JPH02175689A - 分子線エピタキシ装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜単結晶成長技術である分子線エピタキシ（
ＭＢ　Ｅ　；　Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｌ
ｔａｘｙ）を行なう分子線エピタキシ装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

分子線エピタキシ（ＭＢＥ）の結晶性は基板温度、ビー
ム強度等の成長条件と、構成元素以外の不純物混入ガス
により決定される。現状での結晶性は成長条件はほぼ最
適化されているので不純物の混入により決定されている
。分子線源発生装置から発生した分子ビームは、直接基
板へ入射する以外は過剰であり、この過剰ビームが基板
への不純物混入の原因となるので、過剰ビームを有効に
排気することがＭＢＥ膜の結晶性向上に対する残された
課題である。

従来のＭＢＥ装置の成長室は第４図に示すごとく、超高
真空ペルジャー１、基板を保持し加熱するための基板ホ
ルダー２、分子もしくは原子状の分子ビームを発生する
ための複数の分子線源発生装置３及び４、液体窒素容器
５、及び排気系６により構成されている。

従来装置によりＧａＡｓを成長する場合を例にとって説
明すると、分子線源発生装置３及び４から発生した分子
ビームのうち、直接ＧａＡｓ基板７へ入射する以外の過
剰の分子ビームは、液体窒素容器５に吸着されるものと
超高真空ペルジャー１や基板ホルダー２等の装置内機器
に直接衝突するものとに類別される。液体窒素容器５に
吸着された分子ビームが再蒸発する確率はほとんどなく
、後者の過剰ビームが基板７への不純物ガス混入の原因
を形成する。すなわち、Ｇａ分子線源発生装置３より実
線で示す経路で噴出された過剰Ｇａビームの一部は基板
ホルダー２に衝突し、すでに基板ホルダ２に付着してい
た水（Ｈ２Ｏ）、炭化水素（ＣｎＨｎ）、酸素等の不純
物ガスをある確率で放出し、自らは基板ホルダ２に付着
する。破線で示す放出された不純物ガスの一部は液体窒
素容器５と衝突し付着される。一部は基板ホルダ２の後
方の超高真空ペルジャー１内壁に衝突し、破線で示す経
路を経て基板７に入射する。また過剰Ｇａビームの一部
は基板ホルダ後方の超高真空ペルジャー１の内壁と衝突
し、不純物ガスを放出し、その一部は同様な経路を経て
基板７へＧａ及びＡＳの分子ビームと同時に入射される
。一方Ａｓ分子線源発生装置４より一点鎖線で示す経路
で噴出したＡｓビームは衝突する点にＧａが存在した場
合には付着するが、Ｇａ以外のすでに付着していた不純
物が存在した場合はＧａの場合と同様にある確率で付着
していた不純物のガスを放出すると同時にＡｓ自体も再
蒸発する。再蒸発したＡｓは液体窒素容器５に吸着する
までは超高真空ペルジャー１の内壁との衝突を繰り返し
、ある確率で不純物ガスを放出する。放出された不純物
ガスの一部は破線で示す経路を経て基板７に入射される
。

〔発明が解決しようとする課題〕

すなわち、従来装置においては基板ホルダ２の後方に飛
来した分子ビーム（Ｇ　ａｌ　　Ａ　ｓ等）により発生
する不純物ガスに対して液体窒素容器５のみが排気能力
をもち、イオンポンプ等の排気系６はこれらの不純物ガ
スが飛来する位置になくほとんど効力がない。それ故、
不純物ガスがある確率でＭＢＥ膜中に混入する。Ｈ２０
，Ｃｎ　Ｈｎ、　　Ｃ０等の不純物混合ガスはＧａＡｓ
中で電気的に活性なドナー及びアクセプタを形成するの
で結晶性を劣化させる。すなわち、ＭＢＥによるエビ膜
の結晶性の向上に対して不純物ガス混入を低減する必要
がある。

