JPH07288259A - 分子線エピタキシー装置 - Google Patents

分子線エピタキシー装置

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JPH07288259A
JPH07288259A JP10229594A JP10229594A JPH07288259A JP H07288259 A JPH07288259 A JP H07288259A JP 10229594 A JP10229594 A JP 10229594A JP 10229594 A JP10229594 A JP 10229594A JP H07288259 A JPH07288259 A JP H07288259A
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JP
Japan
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casing
group
substrate
molecular beam
nitrogen
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JP10229594A
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Satoshi Fujii
智 藤井
Toshiyuki Terada
敏行 寺田
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒素ドーピングガスの励起が容易であり、か
つ結晶成長条件に影響を及ぼすことがなく、基板上に高
い品質のII−VI族化合物半導体エピタキシャル結晶
を成長させることができる構造の簡単な分子線エピタキ
シー装置を提供する。 【構成】 結晶成長室側に開口すると共に窒素ガスの供
給口を具備する有底筒状のケーシングの底部に磁石が設
けられ、更にケーシングの外周に高周波コイルを配設し
たプラズマセルからなる励起セル装置を用いて窒素ドー
パントを供給することで、低圧状態でも低い高周波パワ
ーで高いプラズマ放電発光強度が得られることから、容
易にドーパントガスを励起できると共にドーピングに寄
与しない窒素分子ビーム量が減り、更に放電室内壁など
からの汚染物質の発生が抑制される。また、プラズマを
発生させる際の結晶成長室内の圧力変動が殆どなくなり
成長原料の分子ビームが安定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基板の表面にII族及
びVI族の成長原料及び窒素ドーパントガスを供給する
ことによりII−VI族化合物半導体エピタキシャル結
晶を成長させる分子線エピタキシー装置に関し、特に上
記ガスを励起させるための励起セル装置に特徴を有する
分子線エピタキシー装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】化合物半導体のエピタキシャル結晶成長
には主として分子線エピタキシー法(以下、本明細書で
はMBE法と略記する)や有機金属化学気相成長法など
が一般的に用いられている。
【0003】一方、特開昭62−88329号公報には
II−VI族のエピタキシャル結晶の一例として砒化ガ
リウム(GaAs)基板上へのセレン化亜鉛(ZnS
e)のエピタキシャル結晶を成長させ、ドーパントとし
て砒素(As)、リン(P)、または窒素(N)を導入
してp型結晶を得るための構造が開示されている。ま
た、米国のDePuydtらによれば、MBE法にてr
fプラズマ励起セルにより活性窒素ビームを発生させ、
1018cm-3台の窒素ドーピングを実現する方法が提案
されており(Appl.Phys.Lett.57,2127(1991)参照)、こ
れにより低抵抗のp型結晶が得られることが示唆されて
いる。
【0004】しかしながら、rfプラズマ励起セルによ
り活性窒素ビームを発生させるには、気圧条件を少なく
とも10-5〜10-6torr程度にしなければならない
が、MBE法の一般的な適用条件が10-7〜10-10
orr程度であることから、条件が一致せず、例えば多
い窒素流量や高い高周波パワー(300W〜500W)
を必要とし、ドーピングに寄与しない窒素分子ビーム量
