JPH07291789A - Molecular beam epitaxy apparatus - Google Patents
Molecular beam epitaxy apparatusInfo
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- JPH07291789A JPH07291789A JP10229694A JP10229694A JPH07291789A JP H07291789 A JPH07291789 A JP H07291789A JP 10229694 A JP10229694 A JP 10229694A JP 10229694 A JP10229694 A JP 10229694A JP H07291789 A JPH07291789 A JP H07291789A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、基板の表面に成長原料
及びドーパントガスを供給することにより化合物半導体
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II−VI族化合物半導体エピタキシャ
ル結晶を成長させるのに適した分子線エピタキシー装置
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a molecular beam epitaxy apparatus for growing a compound semiconductor epitaxial crystal by supplying a growth raw material and a dopant gas to the surface of a substrate, and particularly to growing a II-VI group compound semiconductor epitaxial crystal. The present invention relates to a molecular beam epitaxy apparatus suitable for
【0002】[0002]
【従来の技術】化合物半導体のエピタキシャル結晶成長
法の一つ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)が一般に知られている。2. Description of the Related Art A molecular beam epitaxy method (hereinafter abbreviated as MBE method in this specification) is generally known as one of epitaxial crystal growth methods for compound semiconductors.
【0003】上記MBE法では一般的に10-7〜10
-10torr程度の気圧で処理を行う必要があり、特に
ドーパントとして気体を用いる場合、結晶成長室内の気
圧変動が成長原料の分子ビームに影響を及ぼすことが考
えられることから、分子ビームの強度を適正に制御する
必要がある。In the above MBE method, generally 10 −7 to 10
It is necessary to perform the treatment at an atmospheric pressure of about -10 torr. Especially when a gas is used as a dopant, it is considered that the atmospheric pressure fluctuation in the crystal growth chamber affects the molecular beam of the growth raw material. It needs to be properly controlled.
【0004】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rfプラズマ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))、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。On the other hand, Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 62-88329 discloses, as an example of a II-VI group epitaxial crystal, zinc selenide (ZnS) on a gallium arsenide (GaAs) substrate.
A structure for growing an epitaxial crystal of e) and introducing nitrogen (N) as a dopant to obtain a p-type crystal is disclosed. Also, according to DePuydt et al. In the US, a method has been proposed in which an active nitrogen beam is generated by an rf plasma cell by the MBE method to realize nitrogen doping of 10 18 cm −3 (Appl.Phys.Lett. 57,2127
(1991)), which suggests that a low-resistance p-type crystal can be obtained.
【0005】しかしながら、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の条件は他の例え
ばIII−V族などと比較して厳しいことから、通常の
結晶成長時よりも一層精密に分子ビームの強度を適正制
御する必要があるが、rfプラズマ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ず、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を生じ易くなる。また、この
気圧条件では分子ビームの強度を測定することは困難で
あり、この分子ビームに生じる揺らぎを適正に制御する
ことができず、結晶の品質を著しく低下させる。However, since the conditions for growing the II-VI group compound semiconductor epitaxial crystal are more severe than those of other groups such as III-V group, the intensity of the molecular beam is more precise than during normal crystal growth. However, in order to generate the activated nitrogen beam by the rf plasma cell, the atmospheric pressure condition should be at least 10 -5.
Must be about to 10 -6 torr, it tends to occur a fluctuation in the molecular beam growth material generated from the Knudsen cell by the pressure variation during the plasma generation. Further, under this atmospheric pressure condition, it is difficult to measure the intensity of the molecular beam, and fluctuations occurring in the molecular beam cannot be controlled appropriately, resulting in a significant reduction in crystal quality.
【0006】一方、ECRプラズマ放電やマイクロ波放
電を用いて活性窒素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 31p
-ZN1参照)、rfプラズマセルよりもやや低い気圧(1
0-7torr台後半程度)で放電を維持できるものの、
rfプラズマ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。On the other hand, a method of generating an activated nitrogen beam by using ECR plasma discharge or microwave discharge has been proposed (ECR plasma discharge: S. Itoh et al., For example.
