代わりにマイクロ波を
用いることもできる。るつぼ18の下底に原料導入パイ
プ21が連続している。ラジカルの原料である窒素ガス
がガスボンベから導入パイプ21を経てるつぼ18に導
入される。バルブ22により窒素の流量が制御される。
The radical cell 8 is not closed because the raw material is gas. It is connected to an external high-purity gas cylinder (not shown) by a raw material introduction pipe. It includes a crucible 18, a high frequency coil 19, a shield plate 20, and the like.
A high frequency is applied to the high frequency coil, and the nitrogen gas is turned into plasma. A microwave can be used instead of the high frequency coil. A raw material introduction pipe 21 is continuous with the lower bottom of the crucible 18. Nitrogen gas, which is a raw material of radicals, is introduced from the gas cylinder into the crucible 18 through the introduction pipe 21. The valve 22 controls the flow rate of nitrogen.

【0023】るつぼ18の上部は蓋によって閉じられ、
中央に小さい穴がある。これから窒素のイオン、ラジカ
ルなどが飛び出す。るつぼ18にはガス流れを減速する
ためにジャマ板を設ける場合もある。シャッタ23はる
つぼ18の開口上方に開閉自在に設けられる。チャンバ
1は超高真空に引かれる必要がある。チャンバの一部に
バルブ24を介して、チタンサブリメ−ションポンプ2
5、イオンポンプ26が設けられる。これらのポンプの
組み合わせにより、チャンバ内部を10-10 〜10-11
Torrの超高真空に維持することができる。チャンバ
の上方には、四重極質量分析器27を設ける。これは所
定の基板の上に成長する薄膜の膜厚をモニタする。
The top of the crucible 18 is closed by a lid,
There is a small hole in the center. Nitrogen ions, radicals, etc. will fly out from this. The crucible 18 may be provided with a baffle plate for decelerating the gas flow. The shutter 23 is provided above the opening of the crucible 18 so as to be openable and closable. The chamber 1 needs to be pulled to an ultra high vacuum. Titanium sublimation pump 2 through a valve 24 in a part of the chamber
5, an ion pump 26 is provided. By combining these pumps, the inside of the chamber is 10 -10 to 10 -11.
The ultra high vacuum of Torr can be maintained. A quadrupole mass spectrometer 27 is provided above the chamber. It monitors the thickness of thin films grown on a given substrate.

【0024】以上の構成に加えて、本発明では、ラジカ
ルセル18のるつぼの開口にメッシュ電極28を設け
る。これは金属製の網を金属棒の先端に付けて、金属棒
を介して、バイアス電源13により電圧を印加するもの
である。これにより、メッシュ電極28に正電圧を印加
すると、窒素の正イオンがこれによって制動をうける。
ために高速で基板に衝突すべき窒素が減速される。基板
上で成長しているZnSeの結晶構造を乱す惧れが少な
くなる。バイアス電圧は自在に設定できるので、最適の
値を選べば良い。
In addition to the above structure, in the present invention, the mesh electrode 28 is provided in the opening of the crucible of the radical cell 18. In this, a metal net is attached to the tip of a metal rod, and a voltage is applied by the bias power supply 13 via the metal rod. Thus, when a positive voltage is applied to the mesh electrode 28, the positive ions of nitrogen are damped by this.
Therefore, the nitrogen that should collide with the substrate at a high speed is decelerated. The possibility of disturbing the crystal structure of ZnSe growing on the substrate is reduced. The bias voltage can be set freely, so select the optimum value.

【0025】図2はラジカルセルの近傍の拡大斜視図で
ある。るつぼの上部には小さい開口部30があるが、こ
の上にシャッタ23と、メッシュ電極28を設けてい
る。メッシュ電極28も回転可能にして、不要な場合
は、るつぼ開口部30の上から除去できるようになって
いる。中性ラジカルはメッシュ電極を何ら抵抗を受けず
通過できる。正イオンはこれにより減速され、一部はこ
れを通過できずるつぼの方へ戻る。正イオンの衝撃によ
り基板上に成長している薄膜の結晶性を損なうというこ
とはない。
FIG. 2 is an enlarged perspective view of the vicinity of the radical cell. There is a small opening 30 at the top of the crucible, on which a shutter 23 and a mesh electrode 28 are provided. The mesh electrode 28 is also rotatable so that it can be removed from above the crucible opening 30 if it is not needed. Neutral radicals can pass through the mesh electrode without any resistance. The positive ions are thereby slowed down and some return to the crucible that cannot pass through them. The impact of positive ions does not impair the crystallinity of the thin film grown on the substrate.

