JPH08236447A

JPH08236447A - 分子線エピタキシ装置とそれを用いた化合物半導体薄膜の製造方法および化合物半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH08236447A
Application number: JP3786695A
Authority: JP
Inventors: Teruo Busshu; 照夫物集; Kiyoshi Ouchi; 潔大内; Kazuhiko Hosomi; 和彦細見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 1996-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】ホール移動度が高く、結晶性の良好な化合物半
導体薄膜が得られる改良された電子ビーム蒸着装置を備
えた分子線蒸着装置と、この装置を用いた化合物半導体
薄膜の製造方法およぴ化合物半導体装置の製造方法とを
実現する。【構成】炭素等の固体ソース源としてＭＢＥ装置に使用
する電子ビーム蒸着装置の構成を、電子銃本体１の外周
部に設けられたヒートシールド７の外壁に、例えばヒー
タ１１による加熱手段を設けて、蒸着開始前に予めヒー
トシールド７を加熱し、焼だしにより不純ガスを除去し
ておき、その後の結晶成長時に電子銃周辺部からのガス
放出を抑制する構造にする。【効果】ＨＢＴなどのヘテロ構造デバイスに不可欠な、
極めて急峻な不純物プロファイルを有する高品質なｐ型
化合物半導体薄膜が形成できる。炭素をドーパントとし
てもホール移動度を従来の２倍に改善し、Ｂｅと同等に
でき素子特性を大幅に向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分子線エピタキシ装置
とそれを用いた化合物半導体薄膜の製造方法および化合
物半導体装置の製造方法に係り、特にドーパントとして
炭素のごとき高融点材料を固体ソースとして用いる場合
に好適な電子ビーム蒸着装置を備えた分子線エピタキシ
装置とそれを用いた化合物半導体薄膜の製造方法および
化合物半導体装置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体は、電子移動度・飽和電子
速度がＳｉにくらべ優れているため、高速・高周波デバ
イスを実現できるとして注目を集めている。なかでも、
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、高速
・高周波特性に優れるとして、近年活発に研究開発され
ている。このＨＢＴ構造の形成方法としては、主にドー
パントのドープ量分布に急峻なプロファイルが容易に得
られる分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）が用いられてい
る。

【０００３】例えば、ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓ系のｎｐｎ
型ＨＢＴ構造をＭＢＥ法により製造する場合には、Ｉｎ
ＧａＡｓベース層へのｐ型ドーパントとして、従来ベリ
リウムＢｅを用いていたが、拡散係数が大きく、薄膜形
成中あるいは素子形成後の通電中に、Ｂｅがベース層か
らエミッタ層（例えばＩｎＰ）およびコレクタ層（例え
ばＩｎＧａＡｓ）に拡散し、特性の劣化を来たしてい
た。このため、Ｂｅに代えて拡散係数の小さな炭素がド
ーパントとして用いられるようになってきた。炭素ソー
スとしては、当初グラファイトフィラメントが用いられ
たが、寿命が短く、また制御性も悪く実用に供さなかっ
た。

【０００４】その後、ＭＢＥ装置の排気系をイオンポン
プからターボポンプ等のガス対応の排気系に切り替え、
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で用いられている
トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）が検討されているが、
結晶成長室に残留する炭素のメモリ効果のため次に成長
する膜（例えばエミッタ層）への炭素汚染および蒸着ソ
ースの汚染等が問題となっていた。

【０００５】これらの解決策として、電子ビーム蒸着を
用いた固体ソースによるベース層への高濃度炭素ドーピ
ングが検討されている。以下、図４に示した従来の電子
ビーム蒸着装置の概略断面図を用いて説明する。図に於
いて、１は電子銃本体、２はルツボの中に充填された炭
素ソース、３はシャッタ、４は電流導入ケーブル、５は
電子銃用熱電対、６は電子銃本体を冷却するための冷却
水導入パイプ、７はヒートシールド、８は真空チャンバ
取付フランジ、９はシャッタ３の回転導入器である。

【０００６】この電子ビーム蒸着装置をＭＢＥ装置に取
り付けて、ＧａＡｓに炭素ドーピングを行った結果、通
常のＭＢＥにおけるドーピングと同様に急峻なドーピン
グプロファイルが得られている。しかし、ＧａＡｓ膜の
移動度（ホール移動度）は図５に示した如く、１×１０
¹⁹ｃｍ^-3以上のキャリア濃度においてＢｅドープ膜に比
べて半分程度の値しか得ることが出来なかった。すなわ
ち、図５は、横軸にキャリア濃度（ｃｍ^-3）を、縦軸に
ホール移動度（ｃｍ²／ｖ・ｓ）を、それぞれ示してお
り、△プロットが炭素ドープＧａＡｓ、実線が比較のた
めに示したＢｅドープＧａＡｓ（Ｂｅのドープピング
は、ヒータ加熱方式による蒸着によるもの）の特性であ
る。