See Jpn.J.Appl.Phys.31, L1361 (1992), Microwave discharge: Tsuka et al. 40th Joint Lecture on Applied Physics 31p
-ZN1), pressure slightly lower than rf plasma cell (1
Although at about 0 -7 torr base late) can maintain the discharge,
It is difficult to do as high concentration doping as an rf plasma cell,
Further, since the device is complicated and expensive, there are problems in maintainability and cost.
【0007】[0007]
【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、基板上に高い品質の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分子線エピタキシー
装置を提供することにある。また、本発明の別の目的
は、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I
I−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。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above, and its main purpose is to grow a high-quality compound semiconductor epitaxial crystal on a substrate. It is to provide a molecular beam epitaxy device capable of performing the same. Another object of the present invention is to facilitate the excitation of the doping gas, to have no influence on the crystal growth conditions, and to provide a high-quality I on the substrate.
It is an object of the present invention to provide a molecular beam epitaxy device capable of growing an I-VI group compound semiconductor epitaxial crystal and having a simple structure.
【0008】[0008]
【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、結晶成長室内にて基板の表面に成長原料とドー
パントガスとを供給することにより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、前記成長原料の分子ビームの強度を測定するべく
前記結晶成長室内に設けられた分子ビーム強度センサ
と、前記分子ビーム強度センサの測定値から前記成長原
料の分子ビームの強度をフィードバック制御する制御装
置とを有す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。According to the present invention, there is provided a molecular beam epitaxy apparatus for growing a compound semiconductor epitaxial crystal by supplying a growth raw material and a dopant gas to a surface of a substrate in a crystal growth chamber. And a feedback control of the intensity of the molecular beam of the growth raw material from the measurement value of the molecular beam intensity sensor provided in the crystal growth chamber to measure the intensity of the molecular beam of the growth raw material and the molecular beam intensity sensor. It is achieved by providing a molecular beam epitaxy device characterized by having a control device for
【0009】[0009]
【作用】上述の構成によれば、結晶成長室内に分子ビー
ム強度センサを設けて成長原料の分子ビームの強度を測
定することにより、その測定値から分子ビームの強度を
安定制御でき、常に良質の結晶が得られるようになる。
特に、磁石と高周波コイルとを具備するプラズマセル
(以下、本明細書ではヘリコンプラズマセルと記す)に
よりプラズマを発生させるようにすることで、低圧(1
0-7〜10-9torr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。ここ
で、低圧であれば一層分子ビーム強度が測定容易になる
ことから、II−VI族化合物半導体エピタキシャル結
晶を成長させる際に、従来の高圧条件下の結晶成長時よ
りも分子ビームの強度を監視し易くなり、フィードバッ
ク制御が容易に可能となる。According to the above structure, the molecular beam intensity sensor is provided in the crystal growth chamber to measure the intensity of the molecular beam of the growth raw material, so that the intensity of the molecular beam can be stably controlled from the measured value, and the quality of the beam can be constantly maintained. Crystals can be obtained.
In particular, by generating plasma by a plasma cell (hereinafter, referred to as a helicon plasma cell in the present specification) including a magnet and a high frequency coil, low pressure (1
Even in a state of 0 -7 to 10 -9 torr, a plasma discharge emission intensity higher than that of an rf plasma cell by an order of magnitude is obtained with a low high frequency power (5 W to 300 W). Here, since it is easier to measure the molecular beam intensity at a low pressure, the molecular beam intensity is monitored when growing a II-VI group compound semiconductor epitaxial crystal, as compared with the conventional crystal growth under high pressure conditions. The feedback control can be easily performed.
【0010】[0010]
【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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
【0011】図1は本発明が適用された第1の実施例に
於ける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。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a schematic structure of a molecular beam epitaxy apparatus (MBE apparatus) in a first embodiment to which the present invention is applied. This example is an MBE apparatus for growing an epitaxial crystal of zinc selenide (ZnSe) on a gallium arsenide (GaAs) substrate and introducing nitrogen (N) as a dopant to obtain a p-type crystal.