が増えたり、セル周辺が加熱されて放電室内壁などから
の汚染物質が発生するばかりでなく、プラズマ発生時の
圧力変動によりクヌーセンセルから発生する成長原料の
分子ビームに揺らぎなどを生じるため、これらの理由か
ら結晶の品質が低下する問題があり、実際にはあまり現
実的ではなかった。
【0005】一方、ECRプラズマ放電やマイクロ波放
電を用いて窒素ラジカルビームを発生させる方法も提案
されているが(ECRプラズマ放電:例えばS.Itoh et
al.,Jpn.J.Appl.Phys.31,L1361(1992)参照、マイクロ波
放電:例えば塚他第40回応用物理学関係連合講演会 3
1p-ZN1参照)、rfプラズマ励起セルよりもやや低い気
圧(10-7torr台後半程度)で放電を維持できるも
のの、上記結晶の品質低下、分子線の揺らぎなどの問題
を完全に解決することはできず、またrfプラズマ励起
セル程の高濃度ドーピングが困難であり、更に装置が複
雑、かつ高価であることからメンテナンス性やコスト面
で問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述したよう
な従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主
な目的は、窒素ドーピングガスの励起が容易であり、か
つ結晶成長条件に影響を及ぼすことがなく、基板上に高
い品質のII−VI族化合物半導体エピタキシャル結晶
を成長させることができ、更に構造の簡単な分子線エピ
タキシー装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述した目的は本発明に
よれば、基板の表面に、II族元素及びVI族元素から
なる成長原料と窒素ドーパントガスとを供給することに
よりII−VI族化合物半導体エピタキシャル結晶を成
長させる分子線エピタキシー装置であって、前記窒素ド
ーパントを供給する励起セル装置が、結晶成長室側に開
口すると共に窒素ガスの供給口を具備する有底筒状のケ
ーシングと、該ケーシングの底部に設けられた磁石と、
前記ケーシングの外周に配設された高周波コイルとを有
するプラズマ励起セル(以下、本明細書ではヘリコンプ
ラズマ励起セルと記す)からなることを特徴とする分子
線エピタキシー装置を提供することにより達成される。
【0008】
【作用】上述の構成によれば、ヘリコンプラズマ励起セ
ルにより低圧(10-7〜10-9torr程度)の状態で
あっても低い高周波パワー(5W〜300W)でrfプ
ラズマ励起セルよりも1桁程度高いプラズマ放電発光強
度が得られることから、プラズマを発生させる際の結晶
成長室内の圧力変動が殆どなく、クヌーセンセルから出
射される成長原料(Zn、Se)の分子ビームが安定す
る。また、ドーピングに寄与しない窒素分子ビーム量が
減り、成長面でのマイグレーションが促進され、更にセ
ル周辺の加熱が抑制されて放電室内壁などからの汚染物
質の発生が抑制される。図3に、窒素ガス流量を0.1
cc/min、スペクトル位置763nmとして他の条
件を同じにしたヘリコンプラズマ励起セルとrfプラズ
マ励起セルとで高周波パワーに対するプラズマ放電発光
強度を比較したグラフを示す。
【0009】
【実施例】以下、添付の図面に従って本発明の好適実施
例について説明する。
【0010】図1は本発明が適用された分子線エピタキ
シー装置(MBE装置)の概略構成を示す模式的断面図
である。本実施例は砒化ガリウム(GaAs)基板上へ
のセレン化亜鉛(ZnSe)のエピタキシャル結晶を成
長させ、ドーパントとして窒素(N)を導入してp型結
晶を得るためのMBE装置である。
【0011】超高真空排気装置2により10-7〜10-9
torr程度の高真空を維持可能な結晶成長室1内には
ホルダ3により処理表面が下向きになるように基板Bが
保持されている。このホルダ3の基端側、即ち図に於け
る上側には基板加熱用のヒータ5が設けられている。ま
た、円板状のメインシャッタ6が、基板Bの成膜を開始
する位置、即ち基板Bの処理表面を覆わない位置と、成
膜を停止する位置、即ち基板Bの処理表面を覆う位置と
の間で回動自在に支持され、その駆動軸6aを外部から
回転させることにより成膜を選択的に開始/停止し得る
ようになっている。
【0012】結晶成長室1の下部に於ける基板Bと概ね
