粒子線供給装置およびＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を成長する方法
【課題】分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置を提供する。
【解決手段】粒子線供給装置１７では、粒子線生成器３１は、分子線エピタキシ成長のための原料を提供する開口３１ａを有する。シャッタ装置３３では、シャッタ３５は粒子線生成器３１の開口３１ａの前方に位置し、回転軸３７は、シャッタ３５を支持しており所定の軸Ａｘに沿って延び、駆動機構３９は、回転軸３７を所定の軸Ａｘの回りに回転駆動する。シャッタ３５は、開口３１ａの位置に合わせて設けられた窓３５ａを有する。粒子線生成器３１からの粒子線は、窓３５ａを通して進み、或いは、シャッタ３５の遮蔽部３５ｂによって遮断される。矢印Ａｒｒｏｗの一方向のみにシャッタ３５を等角速度で回転させたとき、シャッタ３５の移動と停止を成長中に繰り返すことなく、一定の周期で、粒子線が窓３５ａを介して軸Ｂｘに沿って供給される。
【解決手段】粒子線供給装置１７では、粒子線生成器３１は、分子線エピタキシ成長のための原料を提供する開口３１ａを有する。シャッタ装置３３では、シャッタ３５は粒子線生成器３１の開口３１ａの前方に位置し、回転軸３７は、シャッタ３５を支持しており所定の軸Ａｘに沿って延び、駆動機構３９は、回転軸３７を所定の軸Ａｘの回りに回転駆動する。シャッタ３５は、開口３１ａの位置に合わせて設けられた窓３５ａを有する。粒子線生成器３１からの粒子線は、窓３５ａを通して進み、或いは、シャッタ３５の遮蔽部３５ｂによって遮断される。矢印Ａｒｒｏｗの一方向のみにシャッタ３５を等角速度で回転させたとき、シャッタ３５の移動と停止を成長中に繰り返すことなく、一定の周期で、粒子線が窓３５ａを介して軸Ｂｘに沿って供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線供給装置およびIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、改良された分子線エピタキシによって低温成長されたＧａＡｓおよびＡｌＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸について記載されている。マイグレーションエンハンストエピタキシャル成長（ＭＥＥ）法を用いて結晶性の良好なＧａＡｓを低温（摂氏３００度）で成長した。
【０００３】
非特許文献２には、ＭＥＥ法によって低温成長されたＡｌＧａＡｓ−ＧａＡ量子井戸について記載されている。ヒ素を含まない雰囲気中において清浄なＧａＡｓ表面にガリウム原子またはアルミニウム原子を供給するとき、これらの原子は低温（摂氏３００度）においても移動しやすく、マイグレーションが生じる。この方法により、ガリウムおよび／またはアルミニウム並びにヒ素をＧａＡｓ表面に供給して、優れたフォトルミネッセンス特性を有するＡｌＧａＡｓ−ＧａＡ量子井戸が成長された。
【０００４】
非特許文献３には、ＭｎおよびＢｅを共添加して高正孔濃度のＧａＡｓを低温で成長することについて記載されている。Ｍｎを添加して高正孔濃度のＧａＡｓを低温で成長することができるし、Ｂｅを添加して高正孔濃度のＧａＡｓを低温で成長できる。しかしながら、ＭｎおよびＢｅを共添加すると高抵抗のＧａＡｓが得られた。ところが、ＭＥＥ法によってＭｎおよびＢｅを別個に供給してＧａＡｓを成長すると、高正孔濃度のＧａＡｓが得られた。
【０００５】
非特許文献４には、ＭＥＥ法を用いてＩｎＮを成長することについて記載されている。
【０００６】
非特許文献５には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合デバイスを作製するための分子線エピタキシについて記載されている。ＧａＮテンプレート上に高温成長ＡｌＮ薄層をＭＥＥ法で成長した後に、ＧａＮを成長した。このＧａＮのらせんヒルロック密度を下げることができた。
【非特許文献１】Y. Horiknshi, M. Kawashima, and H. Yamaguchi Jpn. J. Appl. Phys. 25, L868 (1986).