【0012】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。With the ultra-high vacuum exhaust device 2, 10 -7 to 10 -9
The substrate B is held by the holder 3 in the crystal growth chamber 1 capable of maintaining a high vacuum of about torr so that the processed surface faces downward. A heater 5 for heating the substrate is provided on the base end side of the holder 3, that is, on the upper side in the drawing. Further, the disk-shaped main shutter 6 has a position where the film formation of the substrate B is started, that is, a position where the processed surface of the substrate B is not covered, and a position where film formation is stopped, that is, a position where the processed surface of the substrate B is covered. It is rotatably supported between the two, and the film formation can be selectively started / stopped by rotating the drive shaft 6a from the outside.
【0013】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。Two Knudsen cells (hereinafter abbreviated as K cells in the present specification) opening toward the substrate B are provided at positions in the lower portion of the crystal growth chamber 1 that are substantially opposed to the substrate B.
7 and 8 are provided. These K cells 7 and 8 are crucibles 7 a and 8 a that open toward the substrate B and these crucibles 7 and 8.
It has heaters 7b and 8b for heating a and 8a. Further, disk-shaped shutters 9 and 10 similar to the main shutter 6 are provided in the openings of the K cells 7 and 8 at positions where the openings of the K cells 7 and 8 are covered and positions where the openings are not covered. Rotatably supported between the crucibles 7a and 8 by selectively rotating the drive shafts 9a and 10a from the outside.
The growth raw material received in a is irradiated onto the substrate B as a molecular beam.
【0014】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。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
とを具備するヘリコンプラズマセルからなる。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。Apart from the K cells 7 and 8, a nitrogen plasma excitation cell device 11 is provided at a position below the crystal growth chamber 1 and substantially facing the substrate B. This excitation cell device 11 has a bottomed cylindrical casing 12 made of high-purity ceramic that opens to the crystal growth chamber 1 side and forms a plasma generation chamber inside, and a casing 12 that opens to the bottom of the casing 12 and has a tube shape. A cylindrical magnet provided at the bottom of the casing 12 so as to surround the nitrogen gas supply port 13 connected to the nitrogen cylinder 18 via the passage 14, the flow rate control device 15, and the pressure reducing valve 16 and the pipe passage 14. 17 and a high-frequency coil 19 arranged on the outer periphery of the casing 12 and connected to the high-frequency generator 20.
And a helicon plasma cell equipped with. The opening of the casing 12 is provided with an orifice 12a for narrowing it down. A shutter 11a similar to the above shutter is provided at the opening of the casing 12.
【0015】一方、結晶成長室1内には、各分子ビーム
の強度を真空度から測定するべく公知のB−A型電離真
空計からなる分子ビーム強度センサとしてのフラックス
モニタ21が設けられている。フラックスモニタ21
は、各分子ビームが直接照射される位置、即ちメインシ
ャッタ6の直前位置と、各分子ビームが直接照射されな
い位置、即ち図1に於ける左側壁面近傍位置との間で矢
印に示すように移動し得るようになっている。また、フ
ラックスモニタ21は、制御装置22に接続されてい
る。この制御装置22は、各Kセル7、8に対応する温
度調節装置23、24に接続されている。この温度調節
装置23、24は、各Kセル7、8のるつぼ7a、8a
内にて各成長原料の温度を測定するための熱電対25、
26及び各ヒータ7b、8bの電源装置27、28に接
続され、フラックスモニタ21により測定された分子ビ
ーム強度に応じて制御装置22が、温度調節装置23、
24に設定温度を指令値として出力し、この温度調節装
置23、24が各Kセル7、8のるつぼ7a、8a内温
度を熱電対25、26をもって測定しつつ各ヒータ7
b、8bを電源装置27、28をもって個々に制御する
ことにより、るつぼ7a、8a内温度、即ち各分子ビー
ム強度をフィードバック制御するようになっている。On the other hand, in the crystal growth chamber 1, there is provided a flux monitor 21 as a molecular beam intensity sensor consisting of a known BA type ionization vacuum gauge for measuring the intensity of each molecular beam from the degree of vacuum. . Flux monitor 21
Is moved as shown by an arrow between a position where each molecular beam is directly irradiated, that is, a position immediately before the main shutter 6, and a position where each molecular beam is not directly irradiated, that is, a position near the left wall surface in FIG. Is ready to go. Further, the flux monitor 21 is connected to the control device 22. The control device 22 is connected to temperature control devices 23 and 24 corresponding to the K cells 7 and 8, respectively. The temperature control devices 23 and 24 are used in the crucibles 7a and 8a of the K cells 7 and 8, respectively.