【０００７】なお、この種の固体ソースＭＢＥ法におけ
る電子銃を用いた高濃度炭素ドーピングに関連するもの
として、第４０回応用物理学関係連合講演会、講演予稿
行集第２０４頁、２９ｐ−ＺＱ−２（１９９３年春季）
が挙げられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように従来の固体ソースによる電子ビーム蒸着装置を
用いて炭素ドーピングを行った場合、ホール移動度が従
来法（Ｂｅドープ）の約１／２程度と低く、しかも高純
度結晶が得られないという問題があった。

【０００９】したがって、本発明の目的は、このような
従来の問題点を解消することにあり、その第１の目的は
ホール移動度が高く、結晶性の良好な化合物半導体薄膜
が得られる改良された電子ビーム蒸着装置を備えた分子
線蒸着装置を、第２の目的はそれを用いた化合物半導体
薄膜の製造方法を、そして第３の目的は化合物半導体装
置の製造方法を、それぞれ提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者等は固体ソースによる電子ビーム蒸着装置
を用いて炭素ドーピングを行い、その際に生じるホール
移動度の低下および結晶性の劣化原因について種々実験
検討を行なった。その結果、炭素蒸着時に電子銃本体か
ら漏れ出る電子ビームが、その外壁を構成しているヒー
トシールドに当たることによって異常加熱が起こり、ヒ
ートシールド壁に吸着もしくは付着していた残留ガス等
の不純物が、炭素ビームと共にＭＢＥ装置の結晶成長室
内に移送されて結晶性の劣化が起こるという重要な知見
を得た。

【００１１】本発明は、かかる知見に基づいてなされた
ものであり、上記第１の目的は、ＭＢＥ装置に設けられ
た電子ビーム蒸着装置に、電子銃周辺部からのガス放出
を抑制する手段を配設することによって解決される。

【００１２】ガス放出を抑制する手段としては、例えば
電子銃本体の外周を囲うヒートシールド壁面に加熱装
置を配設し、蒸着開始前にヒートシールド壁面を加熱し
て脱ガスする構成とするか、加熱装置の代わりに冷却
装置を配設し、蒸着中に電子銃本体から漏れ出る電子ビ
ームがヒートシールド壁面に当たってもガス放出が起こ
らない構成とするか、電子銃本体もしくはヒートシー
ルドのいずれかを相対的に移動し得る移動手段を備え、
蒸着開始前に予め電子銃本体から漏れ出る電子ビームに
よってヒートシールド壁面を加熱することによって脱ガ
スする構成とするか、ヒートシールドの最も内側にグ
ラファイト板を配設して、電子銃本体から漏れ出る電子
ビームをこのグラファイト板で遮断する構成とするか、
もしくはこれら〜の組み合わせとする。

【００１３】これら〜の手段は、少なくとも電子銃
本体から漏れ出る電子ビームがヒートシールドに当たる
特定壁面領域に配設すればよく、必ずしもヒートシール
ドの全長にわたって設ける必要はない。経験的には、例
えばヒートシールドの上端部から全長の約１／４程度の
領域までが特定壁面領域となる。

【００１４】また、上記第２の目的は、ＭＢＥ装置に設
けられた電子ビーム蒸着装置によって固体ソースを用い
て真空雰囲気下で化合物半導体に所定のドーパントをド
ープする工程を有する化合物半導体薄膜の製造方法にお
いて、固体ソースにより所定のドーパントをドープする
工程を、上記第１の目的を達成することのできるＭＢＥ
装置の電子ビーム蒸着装置を用いてドーパントを供給し
てドープする工程として成る化合物半導体薄膜の製造方
法によって達成される。

【００１５】なお、化合物半導体としては、例えばＧａ
Ａｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、
ＡｌＳｂ並びにこれらの化合物を組み合わせた混晶系、
例えばＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰのごとき３元および、
例えばＩｎＧａＡｓＰのごとき４元混晶を含む周知のII
I−Ｖ族化合物半導体が用いられる。さらにその他の化
合物半導体として、例えばＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＭｇ
ＳＳｅのごときII−ＶI族化合物半導体も適用できる。

【００１６】また、電子ビーム蒸着装置による固体ソー
スのドーパントとしては炭素（Ｃ）のごとき高融点材
料、その他場合によっては鉄（Ｆｅ）、シリコン（Ｓ
ｉ）等も使用できる。

【００１７】電子ビーム蒸着装置によって炭素等のドー
パントを結晶成長室に供給するに際しては、電子銃のフ
ィラメント電流を瞬時に少なくとも１００ｍＡ以上に増
加させ、所定時間ドーピングを行なった後、瞬時に電流
を下げることが望ましい。そして、電子銃のフィラメン
ト電流を少なくとも１００ｍＡ以上に保持し、シャッタ
の開閉により所定時間ドーピングを行うことが望まし
い。

