JPS62109312A - 分子線源用セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 プ技術分野 この発明は、分子線結晶夜長装置に於ける分子線源用セ
ルに関する。

ＧａＡｓなど化合物半導体単結晶のフェノ・の上に薄膜
をエピタキシャル成長させる技術として、液相エピタキ
シャル、気相エピタキシャル、分子線エピタキシャル（
ＭＢＥ）法などが用いられている。

ＭＢＥ法は分子線結晶成長装置の中を１０　　ＴＯｒｒ
程度の超高真空にし、液体窒素温度に保たれたシュラク
トに囲まれた分子線源用セルから、必要な夜分の分子線
を、フェノ・に向けて発射し、フェノ・の表面に所望の
夜分のエピタキシャル結晶層を形成するものである。

クエハはフェノ・ホルダに接着され、斜下方、又は下方
或は横力に向いてセットされている。これは回転するこ
とができ、ヒータによって適当な７１度に加熱されてい
ることが多い。フェノ・ホルダはマニピュレータにセッ
トされているが、これは分子線結晶成長室のほぼ中心に
位置する。

分子線源用セルは、フェノ・面に向けて、斜上方又は上
方、或は横方向に開口するルツボと、これを加熱して分
子線とするヒータや、温度を測定する熱電対などよりな
っている。結晶を構成すべき元素であるソース物質をル
ツボのなかに入れ、抵抗加熱ヒータによって加熱するよ
うになっていた。

加熱されたソース物質は分子線となって、分子線セルか
ら噴出し、クエ／・ホルダにセントされ適当な温度に加
熱されたクエ／・面に当たる。

結晶を構成すべき元素ごとに分子線源用セルを設け、セ
ルから独立に分子線をクエハに向けて照射できるように
なっているから、ＭＢＥ法は極めて優れた制御性を持っ
ている。

そのため、近年その実現が期待されている超高速、低消
費電力のＧａＡｓ集積回路を作るためのエピタキシャル
成長技術として有望視されている。

現在、さかんに、ＭＢＥ法による高品質エピタキシャル
成長技術の研究開発が行なわれている。

ＭＢＥ法では、分子線を飛ばすために、超高真空が必須
である。超高真空は容易に得られないから、分子線結晶
夜長室の他に、試料準備室や分析室、排気予備室などい
くつかの真空室が直列につながれており、ゲートパルプ
によって相互の真空度が保たれるようになっている。

分子線結晶夜長室には、適数個の分子線源用セルが設け
てあって、ソース物質も大量にルツボ内にチャージしで
ある。これは何十枚ものクエハに繰返し、分子線結晶成
長をさせるに足る量である。

クエハの方は、装置の外で、ＭＯ板などのクエハホルダ
に、Ｉｎ金属などで接着され、試料準備室の中にセット
される。この中を高真空にしてから、次の真空室との境
界のゲートパルプを開き、搬送装置によって、クエハホ
ルダが次の真空室へ移される。さらに、この室で超高真
空に引かれてから、分子線結晶成長室の中へ搬送され、
マニピュレータにセットされる。

ここで、適当な温度に加熱され、分子線エピタキシーが
実行される。分子線セルから、結晶成分をなす分子線が
クエハに向って照射される。この後クエハは反対向きに
搬送され、装置の外へ出る。