【0026】[0026]

【発明の効果】窒素をp型ド−パントとしてZnSe結
晶薄膜を分子線エピタキシ−で成長させるときにおい
て、窒素のラジカル線を得るためのラジカルセルにメッ
シュ電極を設けて、これにバイアス電圧を印加している
ので、高速の正イオン成分を除くことができる。高速正
イオンが強い衝撃力を以て基板に衝突することがないの
で、成長中の薄膜の結晶性が損なわれない。高品質の結
晶性のZnSe薄膜を成長させることができる。n型の
不純物をClとし、p型の不純物を窒素とするZnSe
半導体レ−ザを分子線エピタキシ−で製作する時におい
て本発明の方法は特に有効である。
When a ZnSe crystal thin film is grown by molecular beam epitaxy using nitrogen as a p-type dopant, a mesh cell is provided in a radical cell for obtaining a radical line of nitrogen, and a bias voltage is applied to the mesh electrode. Therefore, high-speed positive ion components can be removed. Since the fast positive ions do not collide with the substrate with a strong impact, the crystallinity of the growing thin film is not impaired. High quality crystalline ZnSe thin films can be grown. ZnSe in which n-type impurities are Cl and p-type impurities are nitrogen
The method of the present invention is particularly effective when manufacturing a semiconductor laser by molecular beam epitaxy.

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

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

【図2】本発明のラジカルセルの開口部の近傍の拡大斜
視図。
FIG. 2 is an enlarged perspective view of the vicinity of the opening of the radical cell of the present invention.

【図3】従来例に係るラジカルセルを備える分子線エピ
タキシ−装置の概略断面図。
FIG. 3 is a schematic sectional view of a molecular beam epitaxy apparatus including a radical cell according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 真空チャンバ 2 液体窒素シュラウド 4 ゲ−トバルブ 5 搬送装置 6 試料ホルダ 7 基板 8 ラジカルセル 9 分子線セル 10 るつぼ 11 ヒ−タ 14 超高真空フランジ 16 シャッタ 17 シャッタ 18 るつぼ 19 高周波コイル 21 導入パイプ 22 バルブ 28 メッシュ電極 29 バイアス電源 1 Vacuum Chamber 2 Liquid Nitrogen Shroud 4 Gate Valve 5 Conveyor 6 Sample Holder 7 Substrate 8 Radical Cell 9 Molecular Beam Cell 10 Crucible 11 Heater 14 Ultra High Vacuum Flange 16 Shutter 17 Shutter 18 Crucible 19 High Frequency Coil 21 Inlet Pipe 22 Valve 28 Mesh electrode 29 Bias power supply