【００１８】また、上記第３の目的は、ＭＢＥ装置に設
けられた電子ビーム蒸着装置によって固体ソースを用い
て真空雰囲気下で化合物半導体に所定のドーパントをド
ープする工程を有する化合物半導体装置の製造方法にお
いて、固体ソースにより所定のドーパントをドープする
工程を、上記第１の目的を達成することのできるＭＢＥ
装置の電子ビーム蒸着装置を用いてドーパントを供給し
てドープする工程として成る化合物半導体装置の製造方
法によって達成される。半導体装置としては、ＨＢＴ構
造のみならず、その他例えばＨＥＭＴ等の電界効果トラ
ンジスタ（ＦＥＴ）にも適用できる。

【００１９】ＨＢＴ構造のｎｐｎ型化合物半導体装置の
製造方法を代表例として述べると、III族原料にＧａ、
Ｉｎ、Ｖ族原料にＡｓ、Ｐ、もしくはアルシンＡｓ
Ｈ₃、ホスフィンＰＨ₃を用いて形成する。基本的な製造
工程は、先ず本発明のＭＢＥ装置の結晶成長室の試料台
にＩｎＰ基板を保持し、Ｓｉをドープしたｎ型ＩｎＧａ
Ａｓ層（コレクタ）を成長させる工程と、次いで炭素を
ドープしたｐ型ＩｎＧａＡｓ層（薄いベース）を成長さ
せる工程と、再度Ｓｉをドープしたｎ型ＩｎＰ層（エミ
ッタ）を成長させる工程とで構成される。

【００２０】本発明の特徴は、この薄いｐ型ベース層形
成工程において、上記電子ビーム蒸着装置に固体ソース
として例えばグラファイトを用いて炭素ビームを結晶成
長室に供給してベース層を形成するところにある。

【００２１】なお、必要に応じてドーパントの導入方法
をこれとは逆にしてベース層をｎ型、コレクタおよびエ
ミッタをｐ型にすれば、同様の方法で逆導電型のｐｎｐ
型化合物半導体装置が得られる。勿論、この場合のｐ型
コレクタおよびエミッタの炭素ドープは、上記電子ビー
ム蒸着装置に固体ソースとしてグラファイトを用いて炭
素ビームを結晶成長室に供給すればよい。

【００２２】

【作用】本発明の電子ビーム蒸着装置には、電子銃周辺
部からのガス放出を抑制する手段が配設されていること
から、高純度結晶が得られ、ホール移動度の大きな化合
物半導体薄膜を形成することができる。

【００２３】ガス放出を抑制する手段がの場合には、
ヒートシールド壁面に設けた加熱装置の作用により、蒸
着開始前にヒートシールド壁面を加熱することで壁面に
吸着されたガスや付着していた残留ガス等の不純物は、
高真空に保持された結晶成長室から外部に排出される。
このような脱ガスのための加熱手段を、ここでは焼きだ
し機構と呼んでいる。

【００２４】また、ガス放出を抑制する手段がの場合
には、ヒートシールド壁面に設けた冷却装置の作用によ
り、蒸着中に電子銃本体から漏れ出る電子ビームがヒー
トシールド壁面に当たっても壁面が冷却されているため
ガス放出が起こらない。

【００２５】また、ガス放出を抑制する手段がの場合
には、蒸着開始前に予め電子銃本体から漏れ出る電子ビ
ームによって積極的にヒートシールド壁面を加熱するこ
とで、の場合と同様に脱ガスし、不純物は結晶成長室
から外部に排出される。

【００２６】さらにまた、ガス放出を抑制する手段が
の場合には、ヒートシールドの最も内側にグラファイト
板を配設することによって、電子銃本体から漏れ出る電
子ビームをこのグラファイト板で遮断するため、ヒート
シールド壁面の異常加熱が防止されガス放出が起こらな
い。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面にしたがって
説明する。なお、実施例１〜４では、ＭＢＥ装置に適用
する固体ソース用電子ビーム蒸着装置を主体とした構成
例を、実施例５では、この電子ビーム蒸着装置を備えた
ＭＢＥ装置の構成例と、それを用いて化合物半導体薄膜
を形成する方法及び化合物半導体装置の製造方法の例に
ついて、それぞれ説明する。