この発明は上記の様な問題点を解消するためになされた
もので、ＭＢＥにおいて不純物ガス混入による結晶性の
劣化を防止し、成長条件を変更することなく、不純物ガ
スの混入を低減できる分子線エピタキシ装置を得ること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるＭＢＥ装置は基板ホルダの後方に飛来する
不純物ガス、飛来した分子ビーム、及び飛来した分子ビ
ームにより発生する不純物ガスを効果的に排気できる位
置、すなわち分子線源発生装置の位置を下方とした場合
に、基板ホルダの位置と同等もしくはそれ以上の高さの
位置にイオンポンプ、クライオポンプ、ターボ分子ポン
プ、拡散ポンプ等の排気装置を設置するようにしたもの
である。

また本発明によるＭＢＥ装置はさらに上記設置位置に液
体窒素容器を有するチェンバを上記排気装置と結合させ
て設け、あるいはさらに該液体窒素容器内にチタンサブ
リメ−シロンポンプを内蔵することにより不純物放出ガ
スの排気能力を大幅に向上するようにしたものである。

〔作用〕

本発明においては排気装置あるいはさらに液体窒素容器
を内蔵したチェンバを上記位置に設置したこと、あるい
はさらに上記チェンバ内のチタンサブリメーションポン
プを成長中に作動させることにより、基板ホルダの後方
に飛来する不純物ガス、余剰分子ビーム、及び飛来した
分子ビームにより発生する不純物ガスを効果的に排気す
ることができ、不純物ガスのＭＢＥ膜への混入を大幅に
減少させ、ＭＢＥ膜の結晶性を向上することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図について説明する。

第１図はノンドープＧａＡｓ膜のＭＢＥ成長を行なう本
発明の一実施例によるＭＢＥ装置を示し、図において、
第４図と同一符号は同一部分を示し、６Ｉは分子線源発
生装置３，４に対し基板ホルダー２の設置位置と同等又
はそれ以上の高さに設置したクライオポンプからなる排
気系、９は上記排気系と同等の設置位置に設けた液体窒
素容器５を内蔵するチェンバ、１０は該チェンバ９内に
設置したチタンサブリメーションポンプ、１１は真空ゲ
ージである。

次に動作について説明する。

まず、清浄化されたＧａＡｓ基板７を６００℃に昇温し
、成長速度が１．０μｍ／ｈｒとなるＧａビームを照射
できる温度にＧａ分子線源発生装置３を昇温する。また
ＡｓビームをＧａビームの３倍の強度で照射できる温度
にＡｓ分子線源発生装置４を昇温する。昇温完了後、分
子線源発生装置３及び４のシャッター８を開きＧａＡｓ
の成長を開始する。基板ホルダ２に衝突する分子ビーム
（Ｇａ：実線、Ａｓニー点鎖線）により発生した不純物
ガスは（破線の経路）、クライオポンプ６もしくはチェ
ンバ９内の液体窒素容器５に吸着される。また、直接超
高真空チェンバ１の内壁に衝突する分子ビームに起因す
る不純物ガスも破線で示す経路で排気系６及びチェンバ
９内液体窒素容器５に吸着される。また衝突後再蒸発す
るＡｓビームに関しても同様に一点鎖線で示す経路で排
気系６及びチェンバ内液体窒素容器５に吸着される。

チタンサブリメーションポンプ１０を成長中に動作させ
ることによりチェンバ９内の液体窒素容器５の排気能力
を向上することができる。不純物ガスが混入する経路の
途中に設置された真空ゲイン１１での真空度を測定する
ことにより本発明の効果を判断できる。

即ち、従来装置の同一位置に設置された真空ゲイン１１
での真空度を同一成長条件（基板温度６００℃、Ｇａ分
子線強度１．０μｍ／ｈｒ１Ａｓ／Ｇａ分子線強度比＝
３）下で測定し本発明の測定値と比較すると従来装置が
１０−’　Ｔｏｒｒに対し１０−”　Ｔｏｒｒと１／１
００の真空度に低減できた。

本発明での測定値１０−■Ｔｏｒｒのガスはほとんどが
液体窒素容器５及びクライオポンプ６では排気されない
水素であることが予想されるので、実際には不純物ガス
は１／１００以下に低減できたと見なすことができる。