このようなことが、何十回も繰返されるが、分子線源用
セルのソース物質は補充される事がない。

ソース物質の補充をするには、超高真空を破らなければ
ならないからである。

従って、分子線結晶装置は、一度稼動状態に入れば、超
高真空を破ることなく、分子線源のソース物質の補給を
せずに、長期間にわたって駆動される。

当然、分子線源用セルのルツボは、容積の太きなルツボ
となる。大きなルツボであれば、無補袷であっても、多
数回のエピタキシーを行なうことができるからである。

ところが、多数回の成長操作によって、分子線源として
の物質が減少してくるから、ルツボ内での液面の高さが
低下してくる。

第２図は従来の分子線源用セルの縦断面図を示している
。

大きい容積をもったルツボ１の外側にはヒータ２が設け
である。ヒータ２の外側には、遮蔽板３がある。

ソース物質の融液４がルツボ１の中にある。ルツボ１の
一部には、温度をモニタするための熱電対５が投けであ
る。

融液面とルツボ上頂面の距離を４とする。ルツボの内径
をｒとする。

高品質のエピタキシャル結晶の製造を行なう場合、多数
回の成長にわたって、つまシ長期間にわたって、均一で
、かつ一定の膜厚分布を得る、という事が重要である。

ＭＢＥ法によるクエハ面内のエピタキシャル層の膜厚分
布は、分子線源からの分子線放射密度に依存する。

分子線放射密度は、余弦則ｃＯ５ｎθで近似される。

θ＝０は、ルツボ軸線に沿う方向で、この方向で放射密
度が最も大きい。ｎは定数である。ｎが小さい程、θの
依存性は少なくなり、ｎが大きい程θの依存性が増える
。

ところがｎの値は、ルツボの内径ｒと、ルツボ上頂面と
融液面の距離ｌとに強く依存するという事が分っている
。

何回もエピタキシャル夜長を繰返すと、ソース物質が減
少してくるから、ｌが増加してくる。このため、指数ｎ
が変動する。すると、クエハ面内での分子線放射密度の
分布が変化する。

これでは、長期間にわたって、均一かつ一定の膜厚のエ
ピタキシャル層を得ることができない。

初期には、最適の極めて均一な膜厚分布が得られたとし
ても、ソース物質が減少した時点では、均一性が悪化す
る、という事が起こりうる。

（り）発明の目的 分子線源セルのルツボ内のソース物質減少に伴なうエピ
タキシャル結晶層の膜厚分布の変化、という間ｆｆｌ全
解決できる分子線源セルを与えることが本発明の目的で
ある。

に）発明の構成 分子線源セルから放射される分子線の放射密度の分布変
化は、ｎの変化、すなわち、ルツボ内のソース物質液面
の変化（基づく。

従って、この間匣を解決するには、ソース物質の減少に
関係なく、常に一定の高さからソース物質の分子線を発
生させればよい。

既に説明したように、第２図のような従来の分子線源セ
ルであれば、ソース物質が減少するに従い、分子線の発
生する液面が低下し、分子線放射密度の分布が変化する
。

本発明の分子線源セルを第１図に示す。有底の円筒形の
ルツボ１の外側にヒータ２があって、さらにその外側に
遮蔽板３があるのは、第２図の従来例のものと同じであ
る。ルツボ１の中にソース物質融液４がある。熱電対５
がルツボ１の下底に取付けられている。

以上の構成の外に、融液４の中に、ソース物質吸い上げ
円管７が立ててあり、ルツボ出口近くに、円盤状の多孔
質物質６が設けである。

分子線源用セルは、分子線結晶成長室の壁面の一部に、
取外し可能に、複数個設けられるものである。壁面の内
周にはクライオパネルが設けである。また分子線結晶夜
長室の中央には、クエハホルダを支承するためのマニピ
ュレータや、クエハを加熱するためのヒータがあ−る。