【００２８】〈実施例１〉図１は、本発明の一実施例を
示すＭＢＥ装置に適用する固体ソース用電子ビーム蒸着
装置の要部断面図である。同図において、１は電子銃本
体、２はルツボ内に充填された固体ソース（炭素ソー
ス）、３はシャッタ、４ａは電流導入ケーブル、５は電
子銃用熱電対、６は電子銃本体の冷却水導入パイプ、７
は電子銃本体１の外周を囲むヒートシールド、８は真空
チャンバ取付フランジ、９はシャッタの回転導入器、１
０は電子銃本体の支持体である。本実施例においては、
漏れ電子ビーム等によりヒートシールド７が加熱されて
不純物ガスを放出するのを防止するために、予めヒート
シールド７の外壁に取り付けたヒータ１１（電流導入ケ
ーブル４ｂにより給電）により、ヒートシールドを１３
００〜１４００℃の高温で焼きだしを行うことが出来る
ように構成されている。

【００２９】なお、ヒートシールド７は、通常Ｔａもし
くはＭｏ等の高融点金属で形成され、ヒータ１１は例え
ば電熱線による抵抗加熱方式のもので形成することがで
きる。そしてヒータ１１の温度制御は、図示されていな
い制御系によって、電子銃本体１が電流導入ケーブル４
ａを通して給電加熱される前に、ヒートシールド７が十
分に焼きだされ、不純ガスを放出しなくなるまでの所定
時間の間、加熱される。

【００３０】〈実施例２〉図２は、本発明の他の実施例
を示す電子ビーム蒸着装置の要部断面図である。本実施
例においては、漏れ電子ビーム等によりヒートシールド
７が加熱されて不純物ガスを放出するのを防止するため
に、ヒートシールド７の外壁に冷却手段として冷却パイ
プ１２を取り付け、ヒートシールド７の温度が上昇しな
いようにした。

【００３１】冷却パイプ１２は、銅パイプ等の熱伝導良
好なパイプで形成され、周知の例えば水を冷媒として循
環させる構造とした。この例では、電子銃本体１の外壁
を冷却するための冷却水導入パイプ６から分岐させて冷
却パイプ１２を配設したが、必要に応じて冷却パイプ１
２を独立させた配管構成としてもよい。

【００３２】〈実施例３〉図３は、本発明の他の実施例
を示す電子ビーム蒸着装置の要部断面図である。本実施
例においては、ベローズ１３ａによる移動機構１３を取
付け、電子銃本体１の位置をヒートシールド７の上端部
近傍から下方にヒートシールド全長の約１／４の位置を
下点とするストロークで移動させることが出来る構成と
した。

【００３３】電子ビーム蒸着装置使用時には、漏れ電子
ビーム等によりヒートシールド７が加熱されるが、本移
動機構の採用により、予めヒートシールド７が加熱され
る領域を漏れ電子ビームによって均一に加熱し、ヒート
シールドの焼きだしを事前に行うことが出来るようにし
た。このため、実使用時（結晶成長時）に不純物ガスが
結晶成長室に放出するのを防止出来た。

【００３４】移動機構１３の構成は、図示の通りべロー
ズ１３ａの一方の面が支持体１０´によってフランジ８
に固定され、他方の面には支持体１０により電子銃本体
１が固定される。１５は、その一端がべローズに固定さ
れたガイドａであり、１６は、このガイドａに係合して
その一端がフランジ８に固定されたガイドｂである。

【００３５】１４はガイドａ１５に一端が固定された操
作棒であり、これを上下に駆動することにより電子銃本
体１の位置をヒートシールド７内で上下に移動すること
ができる。ヒートシールド７の焼きだし中に電子銃本体
１の位置を移動させて、漏れ電子ビームによりヒートシ
ールド７の壁面を上下に走査して加熱し、蒸着本番に備
えてヒートシールド７から不純物ガスを放出させてお
く。

【００３６】なお、移動機構１３としては、このような
機械的な移動方式だけでなく、その他、例えば電磁移動
方式による、いわゆる磁気移送機構等でもよい。

【００３７】〈実施例４〉本実施例においては、図面を
省略しているが、単一あるいは複数のシールド板で構成
されるヒートシールド７のうち、最も内側のシールド板
をグラファイト板で形成した。これにより漏れ電子ビー
ムによるヒートシールド７の異常加熱が防止される。な
お、グラファイト板はヒートシールド７の全長にわたっ
て設ける必要はなく、実施例３の場合と同様にヒートシ
ールド７の上端部近傍から下方にヒートシールド全長の
約１／４の位置の領域までに設ければよい。また、グラ
ファイト板を配設する代わりに、少なくとも最も内側の
ヒートシールド７の内壁面に炭素被膜を蒸着等の方法で
コーティングしてもよい。

【００３８】〈実施例５〉（１）電子ビーム蒸着装置を備えたＭＢＥ装置の構成例図７は、ガスソースＭＢＥ装置の概略構成図を示したも
のである。ガスソースＭＢＥ装置の主要部は、大別する
と高真空に排気された結晶成長室２１と基板導入室（ロ
ードロック室）３０の２室から構成されている。結晶成
長室２１には、バルブＶ１を介して第１の排気系ＶＡＣ
１としてターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）と油拡散ポンプ
（ＤＰ）とが配設され、これらによって排気されてベー
ス圧力は液体窒素シュラウド２９を用いて１０^-10Ｔｏ
ｒｒ台に到達するように構成されている。