【非特許文献２】Y. Horikoshi, et al. Appl. Phys. Lett. l50 (23), 8June 1987
【非特許文献３】K. Onomitsu, et al. J. Vac. Sci. Technol. B 22.4., Jul/Aug 2004
【非特許文献４】H. Lu, et al. Appl. Phvs. Lett., Vol. 77, No. 16, l6 October 2000
【非特許文献５】K. Kishino and A. Kikuchi: phys. stal. sot. (a) 190, No. 1, 23 31 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＢＥ法で半導体結晶を一原子層づつ成長するＭＥＥ法を実現ためには、原料を交互に間欠的に供給する必要がある。なぜなら、ＭＥＥ法では原子層の成長毎に原料の供給を停止して原子のマイグレーションを促進する必要があるからでる。このため、一原子層毎に原料セルのシャッタを開閉する必要がある。この開閉には、以下のようないくつかの駆動方式がある。例えば、ベローズの先端にシャッタ板を取り付けて、ステッピングモータの駆動によりベローズの左回転および右回転を交互に行って開閉を行う。別の方法では、磁気駆動により左回転および右回転を行って開閉を行う。アオリ方式では、ベローズを有する回転導入機の先端にシャッタ板を取り付けて、ステッピングモータの駆動によりシャッタ板の移動を行って開閉を行う。スライド方式では、アクチェータによる磁石の平行移動を利用して開閉のためにシャッタ板のスライドを行う。或いは、ステッピングモータの回転運動を並進運動に変換して、開閉のためにシャッタ板のスライドを行う。
【０００８】
これらの方式のいずれにおいても、１μｍのエピタキシャル膜を成長するためには、機械的な移動により数千回程度のシャッタの開閉を行う。これらのシャッタ機構の動作では、シャッタの移動と停止が成長中に繰り返されるので、シャッタに付着した堆積物の落下による結晶欠陥の発生や機械的な故障などが発生する可能性がある。
【０００９】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、成長中にシャッタの移動と停止の繰り返しを行うことがない、分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置を提供することを目的とし、また粒子線供給装置を用いた分子線エピタキシ装置によりIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面は、分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置である。粒子線供給装置は、（ａ）分子線エピタキシ成長のための原料を提供する開口を有する粒子線生成器と、（ｂ）前記粒子線生成器の前記開口の前方に位置するシャッタ、該シャッタを支持しており所定の軸に沿って延びる回転軸、および該回転軸を前記所定の軸の回りに回転駆動する駆動機構を含むシャッタ装置とを備え、前記シャッタは、前記粒子線生成器の前記開口の位置に合わせて設けられた窓を有する。
【００１１】
この粒子線供給装置によれば、回転駆動のための駆動機構により、回転軸に支持されたシャッタを一方向に回転させることができる。この回転により、シャッタに設けられた窓が、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器の開口上を通過する。シャッタ装置が開かれた状態では、粒子線生成器からの粒子線が窓を通して供給される。また、シャッタ装置が閉じられた状態では、粒子線生成器からの粒子線がシャッタによって遮断される。
【００１２】
本発明に係る粒子線供給装置では、前記シャッタは、追加の窓を有しており、前記窓および前記追加の窓は前記所定の軸を中心とする円周上に配置されていることができる。この粒子線供給装置によれば、窓および追加の窓を通して粒子線が供給される。窓および追加の窓の窓サイズ（円周に沿って規定される長さ）に応じて、粒子線の供給期間が規定される。また、窓および追加の窓との間隔（円周に沿って規定される間隔）に応じて粒子線の停止期間が規定される。
【００１３】
本発明に係る粒子線供給装置では、前記駆動機構は磁気カップリングによる駆動であることが好ましい。磁気カップリングによる駆動は、非接触により駆動力の伝達が可能であるので、粒子線供給装置の回転軸にチャンバ外から駆動力を与えることができる。
【００１４】
本発明の別の側面は、III−Ｖ化合物半導体を成長する方法である。この方法は、（ａ）III−Ｖ化合物半導体のうちのIII族元素のための第１の粒子線供給装置からIII族原料を基板上に供給する工程と、（ｂ）前記III−Ｖ化合物半導体のうちのＶ族元素のための第２の粒子線供給装置からＶ族原料を前記基板上に供給する工程とを備え、前記第１の粒子線供給装置は、上記の一側面のいずれか一つである粒子線供給装置であり、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタは一方向に回転しており、前記III族原料は、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給され、前記第２の粒子線生成装置は、上記の一側面のいずれか一つである粒子線供給装置であり、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタは一方向に回転しており、前記Ｖ族原料は、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給される。