A thermocouple 25 for measuring the temperature of each growth raw material inside,
26 and the power supplies 27 and 28 of the heaters 7b and 8b, and the controller 22 controls the temperature controller 23 and the temperature controller 23 according to the molecular beam intensity measured by the flux monitor 21.
The set temperature is output to 24 as a command value, and the temperature adjusting devices 23 and 24 measure the temperatures inside the crucibles 7a and 8a of the K cells 7 and 8 with the thermocouples 25 and 26, respectively.
By individually controlling b and 8b with the power supply devices 27 and 28, the temperature inside the crucibles 7a and 8a, that is, the intensity of each molecular beam is feedback-controlled.
【0016】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。The operation procedure of this embodiment will be described below. First, selenium (Se) is received in the crucible 7a and zinc (Zn) is received in the crucible 8a, the substrate B is held downward by the holder 3, and the inside of the crystal growth chamber 1 is evacuated by the ultrahigh vacuum exhaust device 2 to obtain 10 Maintain a high vacuum of about -7 to 10 -9 torr. Then, the substrate B is rotated and heated, and selenium and zinc are heated. At this time, each shutter 6,
9, 10, 11a are still closed.
【0017】次に、所定時間経過後にまずシャッタ9を
開閉してフラックスモニタ21によりセレンの分子ビー
ムが安定するように制御装置22、温度調節装置23及
び電源装置27をもって制御する。次にシャッタ10を
開閉してフラックスモニタ21により亜鉛の分子ビーム
が安定するように制御装置22、温度調節装置24及び
電源装置28をもって制御する。このとき、セレン及び
亜鉛の分子ビームが強度1:1で安定するように制御す
ると良い。各分子ビームが強度1:1で安定したら、フ
ラックスモニタ21を分子ビームが直接照射されない図
1に於ける左側壁面近傍位置に引っ込め、シャッタ9、
10を共に閉じ、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。Next, after a lapse of a predetermined time, the shutter 9 is first opened and closed, and the flux monitor 21 controls the controller 22, the temperature controller 23 and the power supply 27 so that the molecular beam of selenium is stabilized. Next, the shutter 10 is opened and closed, and the flux monitor 21 controls the zinc oxide molecular beam by the controller 22, the temperature controller 24, and the power supply 28 so that the zinc molecular beam is stabilized. At this time, it is advisable to control the molecular beams of selenium and zinc to be stable at an intensity of 1: 1. When each molecular beam is stabilized at an intensity of 1: 1, the flux monitor 21 is retracted to a position near the left wall surface in FIG.
10 is closed together, the shutter 11a is opened to generate a high frequency in the excitation cell device 11 (5 W to 300 W), and nitrogen gas is enclosed in the casing 12 at a flow rate in the range of 0.01 cc / min to 0.5 cc / min. It is supplied to the plasma generating chamber. Here, high-density nitrogen plasma is generated by the interaction between the magnetic field generated by the magnet 17 and the high-frequency coil 19. After that, when the nitrogen plasma is stabilized, the shutters 9 and 10 are opened, and finally the shutter 6 is opened to grow an epitaxial crystal of zinc selenide on the surface of the substrate B and nitrogen is introduced as a dopant into the p-type crystal. Can be obtained. With the p-type crystal thus formed, a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 was obtained.
【0018】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。Here, if the high frequency power is less than 5 W, no electric discharge occurs, and if it exceeds 300 W, nitrogen atoms are excessively introduced into the crystal and the quality of the crystal deteriorates. Also, if the nitrogen gas flow rate is less than 0.01 cc / min, it becomes difficult to maintain the discharge, and if it exceeds 0.5 cc / min, MB
There is a concern that the pressure may be deviated from the crystal growth condition of the E apparatus.