【００３９】さらに結晶成長室２１には、ヒータ２３を
内蔵した試料台３２が配設され、この試料台上に結晶基
板２２が保持されると共に、結晶基板２２の表面（薄膜
結晶成長面）に対向する結晶成長室の周壁に、結晶を成
長させる各種ソース源となる固体分子線セル２７、クラ
ッキングセル２５、２６及び電子ビーム蒸着装置２８
が、それぞれ対応するシャッタ７１、５１、６１及び８
１を介して放射状に配設されている。３１は、基板の温
度計測用のパイロメータである。

【００４０】結晶成長室２１の外部に設けられた２４
ａ、２４ｂは、ガスソースのマスフローコントローラで
あり、この例ではＶ族のＡｓ及びＰの原料としてＡｓＨ
₃とＰＨ₃を用いてそれぞれ流量を制御し、対応するクラ
ッキングセル２５（Ａｓセル）および２６（Ｐセル）に
必要とする流量で送給し、それぞれＡｓ₂とＰ₂に加熱分
解して基板２２に供給する構成としている。

【００４１】固体分子線セル２７は、ヒータ加熱方式の
セルで構成され、この例ではIII族原料のＧａ用分子線
セルを示しいる。Ｉｎ用分子線セルも配設されているが
この図では省略した。

【００４２】また、電子ビーム蒸着装置２８は、実施例
１の図１に示した構成のものを採用し、ｐ型ドーパント
として炭素を使用するため、ルツボにはグラファイトが
充填されている。

【００４３】ロードロック室３０の一方は、結晶成長室
２１にゲートバルブＧＶを介して接続され、他方はバル
ブＶ２を介して第２の排気系ＶＡＣ２を構成するターボ
分子ポンプ（ＴＭＰ）に接続されて所定の真空を保持す
る構造となっている。

【００４４】（２）炭素ドープｐ型ＧａＡｓ膜の製造例
とホール移動度の測定図７のＭＢＥ装置により、試料基板２２に（１００）Ｇ
ａＡｓ基板、Ｇａソースとして固体分子線セル２７、Ａ
ｓソースとしてＡｓＨ₃が送給されるクラッキングセル
（Ａｓセル）２５、炭素ドーパントとしてグラファイト
が充填され電子ビーム蒸着装置２８をそれぞれ用いて膜
厚５００ｎｍの炭素ドープによるｐ型ＧａＡｓ膜を形成
した。

【００４５】この炭素ドープのＧａＡｓ膜形成に際して
は、予め電子ビーム蒸着装置２８の電流導入ケーブル４
ｂ（図１参照）からヒータ１１（図１参照）に給電する
ことにより、ヒートシールド板７を１４００℃に１０時
間加熱し、焼だしによる脱ガス処理を行なう。続いてシ
ャッタ８１を開いて炭素を基板２２に供給すると共に、
シャッタ７１及び５１を開いてＡｓ及びＧａをそれぞれ
基板２２に供給して炭素がドープされたｐ型ＧａＡｓ薄
膜を形成した。

【００４６】図６は、このようにして形成された炭素ド
ープｐ型ＧａＡｓ膜のホール移動度の評価結果を示した
ものである。すなわち、縦軸にホール移動度を、横軸に
キャリア濃度をそれぞれ示しており、図中には比較のた
めに図５と同様のＢｅドープのＧａＡｓ膜の特性をも示
した。この結果から本発明によればホール移動度はＢｅ
ドープの場合と同等の移動度が得られており、図５に示
した従来の炭素ドープによる場合と比較して著しい特性
向上がみられ、高品質な結晶が得られた。

【００４７】この効果は、電子ビーム蒸着装置２８の構
造を改良したことによるものであり、本実施例では実施
例１に示した電子ビーム蒸着装置を採用しているが、実
施例２〜４に示したいずれの電子ビーム蒸着装置でも、
また、これら実施例１〜４の装置構成を組み合わせて用
いても良好な効果が得られることは明らかである。

【００４８】（３）ＨＢＴ構造のｎｐｎ型化合物半導体
装置の製造方法の一例図７に示したガスソースＭＢＥ装置を用いて、ＩｎＧａ
Ａｓ／ＩｎＰ系ＨＢＴ（ヘテロバイポーラトランジス
タ）構造の形成に適用した例を示す。