【００１５】
この方法によれば、シャッタを支持する回転軸を一方向に回転させることによって、III−Ｖ化合物半導体のIII族原料及びＶ族原料を供給できる。この回転により、シャッタに設けられた窓が、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器の開口上を通過する。III族原料及びＶ族原料を供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の大きさに応じて、それぞれの粒子線が供給される。また、III族原料を供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の位置とＶ族原料を供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の位置との違いに応じて、III族原料及びＶ族原料を供給するタイミングが決定される。本発明の別の側面に係る方法では、III族原料の供給とＶ族原料の供給を繰り返す工程は、各シャッタの回転により実現される。これによって、所望の膜厚のIII−Ｖ化合物半導体を成長できる。
【００１６】
本発明に係る方法は、（ｃ）前記III族原料または前記Ｖ族原料の少なくともいずれか一方を前記基板上に供給した後に、前記III族原料および前記Ｖ族原料のいずれも供給することなく前記基板をマイグレーションのための温度に保持する工程を更に備え、マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第１の粒子線供給装置からの前記III族原料は、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第２の粒子線供給装置からの前記Ｖ族原料は、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断される。
【００１７】
この発明によれば、原料中のIII族原子またはＶ族原子のマイクレーションが成長表面において生じするので、三次元成長が抑制されて、平坦なエピタキシャル面が得られる。
【００１８】
本発明に係る方法は、更に、前記III族原料および前記Ｖ族原料のいずれも供給することなく、前記III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントのための第３の粒子線供給装置から前記ドーパントを前記基板上に供給する工程を備えることができる。前記第３の粒子線供給装置は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された粒子線供給装置であり、前記第３の粒子線供給装置の前記シャッタは一方向に回転しており、前記ドーパントは、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給される。
【００１９】
この方法によれば、シャッタを支持する回転軸を一方向に回転させることによって、III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントを供給できる。この回転により、シャッタに設けられた窓が、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器の開口上を通過する。ドーパントを供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の大きさに応じて粒子線が供給される。また、III族原料およびＶ族原料を供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の位置とドーパントを供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の位置との違いに応じて、ドーパントを供給するタイミングが決定される。本発明の別の側面に係る方法では、III族原料の供給、Ｖ族原料の供給およびドーパントの供給を繰り返す工程は、各シャッタの回転により実現される。これによって、所望の導電性および膜厚のIII−Ｖ化合物半導体を成長できる。
【００２０】
本発明に係る方法は、更に、前記ドーパントを前記基板上に供給した後に、前記III族原料、前記Ｖ族原料および前記ドーパントのいずれも供給することなく前記基板をマイグレーションのための温度に保持する工程を備えることができる。マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第１の粒子線供給装置からの前記III族原料は、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第２の粒子線供給装置からの前記Ｖ族原料は、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第３の粒子線供給装置からの前記ドーパントは、前記第３の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断される。