【0019】図2は本発明が適用された第2の実施例に
於けるMBE装置の概略構成を示す模式的断面図であ
り、第1の実施例と同様な部分には同一の符号を付し、
その詳細な説明を省略する。FIG. 2 is a schematic sectional view showing a schematic structure of an MBE apparatus according to the second embodiment to which the present invention is applied. The same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals. Then
Detailed description thereof will be omitted.
【0020】本実施例では、フラックスモニタ31、3
2が各Kセル7、8の直上の結晶成長の妨げにならない
位置に固定されている。また、フラックスモニタ31は
Kセル7に対応し、これに向けて開口する筒状カバー3
3に覆われ、かつフラックスモニタ32はKセル8に対
応し、これに向けて開口する筒状カバー34に覆われて
いる。これにより、高い指向性をもって各Kセル7、8
からの分子ビームの強度を測定することができる。更
に、各筒状カバー33、34には冷却管35、36が巻
装され、これにより筒状カバー33、34を冷却するこ
とでその内外面に付着した成長原料などが再蒸発してフ
ラックスモニタ31、32の測定精度を低下させること
を防止するようになっている。In this embodiment, the flux monitors 31 and 3 are used.
2 is fixed at a position directly above the K cells 7 and 8 that does not hinder the crystal growth. Further, the flux monitor 31 corresponds to the K cell 7 and has a cylindrical cover 3 that opens toward this.
3 and the flux monitor 32 corresponds to the K cell 8 and is covered with a tubular cover 34 that opens toward this. As a result, each K cell 7, 8 is highly directional.
The intensity of the molecular beam from can be measured. Further, cooling pipes 35 and 36 are wound around the cylindrical covers 33 and 34, respectively. By cooling the cylindrical covers 33 and 34 by this, the growth raw materials and the like adhering to the inner and outer surfaces thereof are re-evaporated and the flux monitors. It is designed to prevent the measurement accuracy of 31 and 32 from being lowered.
【0021】各フラックスモニタ31、32は第1の実
施例と同様な制御装置22に接続され、フラックスモニ
タ31、32により測定された分子ビーム強度に応じて
制御装置22が、温度調節装置23、24に設定温度を
指令値として出力し、この温度調節装置23、24が各
Kセル7、8のるつぼ7a、8a内温度を熱電対25、
26をもって測定しつつ各ヒータ7b、8bを電源装置
27、28をもって個々に制御することにより、るつぼ
7a、8a内温度、即ち各分子ビーム強度をフィードバ
ック制御するようになっている。それ以外の構造は第1
の実施例と同様である。The flux monitors 31 and 32 are connected to a control device 22 similar to that of the first embodiment, and the control device 22 controls the temperature control device 23, in accordance with the molecular beam intensity measured by the flux monitors 31 and 32. The set temperature is output to 24 as a command value, and the temperature adjusting devices 23 and 24 determine the temperature inside the crucibles 7a and 8a of the K cells 7 and 8 by the thermocouple 25 and
By individually controlling the heaters 7b and 8b with the power supply devices 27 and 28 while measuring 26, the temperature inside the crucibles 7a and 8a, that is, the intensity of each molecular beam is feedback-controlled. Other structures are first
It is similar to the embodiment of.
【0022】以下に本実施例の作動要領について説明す
る。るつぼ7a、8aにセレン、亜鉛を受容し、基板B
をホルダ3に保持して真空引きし、基板B、セレン、亜
鉛を加熱するまでの手順は第1の実施例と同様である。The operating procedure of this embodiment will be described below. The selenium and zinc are received in the crucibles 7a and 8a, and the substrate B
Is held in the holder 3 and vacuumed to heat the substrate B, selenium, and zinc in the same manner as in the first embodiment.