【００４９】図８に素子の断面構造図を示すように、基
板２２にはＩｎＰ基板を用い、その上に膜厚３００ｎｍ
のＳｉドープｎ型ＩｎＧａＡｓ（サブコレクタ層）／３
００ｎｍのＳｉドープｎ型ＩｎＧａＡｓ（コレクタ層）
／膜厚５０ｎｍの炭素ドープｐ型ＩｎＧａＡｓ（ベース
層）／膜厚３ｎｍのＩｎＧａＡｓ（ノンドープ層）／膜
厚５０ｎｍのＳｉドープｎ型ＩｎＰ（エミッタ層）／膜
厚５０ｎｍのＳｉドープｎ型ＩｎＰ（キャップ層）／膜
厚５０ｎｍのＳｉドープｎ型ＩｎＧａＡｓ（キャップ
層）を順次形成した。

【００５０】上記素子の具体的な製造方法を、図７に示
したＭＢＥ装置の操作手順と共に説明する。結晶成長室
２１はターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）および油拡散ポンプ
（ＤＰ）で排気され、ベース圧力は液体窒素シュラウド
２９を用いて１０^-10Ｔｏｒｒ台に到達している。

【００５１】Ｖ族原料のＡｓＨ₃とＰＨ₃は、マスフロー
コントローラ２４ａおよび２４ｂを用いて流量制御し、
クラッキングセル２５および２６により、それぞれＡｓ
₂とＰ₂に加熱分解してＩｎＰ基板２２に供給した。

【００５２】III族原料には金属ＩｎとＧａを用いた。
それぞれ固体分子線セル２７（図にはＧａ用分子線セル
を代表して示し、Ｉｎ用分子線セルは図示せず）を用い
て加熱蒸発させて供給した。

【００５３】また、ｐ型ドーパント（炭素Ｃ）には実施
例１記載の電子ビーム蒸着装置２８を用いてグラファイ
トを加熱蒸発させて用いた。なお、電子銃のフィラメン
ト電流は、１．０Ａ／ｓのスピードで瞬時に増大させ
た。ｎ型ドーパントにはＳｉを固体分子線セル（図示せ
ず）を用い、加熱蒸発させて基板２２に供給した。

【００５４】電子ビーム蒸着装置２８をＨＢＴ構造の形
成に用いる前に、結晶成長室２１内で、ヒートシールド
板７（図１参照）を予め１４００℃で１０時間焼きだし
を行った。

【００５５】先ず、基板２２の後方、試料台３２に設置
したヒータ２３により、パイロメータ３１で温度を計測
しながら４８０℃に加熱したＩｎＰ基板２２上に、Ｓｉ
を２×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたｎ型ＩｎＧａＡｓサブコ
レクタ層を３００ｎｍ、Ｓｉを２×１０¹⁶ｃｍ^-3ドープ
したｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層を３００ｎｍ順次形成
した後、Ｓｉセルのシャッタ（図示せず）を閉じ、電子
ビーム蒸着装置２８のシャッタ８１を開き、Ｃを４×１
０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたｐ型ＩｎＧａＡｓベース層を５０
ｎｍ形成した。

【００５６】その後、電子ビーム蒸着装置のシャッタ８
１を閉じ、ノンドープＩｎＧａＡｓ層を３ｎｍ形成し
た。この後、Ｇａセル２７のシャッタ７１、Ｉｎセルの
シャッタ（図示せず）、およびＡｓセル２５のシャッタ
５１を順次閉じ、ＩｎＧａＡｓ層の成長を終了した。な
お、このノンドープ層は必ずしも形成する必要はない
が、隣接する上下層へのＣの混入を防止する上で形成し
た方が有効である。

【００５７】次にＰセル２６のシャッタ６１を開き、そ
の後ＩｎおよびＳｉのセルシャッタ（共に図示せず）を
開き、Ｓｉを５×１０¹⁷ｃｍ^-3ドープしたｎ型ＩｎＰエ
ミッタ層を５０ｎｍ、さらにＳｉの分子線セル（図示せ
ず）の温度を上げて、Ｓｉを１×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープし
たｎ型ＩｎＰ層（キャッブ層）を５０ｎｍ成長した。そ
の後、Ｉｎ、Ｓｉのシャッタ（図示せず）、およびＰの
シャッタ６１を閉じ、ＩｎＰ層の成長を終了する。

【００５８】Ｓｉの温度を設定し直した後、Ａｓのシャ
タ５１、Ｉｎのシャッタ（図示せず）、Ｇａのシャッタ
７１、およびＳｉのセルシャッタ（図示せず）を開け
て、Ｓｉを２×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたｎ型ＩｎＧａＡ
ｓ層（キャップ層）を５０ｎｍ成長し、ダブルキャップ
層を有するＨＢＴ構造を形成した。