さらに分子線結晶成長室には、超高真空にするための排
気装置がある。

これらの構成は公知であるので、ここでは図示しない。

ソース物質吸い上げ円管７も多孔質の管であって、融け
たソース物質は多孔質の管を毛細管現象で上昇してゆく
。

毛細管現象で円盤状の多孔質物質６の中へ拡がる。この
円盤もヒータ２によって加熱されるから、この熱によっ
てソース物質は、分子線となって放射される。

もちろん融液４から直接発生する分子線もある。

しかし、これはルツボ上方の円盤状多孔質物質６に妨げ
られてルツボから、殆んど出ない。

これは、円盤状多孔質物質６の下面て付着する。

毛細管現象によって、これが表面へ移動し、表面から分
子線となって放射される。

つまり、多孔質物質６へのソース物質の補給は、ソース
物質吸い上げ円管７を伝うものと、融液から直接飛来す
るものとによってなされる。

ソース物質吸い上げ円管７は、この例では、ソース物質
を毛細管現象によって吸い上げる事と、多孔質物質を支
持する事のふたつの機能をもっている。

しかし、単に多孔質物質を支持するだけのものであって
もよい。ソース物質は融液面から空間を飛んで補給され
るからである。

また、ルツボに対して、多孔質物質６を他の手段で支持
するようにしてもよい。この場合、ソース物質吸い上げ
円管７は省くこともできる。

（４）効　果 ソース物質の減少に関係なく、常に一定の位置で分子線
を発生させることができる。このため余弦則ｃｏｓｎθ
の内の、指１１ｎの値が一定になる。従って、分子線の
放射分布が一様になる。このため、長期間にわたって、
優れた膜厚均一性を得る事ができる。

（至）実施例 ＧａＡｓ　基板上に、　ＧａＡｓエピタキシャル層を成
長させる実施例を示す。

第１図に示す分子線セルにソース物質として、Ｇａを１
２０ｇ入れて、分子線結晶成長室の器壁に、他の分子線
セルとともにセットする。ここでは、分子線ソースはＧ
ａとＡｓだけである。Ａｓは融液になって放射されるの
ではないから、従来の第２図の分子線セルを用いた。Ａ
ｓはＭＢＥ法に於て、分子線という状態で制御されず、
Ａｓ雰囲気の制御という形で行なわれる。

分子線結晶成長室を閉じ、他の真空室も閉じて、通例の
とおり、これらの真空室を真空に引く。この間、ベーキ
ング処理などを行なう。

クエハホルダを試料準備室から順に、分子線結晶夜長室
へ搬送し、マニピュレータにセントする。

Ｇａを入れた分子線セルは、１０５０’Ｃに加熱した。

ＧａＡｓクエハの方は約６００℃に加熱した。クエハの
直径は５０鱈である。

このような準備の後、　　ＧａＡｓエピタキシャル成長
を何十回も繰返した。

エピタキシャル成長の時間は約８時間である。

初期の段階でのエピタキシャル層の厚さは３，２μｍで
、均一性は基板の径方向で主１゜５％であった。

さらに、約４０回のエピタキシャル成長を経た後、前記
成長と同じ条件でＧａＡｓエピタキシャル層を改良させ
た。この時、ソース物質であるＧａは相当量減少してい
て、液面は下降している。

この時の成長においても、厚さ３．２μｍ１均一性±１
．５％という結果を得た。

このように本発明を用いれば、ソース物質の減少に関係
なく、長期間にわたって、膜厚の均一性が変化せず、高
品質のエピタキシャル層を再現性良く得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る分子線源用セルの縦断面
図。 第２図は従来例にかかる分子線源用セルの縦断面図。 １　・・・・・　・・・・　ル　　　　ツ　　　　　ポ
２・・・・・・・・ヒ　−　タ ３・・・・・・・熱遮蔽板 ４・・・・・・・・・ソース物質融液 ５・・・・・・・・・・熱　　電　　対６・・・・・・
・・・両盤状多孔質物質７・・・・・・・・・・・ソー
ス物質吸い上げ用管発明者　高岸戊典 森　　　　英　樹 特許出願人　　生友電気工業株式会社 産ネ６１ 第　　　１　　　図 第　　２　　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 分子線結晶成長に用いるルツボと、ヒータと、遮蔽板と
   よりなる分子線源用セルにおいて、セル内にセットされ
   たソース物質を収納するルツボ内に、円盤状の多孔質物
   質を一定の高さに配置し、該多孔質物質に溶融したソー
   ス物質を吸収せしめ、該多孔質物質により分子線を発生
   させることを特徴とする分子線源用セル。