【0023】次に、所定時間経過後にまずシャッタ9、
10を開閉してフラックスモニタ31、32により各分
子ビームの強度を測定してセレン、亜鉛の分子ビームが
安定するように制御装置22、温度調節装置23、24
及び電源装置27、28をもって制御する。そして、励
起セル装置11にて高周波を発生させ、窒素ガスをケー
シング12内に郭成されたプラズマ発生室に供給する。
その後、窒素プラズマが安定したら、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す
る。このとき、本実施例では前記したようにフラックス
モニタ31、32が結晶成長の妨げにならない位置に固
定されていることから結晶成長中もフラックスモニタ3
1、32により各分子ビーム強度を測定し続けることが
でき、セレン、亜鉛の分子ビームが安定するように制御
装置22、温度調節装置23、24及び電源装置27、
28をもって制御し続けることができる。これにより、
第1の実施例よりも一層各分子ビームの強度を適正制御
でき、結晶品質が向上する。尚、本実施例ではフラック
スモニタに直接分子ビームを照射してその強度を測定す
るものではないが、成長原料の蒸発により直上に進む分
子の量(強度)と分子ビームの強度とは略比例すること
から実際に分子ビームの強度を測定するのと同様な測定
結果が得られる。Next, after a lapse of a predetermined time, the shutter 9,
10 is opened / closed, and the intensity of each molecular beam is measured by the flux monitors 31 and 32 so that the molecular beams of selenium and zinc are stabilized, and the control device 22 and the temperature control devices 23 and 24 are used.
And the power supply devices 27 and 28. Then, a high frequency is generated in the excitation cell device 11, and nitrogen gas is supplied to the plasma generation chamber defined inside the casing 12.
After that, when the nitrogen plasma is stabilized, the shutter 6 is opened to grow an epitaxial crystal of zinc selenide on the surface of the substrate B while introducing nitrogen as a dopant into the epitaxial crystal. At this time, in the present embodiment, as described above, the flux monitors 31 and 32 are fixed at positions that do not hinder the crystal growth.
1, 32 can continue to measure each molecular beam intensity, and the control device 22, the temperature control devices 23, 24, and the power supply device 27 so that the molecular beams of selenium and zinc are stabilized.
You can continue to control with 28. This allows
The intensity of each molecular beam can be controlled more appropriately than in the first embodiment, and the crystal quality is improved. In the present embodiment, the flux monitor is not directly irradiated with the molecular beam to measure its intensity, but the amount (intensity) of molecules advancing directly above due to evaporation of the growth raw material is approximately proportional to the molecular beam intensity. Therefore, a measurement result similar to that of actually measuring the intensity of the molecular beam can be obtained.
【0024】尚、上記各実施例では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)のいずれかあるいは、これらを含むII−VI
族混晶を用いても同様な効果が得られる。更に、上記各
実施例では結晶成長基板として砒化ガリウム(GaA
s)基板を用いたが、ZnSeやGaP或いは砒化ガリ
ウム(GaAs)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。Although zinc is used as the group II element and selenium is used as the group VI element in each of the above-mentioned examples, any one of cadmium (Cd), zinc (Zn), and magnesium (Mg) can be used as the group II element. Any one of sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), and manganese (Mn) as a group VI element, or II-VI containing these
The same effect can be obtained by using a group mixed crystal. Furthermore, in each of the above embodiments, gallium arsenide (GaA) is used as the crystal growth substrate.
s) Although the substrate is used, a suitable thin film crystal (eg, gallium arsenide film obtained by epitaxial crystal growth) may be formed on a ZnSe, GaP, or gallium arsenide (GaAs) substrate.
【0025】[0025]
【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、結晶成
長室内に設けられた各分子ビームの強度を測定するため
のセンサの測定値から成長原料の分子ビームの強度をフ
ィードバック制御することにより、分子ビームの強度が
安定し、常に良質の結晶が得られるようになる。特に、
ヘリコンプラズマセルによりプラズマを発生させるよう
にすることで、低圧であって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て容易にドーパントガス
を励起できるようになることから真空度を高くでき、即
ち分子ビーム強度が測定容易になり、成長原料の分子ビ
ームを安定させるべく精密にフィードバック制御できる
ため、良質なII−VI族化合物半導体エピタキシャル
結晶を容易に成長させることができる。As is apparent from the above description, according to the molecular beam epitaxy apparatus of the present invention, the growth raw material is obtained from the measured value of the sensor for measuring the intensity of each molecular beam provided in the crystal growth chamber. By feedback controlling the intensity of the molecular beam of, the intensity of the molecular beam becomes stable, and a good quality crystal can always be obtained. In particular,
By generating plasma with a helicon plasma cell, even if the pressure is low, high plasma discharge emission intensity can be obtained with low high-frequency power, and the dopant gas can be easily excited, so that the degree of vacuum can be increased. That is, since the intensity of the molecular beam can be easily measured and the feedback control can be precisely performed to stabilize the molecular beam of the growth raw material, a high-quality II-VI group compound semiconductor epitaxial crystal can be easily grown.