【００５９】このＨＢＴ構造におけるＣの濃度プロファ
イルは、図９に示したＳＩＭＳプロファイルからも明ら
かなように、急峻なプロファイルを示し、トランジスタ
特性も電流増幅率１００、遮断周波数１６０ＧＨｚと非
常に良好な値を示した。なお、比較例として従来の図４
に示した電子ビーム蒸着装置を用いて作成した炭素ドー
プのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層を有するＨＢＴ構造のト
ランジスタ特性は、電流増幅率３０、遮断周波数８０Ｇ
Ｈｚであつた。

【００６０】なお、上記実施例では、ｎｐｎ型ＨＢＴ構
造について説明しているが、ドーパントのドープ順を変
えて導電型を逆転したｐｎｐ型ＨＢＴ構造とすること、
さらには例えばＨＥＭＴのごとき周知のＦＥＴ構造の製
造にも適用できることは言うまでもない。

【００６１】また、ここではＩｎＧａＡｓとＩｎＰから
なるヘテロ構造膜を主体に説明しているが、その他の化
合物半導体材料系、例えばIII−Ｖ族半導体であれば、
ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ並びにこれら
の化合物を組み合わせた３元および４元混晶を含む化合
物半導体ヘテロ構造についても適用可能であり、またII
−ＶI族半導体のＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＭｇＳＳｅ等
の半導体薄膜の成長にも適用できるのは言うまでもな
く、本実施例と同様の効果が得られることは明らかであ
る。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明により所期
の目的を達成することができた。すなわち、改良された
電子ビーム蒸着装置を用いることにより、以下に示す効
果が得られた。炭素のごとき高融点のドーパントをドープした化合物
半導体層を高品質に、しかも容易に形成することが可能
となる。グラファイトが炭素ソースとして使用可能となり、蒸
着ソースの汚染を防止出来ると共に、急峻な濃度プロフ
ァイルのｐ型ドーピング層を安定して形成できる。化合物半導体装置の例えばＨＢＴ構造等の形成に適用
することにより、素子特性を大幅に向上することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例となる電子ビーム蒸着装置の
概略構成を示す断面図。

【図２】同じく他の実施例となる電子ビーム蒸着装置の
概略構成を示す断面図。

【図３】同じく他の実施例となる電子ビーム蒸着装置の
概略構成を示す断面図。

【図４】従来技術による電子ビーム蒸着装置の概略構成
を示す断面図。

【図５】従来技術による電子ビーム蒸着装置を用いて形
成したＣドープＧａＡｓ膜のホール移動度とキャリア濃
度の関係を示す特性図。

【図６】本発明による電子ビーム蒸着装置を用いて形成
したＣドープＧａＡｓ膜の移動度とキャリア濃度の関係
を示す特性図。

【図７】本発明による電子ビーム蒸着装置を備えたガス
ソースＭＢＥ装置の概略構成図。

【図８】本発明による電子ビーム蒸着装置を備えたガス
ソースＭＢＥ装置を用いて形成したヘテロバイポーラト
ランジスタの成膜断面構成図。

【図９】本発明による電子ビーム蒸着装置を備えたガス
ソースＭＢＥ装置を用いて形成したヘテロバイポーラト
ランジスタのＳＩＭＳによるドーピングプロファイル特
性図。