対向する位置には、基板Bに向けて開口する2つのクヌ
ーセンセル(以下、本明細書ではKセルと略記する)
7、8が設けられている。これらKセル7、8は、基板
Bに向けて開口するるつぼ7a、8aとこれらるつぼ7
a、8aを加熱するためのヒータ7b、8bとを有して
いる。また、各Kセル7、8の開口部には上記メインシ
ャッタ6と同様な円板状のシャッタ9、10が、各Kセ
ル7、8の開口を覆う位置と、開口を覆わない位置との
間で回動自在に支持され、その駆動軸9a、10aを外
部から回転させることにより選択的に各るつぼ7a、8
a内に受容された成長原料を分子ビームとして基板Bに
向けて照射するようになっている。
【0013】一方、各Kセル7、8とは別に結晶成長室
1の下部に於ける基板Bと概ね対向する位置に窒素プラ
ズマの励起セル装置11が設けられている。図2に良く
示すように、この励起セル装置11は、結晶成長室1側
に開口し、内部にプラズマ発生室を郭成する高純度セラ
ミックからなる有底筒状のケーシング12と、該ケーシ
ング12の底部に開口し、かつ管路14、流量制御装置
15及び減圧弁16を介して窒素ボンベ18に接続され
た窒素ガスの供給口13と、管路14を外囲するように
ケーシング12の底部に設けられた筒状の磁石17と、
ケーシング12の外周に配設され、高周波発生装置20
に接続された高周波コイル19とを具備するプラズマ励
起セルからなる。ケーシング12の開口にはこれを絞る
オリフィス12aが設けられている。また、ケーシング
12の開口には上記シャッタと同様なシャッタ11aが
設けられている。
【0014】尚、結晶成長室1内の適宜な位置には公知
のB−A型電離真空計からなるフラックスモニタ21が
設けられ、各分子ビームの強度を測定し得るようになっ
ている。
【0015】以下に本実施例の作動要領について説明す
る。まず、るつぼ7aにセレン(Se)、るつぼ8aに
亜鉛(Zn)を受容し、基板Bをホルダ3に下向きに保
持して結晶成長室1内を超高真空排気装置2により真空
引きして10-7〜10-9torr程度の高真空を維持す
る。そして、基板Bを回転させると共に加熱すると共に
セレン、亜鉛を加熱する。このとき、各シャッタ6、
9、10、11aはまだ閉じられている。
【0016】次に、所定時間経過後に各シャッタ9、1
0を順番に開閉してフラックスモニタ21をもってセレ
ン及び亜鉛の分子ビームが強度1:1で安定したことを
確認する。そして、シャッタ11aを開いて励起セル装
置11にて高周波を発生させ(5W〜300W)、窒素
ガスを0.01cc/min〜0.5cc/minの範
囲の流量でケーシング12内に郭成されたプラズマ発生
室に供給する。ここでは磁石17による磁場と高周波コ
イル19との相互作用により高密度の窒素プラズマが発
生する。その後、窒素プラズマが安定したら、シャッタ
9、10、11aを開き、最後にシャッタ6を開いて基
板Bの表面にセレン化亜鉛のエピタキシャル結晶を成長
させつつその中に窒素をドーパントとして導入してp型
結晶を得ることができる。このようにして形成されたp
型結晶では1×1018cm-3のキャリヤ濃度が得られ
た。
【0017】ここで、高周波パワーを5W未満にすると
放電が起こらず、300Wを超えると結晶中に窒素原子
が入り過ぎて結晶の品質が低下する。また、窒素ガス流
量を0.01cc/min未満にすると放電を維持する
ことが困難になり、0.5cc/minを超えるとMB
E装置の結晶成長に於ける圧力条件から外れる心配が生
じる。
【0018】尚、本実施例に於てフラックスモニタ21
を常に監視してその値に応じて各Kセル7、8のヒータ
7b、8bの温度を制御すれば、in−situで各分
子ビームをフィードバック制御でき、結晶の品質を向上
することができる。
【0019】また、本実施例ではII族元素として亜鉛
を用い、VI族元素としてセレンを用いたが、II族元
素としてカドミウム(Cd)、亜鉛(Zn)、マグネシ
ウム(Mg)のいずれか、VI族元素として硫黄
(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、マンガン
(Mn)のいずれかまたはこれらのII−VI族混晶を
用いても同様な効果が得られる。更に、本実施例では結
晶成長基板として砒化ガリウム(GaAs)基板を用い