【図1】本発明に基づく第1の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。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a schematic configuration of a molecular beam epitaxy apparatus according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明に基づく第2の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図1と同様な断面図で
ある。FIG. 2 is a sectional view similar to FIG. 1, showing a schematic configuration of a molecular beam epitaxy apparatus according to a second embodiment of the present invention.
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 22 制御装置 23、24 温度調節装置 25、26 熱電対 27、28 ヒータ電源装置 31、32 フラックスモニタ 33、34 筒状カバー 35、36 冷却管 1 crystal growth chamber 2 ultra-high vacuum exhaust device 3 holder 5 heater 6 main shutter 6a drive shaft 7, 8 Knudsen cell 7a, 8a crucible 7b, 8b heater 9, 10 shutter 9a, 10a drive shaft 11 excitation cell device 11a shutter 12 casing 12a Orifice 13 Nitrogen gas supply port 14 Pipeline 15 Flow control device 16 Pressure reducing valve 17 Magnet 18 Nitrogen cylinder 19 High frequency coil 20 High frequency generator 21 Flux monitor 22 Control device 23, 24 Temperature control device 25, 26 Thermocouple 27, 28 Heater Power supply device 31, 32 Flux monitor 33, 34 Cylindrical cover 35, 36 Cooling pipe
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成6年8月3日[Submission date] August 3, 1994
【手続補正1】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0009[Correction target item name] 0009
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0009】[0009]
【作用】上述の構成によれば、結晶成長室内に分子ビー
ム強度センサを設けて成長原料の分子ビームの強度を測
定することにより、その測定値から分子ビームの強度を
安定制御でき、常に良質の結晶が得られるようになる。
特に、磁石と高周波コイルとを具備するプラズマセル
(以下、本明細書ではヘリコンプラズマセルと記す)に
よりプラズマを発生させるようにすることで、低圧(1
0-7〜10-9torr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(図3参
照)。ここで、低圧であれば一層分子ビーム強度が測定
容易になることから、II−VI族化合物半導体エピタ
キシャル結晶を成長させる際に、従来の高圧条件下の結
晶成長時よりも分子ビームの強度を監視し易くなり、フ
ィードバック制御が容易に可能となる。According to the above structure, the molecular beam intensity sensor is provided in the crystal growth chamber to measure the intensity of the molecular beam of the growth raw material, so that the intensity of the molecular beam can be stably controlled from the measured value, and the quality of the beam can be constantly maintained. Crystals can be obtained.
In particular, by generating plasma by a plasma cell (hereinafter, referred to as a helicon plasma cell in the present specification) including a magnet and a high frequency coil, low pressure (1
Even in a state of 0 -7 to 10 -9 torr), a plasma discharge emission intensity higher than that of an rf plasma cell by an order of magnitude can be obtained with a low high frequency power (5 W to 300 W) (see FIG. 3).
See) . Here, since it is easier to measure the molecular beam intensity at a low pressure, the molecular beam intensity is monitored when growing a II-VI group compound semiconductor epitaxial crystal, as compared with the conventional crystal growth under high pressure conditions. The feedback control can be easily performed.
【手続補正2】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】図面の簡単な説明[Name of item to be corrected] Brief description of the drawing
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図1】本発明に基づく第1の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。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a schematic configuration of a molecular beam epitaxy apparatus according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明に基づく第2の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図1と同様な断面図で
ある。 FIG. 2 is a sectional view similar to FIG. 1, showing a schematic configuration of a molecular beam epitaxy apparatus according to a second embodiment of the present invention.
【図3】ヘリコンプラズマセルとrfプラズマセルとのFIG. 3 shows a helicon plasma cell and an rf plasma cell.
発光強度を比較するためのグラフである。It is a graph for comparing luminescence intensity.