従来装置と本発明装置により同一成長条件、同−Ｓｉド
ーピング強度で成長したｎ型ＧａＡｓ膜の７７にでのホ
ール効果の測定値は、従来装置での膜でキャリア濃度ｎ
　”　７　Ｘ　１０１３ｃｍ−３、移動度μ＝８×１０
４０ｍ２／ｖ＠ｓに対し、本発明での値はｎ　”　Ｉ　
Ｘ　１０　”ｃｍ−３でμ＝１５Ｘ１０’ｃｍ２／　ｖ
　＠ｓであり、この結果は本装置を用いることにより明
らかに ＮＤ　＋ＮＡ 補償度＝ ＮＤ　　−ＮＡ （ＮＤ　：　ドナー濃度、ＮＡニアクセブタ濃度）が低
下している、すなわち不純物ガスの混入が大幅に減少で
きたことを実証するものである。

不純物放出ガスの排気速度をさらに高めるには、上記ク
ライオポンプ等の排気系６及びチェンバ９を複数個設置
すること、また第２図の本発明の第２の実施例に示すよ
うにチェンバ９と排気系６を結合することがを効である
。さらに従来装置の位置に排気系を備え、かつ本発明に
よる位置に排気系及びチェンバを設備することは最も理
想的である。

また第３図の本発明は第３の実施例を示し、この実施例
は上記のような排気系６およびチェンバ９を、分子線源
を超高真空チェンバをベントすることなしに、又真空を
破ることなしに分子線源発生装置に導入することのでき
る装置４０に結合して設けたものである。

即ち、第３図において、１３はマグネット、１２はゲー
トバルブ、１４は分子線源、４０は分子線源供給装置で
あり、分子線源供給装置４０のチェンバはゲートバルブ
１２を介して分子線エビ装置（そのうちのチェンバ９）
に接続されており、ゲートバルブ１２を閉めて分子線源
１４を該供給装置４０に設置し、該装置４０を排気系６
で排気したのちゲートバルブを開け、マグネット１３を
作動させて分子線源１４を超高真空ペルジャー１中の分
子線源発生装置３もしくは４まで供給することにより、
分子線源１４を超高真空チェンバ１の真空を破ることな
く分子線源発生装置に導入することができるものである
。

また本装置を用いて不純物ガスの混入を減少できる結晶
としてはＧａＡｓ等■−■族、あるいはさらにＩ［−Ｖ
族等の化合物だけでなくＳｆ等の単体半導体を用いても
よく、さらには金属、絶縁体を用いても有効である。

さらに上記実施例では分子線源として固体Ｇａ。

Ａｓを使用した場合を説明したが、本発明における分子
線のソース源としては固体、液体、気体のいずれをも用
いることができるものである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、基板ホルダの位置と同等
もしくはそれ以上の高さの位置に排気装置を設置し、あ
るいはさらに該位置にチェンバを設け、これに液体窒素
容器を設けたので、不純物放出ガスのＭＢＥ膜中への混
入を大幅に減少でき、成長条件を変更することなく大幅
に結晶性を向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるＭＢＥ装置の断面図、
第２図はチェンバと排気系を結合した本発明の第２の実
施例の断面図、第３図はチェンバと分子線源供給装置と
を結合した本発明の第３の実施例の断面図、第４図は従
来装置の断面図である。 図において、１は超高真空ペルジャー　２は基板ホルダ
、３はＧａ分子線発生源装置、４はＡｓ分子線源発生装
置、５は液体窒素容器、６は排気系、７は基板、８はシ
ャッター　９はチェンバ、１０はチタンサブリメ−シロ
ンポンプ、１１は真空ゲイジ、１２はゲートバルブ、１
３はマグネット、１４は分子線源である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板を加熱保持する基板ホルダーと分子もしくは原
   子を基板へ照射するための分子線源発生装置とを含む分
   子線エピタキシ装置において、排気装置を上記分子線源
   発生装置に対し基板ホルダーの設置位置と同等もしくは
   それ以上の高さに設置したことを特徴とする分子線エピ
   タキシ装置。 ２）請求項１記載の分子線エピタキシ装置において、 上記基板ホルダーの設置位置と同等もしくはそれ以上の
   高さにさらにチェンバを設け、そのチェンバ内に液体窒
   素容器を設置したことを特徴とする分子線エピタキシ装
   置。