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ガスボンベに接続され窒素ガスを導入す
る導入管と、導入管に連続して設けられるるつぼと、る
つぼの周囲に設けられ高周波電流を流すことにより、る
つぼ内部のガスをプラズマにする高周波コイルと、るつ
ぼの開口部の上方に設けられるシャッタと、るつぼ開口
部の上方に設けられるメッシュ電極と、メッシュ電極に
バイアスを与える電源とよりなり、分子線エピタキシ−
装置に用いられて窒素のラジカル線を生成することを特
徴とするラジカルセル。
1. A gas inside the crucible is turned into plasma by introducing a nitrogen gas into the crucible, an introduction pipe connected to the gas cylinder for introducing the nitrogen gas, a crucible continuously provided to the introduction pipe, and a high frequency current provided around the crucible. The high-frequency coil, a shutter provided above the opening of the crucible, a mesh electrode provided above the opening of the crucible, and a power source for biasing the mesh electrode, are used for the molecular beam epitaxy.
A radical cell, which is used in a device to generate radical rays of nitrogen.
【請求項2】 ガスボンベに接続され窒素ガスを導入す
る導入管と、導入管に連続して設けられるるつぼと、る
つぼの内部にマイクロ波を供給し窒素ガスをプラズマに
するマイクロ波発振器と、るつぼの開口部の上方に設け
られるシャッタと、るつぼ開口部の上方に設けられるメ
ッシュ電極と、メッシュ電極にバイアスを与える電源と
よりなり、分子線エピタキシ−装置に用いられて窒素の
ラジカル線を生成することを特徴とするラジカルセル。
2. A crucible, an introduction pipe connected to a gas cylinder for introducing nitrogen gas, a crucible continuously provided to the introduction pipe, a microwave oscillator for supplying microwaves into the crucible to convert nitrogen gas into plasma, and a crucible. Which is used in the molecular beam epitaxy apparatus to generate a radical line of nitrogen, which is composed of a shutter provided above the opening of the mesh, a mesh electrode provided above the opening of the crucible, and a power source for biasing the mesh electrode A radical cell characterized by the above.
【請求項3】 超高真空チャンバと、超高真空チャンバ
を真空に引く真空排気装置と、チャンバの外壁にそって
複数個設けられる分子線セルと、原料ガスを通してこれ
をラジカルにするラジカルセルと、試料基板を真空中で
自動搬送する搬送装置と、試料基板を保持する試料ホル
ダとを含み、分子線セルは固体原料を分子線とするため
に用いられ、ラジカルセルは窒素ガスをプラズマにして
ラジカル線とするために用いられ、ラジカルセルは、ガ
スボンベに接続され窒素ガスを導入する導入管と、導入
管に連続して設けられるるつぼと、るつぼの周囲に設け
られ高周波電流を流すことにより、るつぼ内部のガスを
プラズマにする高周波コイルと、るつぼの開口部の上方
に設けられるシャッタと、るつぼ開口部の上方に設けら
れるメッシュ電極と、メッシュ電極にバイアスを与える
電源とよりなることを特徴とする分子線エピタキシ−装
置。
3. An ultra-high vacuum chamber, a vacuum evacuation device for drawing the ultra-high vacuum chamber to a vacuum, a plurality of molecular beam cells provided along the outer wall of the chamber, and a radical cell for converting this into radicals through a source gas. , A transport device for automatically transporting the sample substrate in a vacuum, and a sample holder for holding the sample substrate, the molecular beam cell is used to turn the solid raw material into a molecular beam, and the radical cell converts nitrogen gas into plasma. Used to be a radical line, the radical cell is connected to a gas cylinder for introducing nitrogen gas, a crucible continuously provided to the introduction pipe, and by supplying a high-frequency current around the crucible, A high frequency coil that turns the gas inside the crucible into plasma, a shutter that is provided above the opening of the crucible, and a mesh electrode that is provided above the opening of the crucible. , A molecular beam epitaxy apparatus comprising a power supply for biasing a mesh electrode.
【請求項4】 超高真空チャンバと、超高真空チャンバ
を真空に引く真空排気装置と、チャンバの外壁にそって
複数個設けられる分子線セルと、原料ガスを通してこれ
をラジカルにするラジカルセルと、試料基板を真空中で
自動搬送する搬送装置と、試料基板を保持する試料ホル
ダとを含み、分子線セルは固体原料を分子線とするため
に用いられ、ラジカルセルは窒素ガスをプラズマにして
ラジカル線とするために用いられ、ラジカルセルは、ガ
スボンベに接続され窒素ガスを導入する導入管と、導入
管に連続して設けられるるつぼと、るつぼの内部にマイ
クロ波を供給し窒素ガスをプラズマにするマイクロ波発
振器と、るつぼの開口部の上方に設けられるシャッタ
と、るつぼ開口部の上方に設けられるメッシュ電極と、
メッシュ電極にバイアスを与える電源とよりなることを
特徴とする分子線エピタキシ−装置。
4. An ultra-high vacuum chamber, a vacuum evacuation device for drawing the ultra-high vacuum chamber to a vacuum, a plurality of molecular beam cells provided along the outer wall of the chamber, and a radical cell that turns the radicals through a source gas. , A transport device for automatically transporting the sample substrate in a vacuum, and a sample holder for holding the sample substrate, the molecular beam cell is used to turn the solid raw material into a molecular beam, and the radical cell converts nitrogen gas into plasma. Used to generate radical rays, a radical cell is connected to a gas cylinder to introduce nitrogen gas, a crucible continuously provided in the introduction tube, and a microwave inside the crucible to supply nitrogen gas to the plasma. A microwave oscillator, a shutter provided above the opening of the crucible, and a mesh electrode provided above the opening of the crucible,
A molecular beam epitaxy device comprising a power supply for biasing a mesh electrode.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5865897A (en) * 1994-06-09 1999-02-02 Sony Corporation Method of producing film of nitrogen-doped II-VI group compound semiconductor
JP2005307332A (en) * 2004-03-26 2005-11-04 Doshisha Molecular beam epitaxial apparatus, and method for manufacturing cubic monocrystal thin film of group-iii nitride by using molecular beam epitaxial apparatus

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