【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 22 制御装置 23、24 温度調節装置 25、26 熱電対 27、28 ヒータ電源装置 31、32 フラックスモニタ 33、34 筒状カバー 35、36 冷却管[Description of Reference Signs] 1 crystal growth chamber 2 ultra-high vacuum exhaust device 3 holder 5 heater 6 main shutter 6a drive shaft 7, 8 Knudsen cell 7a, 8a crucible 7b, 8b heater 9, 10 shutter 9a, 10a drive shaft 11 excitation cell Device 11a Shutter 12 Casing 12a Orifice 13 Nitrogen gas supply port 14 Pipeline 15 Flow rate control device 16 Pressure reducing valve 17 Magnet 18 Nitrogen cylinder 19 High frequency coil 20 High frequency generator 21 Flux monitor 22 Control device 23, 24 Temperature control device 25, 26 Thermoelectric Pair 27, 28 Heater power supply 31, 32 Flux monitor 33, 34 Cylindrical cover 35, 36 Cooling pipe
Claims (4)
料とドーパントガスとを供給することにより化合物半導
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、 前記成長原料の分子ビームの強度を測定するべく前記結
晶成長室内に設けられた分子ビーム強度センサと、 前記分子ビーム強度センサの測定値から前記成長原料の
分子ビームの強度をフィードバック制御する制御装置と
を有することを特徴とする分子線エピタキシー装置。1. A molecular beam epitaxy apparatus for growing a compound semiconductor epitaxial crystal by supplying a growth raw material and a dopant gas to a surface of a substrate in a crystal growth chamber, the intensity of a molecular beam of the growth raw material being measured. In order to do so, a molecular beam intensity sensor is provided in the crystal growth chamber, and a control device for feedback-controlling the intensity of the molecular beam of the growth raw material from the measured value of the molecular beam intensity sensor is used. apparatus.
原料をヒータで加熱することによりその分子ビームを発
生するようになっており、 前記制御装置が、前記ヒータによる加熱状態を制御する
ことにより分子ビームの強度を制御することを特徴とす
る請求項1に記載の分子線エピタキシー装置。2. The molecular beam epitaxy apparatus is adapted to generate a molecular beam by heating a growth raw material with a heater, and the control apparatus controls a heating state by the heater to cause the molecular beam to grow. 2. The molecular beam epitaxy apparatus according to claim 1, wherein the intensity of the molecular beam epitaxy is controlled.
空計からなり、該電離真空計により測定された真空度か
ら分子ビーム強度を求めることを特徴とする請求項1若
しくは請求項2に記載の分子線エピタキシー装置。3. The molecule according to claim 1, wherein the molecular beam intensity sensor is composed of an ionization vacuum gauge, and the molecular beam intensity is obtained from the degree of vacuum measured by the ionization vacuum gauge. Line epitaxy equipment.
元素からなると共に前記ドーパントが窒素からなり、前
記化合物半導体エピタキシャル結晶が、II−VI族化
合物半導体エピタキシャル結晶からなり、 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
イルとを具備するプラズマセルからなることを特徴とす
る請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の分子線エピ
タキシー装置。4. The growth raw material comprises a Group II element and a Group VI element, the dopant comprises nitrogen, the compound semiconductor epitaxial crystal comprises a II-VI compound semiconductor epitaxial crystal, and the nitrogen dopant is supplied. The excitation cell device has a bottomed cylindrical casing having a nitrogen gas supply port and opening to the crystal growth chamber side, a magnet provided at the bottom of the casing, and a high frequency wave disposed on the outer periphery of the casing. The molecular beam epitaxy apparatus according to any one of claims 1 to 3, comprising a plasma cell including a coil.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10229694A JPH07291789A (en) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Molecular beam epitaxy apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10229694A JPH07291789A (en) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Molecular beam epitaxy apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07291789A true JPH07291789A (en) | 1995-11-07 |
Family
ID=14323660
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10229694A Withdrawn JPH07291789A (en) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Molecular beam epitaxy apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH07291789A (en) |
-
1994
- 1994-04-15 JP JP10229694A patent/JPH07291789A/en not_active Withdrawn
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