JPS6348703Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 (a) 考案の技術分野 本考案は分子線源の配列を改良した分子線結晶
成長装置の構成に関する。

(b) 技術背景 分子線結晶成長法は単結晶からなる被処理単結
晶基板（以下略して基板）に対し高真空のもとで
構成元素或いはこれに類似する構成元素からなる
分子の流れ、すなわち分子線を分子線源セルより
照射し、これを基板の表面に衝突さて結合反応を
生じさせて基板上に結晶軸の揃つた結晶をエピタ
キシヤル成長させる方法である。

第１図は分子線結晶成長装置の基本的な構成を
示すもので、従来の真空蒸着装置と異なるところ
は超高真空を必要とすること、基板へのエピタキ
シヤル成長が行われるよう基板加熱機構を備えて
いること、結晶成長を行う構成元素の分子線源を
個別に備えていること、また蒸着速度を正確に調
整できる機構を備えていることなどである。

すなわち第１図においてチヤンバ１の中の真空
度は10torr程度の超高真空に保持されており、こ
れによつて蒸発分子の平均自由行程を充分に大き
くし、分子相互間の衝突の影響を少なくしてい
る。

また分子線を照射する分子線源セル２はエピタ
キシヤル成長を行う成分元素数だけ設置されてお
り、これに備えたヒータへの通電量を熱電対と連
動させて調節することにより蒸発量の微調整がで
きるよう構成されている。

すなわち成分元素は分子線源セル２に必要量が
充填されており、これを加熱することによつて成
分元素は分子の状態で基板３に向かつて照射され
るが、この際成分元素によつて付着効率が異なり
効率の高いものもあれば極めて低いものもある。
そこで必要とする組成比をもつ結晶成長を行うた
めには蒸発速度の正確なコントロールが必要であ
り、また基板の適温加熱が必要である。

本考案は分子線源セル２より照射される分子線
を有効に使用し得る分子線源セル２の規模および
配列に関するものである。

(c) 従来技術と問題点 従来の分子線結晶成長装置においては複数の分
子線源セル（以下略してセル）は基板に対し等距
離に配置されていた。例えばガリウム・砒素
（Ga As）単結晶基板上にGa Asをエピタキシヤ
ル成長させる例について云えば、モリブデン
（Mo）金属からなりヒータを備えた基板支持台
に基板３を設置し、これと対向する等距離位置に
セル２を配置した結晶成長装置を用い、各々のセ
ル２にGaとAsを充填し、これを加熱して基板３
に対し各元素の分子線を照射していた。

然しAsはGaよりも蒸気圧が約２桁程度も高
い。例えばGaは1050乃至1100℃において
10^-7torrの蒸気圧を示すのに対してAsは約450℃
の低温において10^-5torrの値を示す。

蒸気圧の高い元素Asが基板に付着するには、
この場合他の構成元素Gaが飛来し基板に到着す
ることが必要であり、そのため付着しなかつた高
蒸気圧の元素（As）は高真空を維持する真空ポ
ンプに引かれて消耗し付着効率が悪く無効分があ
るのでガリウム（Ga）よりも消耗が激しいこと
が知られている。

そのためAsを充填したセル２は早く空になつ
てしまう。

この対策としてAsを充填したセル２の容積を
大きくするとかAsを充填したセル２を複数個設
けるなど方法がとられていたが、充分な効果を挙
げるには到らなかつた。

(d) 考案の目的 本考案の目的は蒸気圧の大幅に異なる元素から
なる化合物半導体を分子線結晶成長装置を用いて
結晶成長させる場合に効果的にエピタキシヤル成
長を行うことが可能なセルの構造および配置を提
供するにある。

(e) 考案の構成 本考案の目的は、超高真空中で加熱された単結
晶基板と、該単結晶基板面の略中心に向けた複数
個の分子線源セルとを設け、該各分子線源セルを
加熱して個別に充填されている化合物半導体の構
成元素を前記単結晶基板面に照射せしめ、該構成
元素を前記単結晶基板面上に結合させて化合物半
導体のエピタキシヤル成長を行う成長装置におい
て、前記構成元素のうち蒸気圧が高く前記単結晶
基板面上では他の構成元素の飛来によつてのみ付
着が可能な元素の分子線源セルを、他の分子線源
セルよりも大口径に作り前記単結晶基板面の中心
に該基板面に垂直に対向させると共に他の分子線
源セルよりも該基板面の中心に近接して設けるこ
とを特徴とする分子線結晶成長装置により達成す
ることができる。