たが、ZnSeやGaP或いは砒化ガリウム(GaA
s)基板上に適宜な薄膜結晶(例えばエピタキシャル結
晶成長させた砒化ガリウム膜など)を形成させたもので
あっても良い。
【0020】
【発明の効果】上記した説明により明らかなように、本
発明に基づく分子線エピタキシー装置によれば、II−
VI族化合物半導体エピタキシャル結晶を成長させるた
めに、窒素ドーパントを供給するべく、結晶成長室側に
開口すると共に窒素ガスの供給口を有する有底筒状のケ
ーシングの底部に磁石が設けられ、更にケーシングの外
周に高周波コイルを配設したプラズマ励起セルからなる
励起セル装置を用いることにより、低圧(10-7〜10
-9torr程度)の状態であっても低い高周波パワー
(5W〜300W)で高いプラズマ放電発光強度が得ら
れることから、容易にドーパントガス(窒素ガス)を励
起できると共にドーピングに寄与しない窒素分子ビーム
量が減り、成長面でのマイグレーションが促進され、更
に放電室内壁などからの汚染物質の発生が抑制される。
また、プラズマを発生させる際の結晶成長室内の圧力変
動が殆どないことから成長原料の分子ビームが安定す
る。以上のことから従来の分子線エピタキシー装置に簡
単な構造を付加するのみでII−VI族化合物半導体エ
ピタキシャル結晶の品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づく好適実施例に於ける分子線エピ
タキシー装置の概略構成を示す模式的断面図である。
【図2】図1の励起セル装置のみの要部拡大断面図であ
る。
【図3】ヘリコンプラズマ励起セルとrfプラズマ励起
セルとで高周波パワーに対するプラズマ放電発光強度を
比較したグラフである。
【符号の説明】
1 結晶成長室 2 超高真空排気装置 3 ホルダ 5 ヒータ 6 メインシャッタ 6a 駆動軸 7、8 クヌーセンセル 7a、8a るつぼ 7b、8b ヒータ 9、10 シャッタ 9a、10a 駆動軸 11 励起セル装置 11a シャッタ 12 ケーシング 12a オリフィス 13 窒素ガス供給口 14 管路 15 流量制御装置 16 減圧弁 17 磁石 18 窒素ボンベ 19 高周波コイル 20 高周波発生装置 21 フラックスモニタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H05H 1/46 L 9014−2G

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板の表面に、II族元素及びVI族
    元素からなる成長原料と窒素ドーパントガスとを供給す
    ることによりII−VI族化合物半導体エピタキシャル
    結晶を成長させる分子線エピタキシー装置であって、 前記窒素ドーパントを供給する励起セル装置が、結晶成
    長室側に開口すると共に窒素ガスの供給口を具備する有
    底筒状のケーシングと、該ケーシングの底部に設けられ
    た磁石と、前記ケーシングの外周に配設された高周波コ
    イルとを有するプラズマ励起セルからなることを特徴と
    する分子線エピタキシー装置。
  2. 【請求項2】 前記II族元素が亜鉛(Zn)からな
    り、前記VI族元素がセレン(Se)からなることを特
    徴とする請求項1に記載の分子線エピタキシー装置。
JP10229594A 1994-04-15 1994-04-15 分子線エピタキシー装置 Withdrawn JPH07288259A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7022182B1 (en) * 1999-09-01 2006-04-04 Japan Science And Technology Agency Ferromagnetic p-type single-crystal zinc oxide material and manufacturing method thereof
JP2007088509A (ja) * 1996-02-22 2007-04-05 Freescale Semiconductor Inc 誘導結合プラズマ・リアクタとその方法

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