【符号の説明】

１…電子銃、２…蒸着材料、３
…シャッタ、４ａ…電子銃用電流
導入ケーブル、４ｂ…ヒータ用電流導入ケーブル、５
…熱電対、６…冷却水導入パイプ、７…ヒ
ートシールド、８…フランジ、９
…シャッタ回転導入機、１０…電子銃本体の支持体、
１０´…移動機構の支持体、１１…ヒータ、
１２…冷却水パイプ、１３…移動機
構、１３ａ…べローズ、１４…操作
棒、１５…ガイドａ、１６…ガイ
ドｂ、２１…結晶成長室、２２…基
板、２３…基板ヒータ、２４…
マスフローコントローラ、２５…ＡｓＨ₃用クラッ
キングセル、２６…ＰＨ₃用クラッキングセル、２７
…Ｇａ用分子線セル、２８…電子ビーム蒸着装置、
２９…シュラウド、３０…基板導入室（ロードロッ
ク室）、３１…パイロメータ、５１…Ａ
ｓ用シャッタ、６１…Ｐ用シャッタ、７
１…Ｇａ用シャッタ、８１…Ｃ用シャッタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体ソース源として電子ビーム蒸着装置を
備えた分子線エピタキシ装置であって、前記電子ビーム
蒸着装置を、少なくとも電子銃および電子銃の周囲を囲
むヒートシールドで構成すると共に、前記電子ビーム蒸
着装置に、電子銃周辺部からのガス放出を抑制する手段
を配設して成る分子線エピタキシ装置。
【請求項２】上記電子銃周辺部からのガス放出を抑制す
る手段を、電子銃本体の外周を囲うヒートシールド壁
面に加熱装置を配設し、蒸着開始前にヒートシールド壁
面を加熱する焼だしにより不純ガスを脱ガスする構成と
して成る請求項１記載の分子線エピタキシ装置。
【請求項３】上記電子銃周辺部からのガス放出を抑制す
る手段を、電子銃本体の外周を囲うヒートシールド壁
面に冷却装置を配設し、蒸着中に電子銃本体から漏れ出
る電子ビームがヒートシールド壁面に当たっても壁面冷
却によりガス放出が起こらない構成として成る請求項１
記載の分子線エピタキシ装置。
【請求項４】上記電子銃周辺部からのガス放出を抑制す
る手段を、電子銃本体、もしくはヒートシールドのい
ずれかを相対的に移動し得る移動手段を備え、蒸着開始
前に予め電子銃本体から漏れ出る電子ビームによってヒ
ートシールド壁面を加熱する焼だしにより不純ガスを脱
ガスする構成として成る請求項１記載の分子線エピタキ
シ装置。
【請求項５】上記電子銃周辺部からのガス放出を抑制す
る手段を、複数枚のヒートシールド板で構成されるヒ
ートシールドのうち、少なくとも最も内側のヒートシー
ルド板がグラファイト板で形成されているか、もしくは
最も内側のヒートシールド板が炭素でコーティングされ
ており、電子銃本体から漏れ出る電子ビームを、このグ
ラファイト板、もしくは炭素でコーティングされたヒー
トシールド板で遮断する構成として成る請求項１記載の
分子線エピタキシ装置。
【請求項６】上記のヒートシールド壁面に配設された
加熱装置を、抵抗加熱ヒータで構成して成る請求項２記
載の分子線エピタキシ装置。
【請求項７】上記のヒートシールド壁面に配設された
冷却装置を、水冷パイプで構成して成る請求項３記載の
分子線エピタキシ装置。
【請求項８】上記の電子銃本体、もしくはヒートシー
ルドのいずれかを相対的に移動し得る移動手段を、べロ
ーズ機構で構成して成る請求項４記載の分子線エピタキ
シ装置。
【請求項９】分子線エピタキシ装置に設けられた電子ビ
ーム蒸着装置によって固体ソースを用いて真空雰囲気下
で化合物半導体に所定のドーパントをドープする工程を
有する化合物半導体薄膜の製造方法において、固体ソー
スにより所定のドーパントを化合物半導体にドープする
工程を、請求項１乃至８いずれか一つに記載された電子
ビーム蒸着装置を用いてドーパントを供給してドープす
る工程として成る化合物半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】上記化合物半導体をＧａＡｓ、ＡｌＡ
ｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂおよ
びこれらの化合物を組み合わせた混晶系の少なくとも１
種で構成すると共に、ドーパントを炭素で構成する化合
物半導体薄膜を形成するに際し、上記電子ビーム蒸着装
置に充填する固体ソースを、グラファイトとして炭素を
ドープしたｐ型化合物半導体薄膜を形成する工程を有し
て成る請求項９記載の化合物半導体薄膜の製造方法。
【請求項１１】上記電子ビーム蒸着装置によって炭素ド
ーパントを結晶成長室に供給するに際し、電子銃のフィ
ラメント電流を瞬時に少なくとも１００ｍＡ以上に増加
させ、所定時間ドーピングを行なった後、瞬時に電流を
下げる工程を有して成る請求項１０記載の化合物半導体
薄膜の製造方法。
【請求項１２】分子線エピタキシ装置に設けられた電子
ビーム蒸着装置によって固体ソースを用いて真空雰囲気
下で化合物半導体に所定のドーパントをドープする工程
を有する化合物半導体装置の製造方法において、固体ソ
ースにより所定のドーパントを化合物半導体にドープす
る工程を、請求項１乃至８いずれか一つに記載された電
子ビーム蒸着装置を用いてドーパントを供給してドープ
する工程として成る化合物半導体装置の製造方法。
【請求項１３】上記固体ソースとして炭素を用て化合物
半導体に炭素ドープする工程を有して成る請求項１２記
載の化合物半導体装置の製造方法。
【請求項１４】上記化合物半導体装置がヘテロバイポー
ラトランジスタ構造を有し、炭素ドープｐ型化合物半導
体層をベース層として形成する工程を有して成る請求項
１２記載の化合物半導体装置の製造方法。
【請求項１５】III族原料にＧａおよびＩｎ、Ｖ族原料
にＡｓおよびＰ、もしくはアルシン（ＡｓＨ₃）および
ホスフィン（ＰＨ₃）を用いて化合物半導体装置を形成
するに際し、炭素ドープｐ型ＧａＡｓ層、もしくはＩｎ
ＧａＡｓ層をベース層として形成する工程を有して成る
請求項１４記載の化合物半導体装置の製造方法。