(f) 考案の実施例 本考案は蒸気圧の高い元素を含む化合物半導体
を分子線結晶成長装置を用いてエピタキシヤル成
長させる場合に、今まで行われていたように蒸気
圧の高い元素を充填したセルを大型化して設置す
る以外にそのセルを基板に近接させることにより
成長効率を増大させるものである。

すなわちAsのように蒸気圧の高い元素を基板
上に付着させるためには他の構成元素の飛来が必
要であり、この場合に成長する結晶の基板面内で
の均一性には殆ど影響を与えないことを利用し、
蒸気圧の高い元素を有効に使用するためにセルの
位置を他のセルの位置に比べて近距離に置くよう
にしたものである。

然しながらこの場合に近距離に置いたセルが他
のセルから照射される分子線の障害になつてはな
らない。

以下実施例について本考案を説明する。

第２図は本考案を実施した分子線結晶装置の平
面図でGa As基板４の上にシリコン（Si）をド
ーパントとするｎ型のGa As化合物半導体をエ
ピタキシヤル成長させるものである。

ここで３個設けられているセルのうち、下側の
セル５にはGaが、上側のセル６にはSiが、また
中側のセル７にはAsがそれぞれ充填されている。

ここで各セルの先端には窒化硼素（BN）から
なる坩堝８が装着されていると共に、これを加熱
するヒータと坩堝８の温度を測定する熱電対が内
蔵され、これらの端子が各セルのフランジポート
９に設けられている。そして各元素は坩堝８の中
心に秤量して充填される。

本考案の場合、中側のセル７は図に示すように
大型に作り、Ga As基板４の中心に対し基板面
に垂直に対向させると共に、Ga As基板４に対
し他のセルとの距離比を５：３にとり近接して設
けた。

ここで本実施例の場合、距離比をこれよりも大
きくとるとセル７がGaおよびSi分子線照射の際
の障害となつて成長層の品質を低下させる。

なおセルの周辺には液体窒素を入れたシユラウ
ド１０が備えられていて装置の内壁からのガス出
しを防いでおり、またエピタキシヤル成長が行わ
れるGa As基板４を設置する基板支持台には基
板加熱用のヒータ１１が設けられて適温に加熱さ
れるようになつている。

このようにセルを配置すると分子線の強度は距
離の２乗に反比例する関係からAsの消費量は従
来に比べ約1/3に減らすことができ、換言すれば
Asセル７の充填周期を３倍に増加させることが
できる。

なおAsセル７をGa As基板４に近接させる効
果はこれに留まらず、有効照射量が多いため、装
置内壁への汚染を少なくすることができる。

以上分子線照射の実施例としてGa As化合物
半導体の場合について記したがアルミニウム・ガ
リウム砒素（Al Ga As），インジウム燐（In
Ｐ），In Ga As Ｐなどの化合物半導体を成長さ
せるばあいも同様であつて、ＰやAsのように蒸
気圧の高い５族元素を被処理基板の近傍に配置す
ることにより、セルの充填周期を大幅に減らすこ
とができる。

(g) 考案の効果 本考案は蒸気圧の高い構成元素をもつ化合物半
導体を分子線結晶成長法で成長させる場合、蒸気
圧の高い元素を入れたセルは頻繁に構成元素を補
充する必要があり、その度ごとに装置を開け、原
料の充填，セルの空焼き，照射条件の調整など一
連の準備操作が必要であり、そのため多大の時間
を要していたが、本考案の設備を備えた装置の使
用により成長効率を大幅に向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は分子線結晶成長装置の構造を説明する
斜視図また第２図は本考案を実施した装置の平面
図である。 図において、２，５，６，７は分子線源セル、
４はGa As基板、８は坩堝。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 超高真空中で加熱された単結晶基板と、該単結
   晶基板面の略中心に向けた複数個の分子線源セル
   とを設け、該各分子線源セルを加熱して個別に充
   填されている化合物半導体の構成元素を前記単結
   晶基板面に照射せしめ、該構成元素を前記単結晶
   基板面上に結合させて化合物半導体のエピタキシ
   ヤル成長を行う成長装置において、 前記構成元素のうち蒸気圧が高く前記単結晶基
   板面上では他の構成元素の飛来によつてのみ付着
   が可能な元素の分子線源セルを、他の分子線源セ
   ルよりも大口径に作り前記単結晶基板面の中心に
   該基板面に垂直に対向させると共に、他の分子線
   源セルよりも該基板面の中心に近接して設けるこ
   とを特徴とする分子線結晶成長装置。