【００２１】
この方法によれば、前記III族原料、前記Ｖ族原料および前記ドーパントが供給されない期間に、マイクグレーションが促進される。
【００２２】
本発明に係る方法では、前記ドーパントはベリリウムであることが好ましい。ベリリウムの付着係数は小さい。このため、ベリリウムが基板に到達しても、基板に留まる確率が小さい。また、基板温度の上昇により、基板に付着したベリリウムが脱離する。しかしながら、ドーパントのベリリウムを基板上に供給した後に、III族原料、Ｖ族原料およびドーパントのいずれも供給することなく基板をマイグレーションのための温度に保持するので、ベリリウムのマイグレーションが基板上において促進される。
【００２３】
本発明に係る方法では、前記III−Ｖ化合物半導体は、ＧａＮ系半導体であり、前記第２の粒子線供給装置は、窒素ラジカルを生成するための高周波ラジカルガンを含むことができる。本発明は、III−Ｖ化合物半導体としてＧａＮ系半導体の成長に適用できる。
【００２４】
本発明に係る方法では、前記III族原料を前記基板に供給する期間は、前記Ｖ族原料を前記基板に供給する期間の少なくとも一部と重なっていてもよい。
【００２５】
本発明に係る方法では、前記III−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓ系半導体であることができる。本発明は、III−Ｖ化合物半導体としてＧａＡｓ系半導体の成長に適用できる。
【００２６】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、成長中にシャッタの移動と停止の繰り返しを行うことない、分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置が提供される。また、本発明によれば、粒子線供給装置を用いた分子線エピタキシ装置によりIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の粒子線供給装置およびIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２９】
図１は、III−Ｖ化合物半導体を成長するための分子線エピタキシ装置の一例を示す図面である。III−Ｖ化合物半導体の成長のために分子線エピタキシ装置１３を用いることができる。III−Ｖ化合物半導体の結晶成長に先立って、半導体膜を成長するための基板１１を分子線エピタキシ装置１３に設置する。分子線エピタキシ装置１３において原料またはドーパントを供給して半導体膜１５を基板１１上に成長する。詳細に説明すると、分子線エピタキシ装置１３は、チャンバ１３ａと、ホルダ１３ｂと、ソース１３ｃと、ＲＨＥＥＤといったモニタ装置１３ｄと、真空ポンプが接続された排気口１３ｅとを含む。ソース１３ｃには、ドーパントのための粒子線供給装置１７、２９および原料のための粒子線供給装置１９、２１、２３、２５、２７を含む。粒子線供給装置１７は、III−Ｖ化合物半導体中においてｐ型ドーパントとして働く例えばベリリウムを供給するものであり、粒子線供給装置２９は、III−Ｖ化合物半導体中においてｎ型ドーパントとして働く例えばシリコンを供給するものである。粒子線供給装置１７は、ドーパント１７ａを供給する。粒子線供給装置１９、２１は、それぞれ、半導体の構成原料１９ａ、２１ａを供給する。ドーパント１７ａおよび構成原子１９ａ、２１ａは、それぞれの粒子線供給装置１７、１９、２１のシャッタの窓を通して供給される。分子線エピタキシ装置１３を用いた成長では、粒子線により表面に供給された粒子のマイグレーションのための期間を原料および／またはドーパントの供給の後に設けている。
【００３０】
図２は、粒子線供給装置の一例を示す図面である。図２（ａ）は、図１の粒子線供給装置１７に示されるI−I線に沿って取られた断面を示す。図２（ｂ）は、粒子線供給装置１７のシャッタの正面を示す図面である。引き続く説明では、粒子線供給装置１７の説明は例示として示されるものであり、他の粒子線供給装置１９、２１、２３、２５、２７、２９も同一または類似の構造を有することができる。
【００３１】
粒子線供給装置１７は、粒子線生成器３１およびシャッタ装置３３を備える。粒子線生成器３１は、分子線エピタキシ成長のための原料を提供する開口３１ａを有する。シャッタ装置３３は、シャッタ３５、回転軸３７および駆動機構３９を含む。
【００３２】
粒子線生成器３１が室温において固体である材料（例えば、ガリウム、ヒ素）のために用いられるとき、粒子線生成器３１は、固体材料をチャージするためのセルおよび加熱用のヒータを含んでおり、加熱により生成された蒸気が開口３１ａから放出されて粒子線を形成する。粒子線生成器３１が室温において気体である分子（例えば、窒素分子）のために用いられるとき、高純度のガス源から供給された分子のラジカル生成のための高周波（ＲＦ）ラジカルガンを含んでいる。また、高周波プラズマにより生成されたラジカルが開口３１ａから放出されて粒子線を形成する。
【００３３】
シャッタ３５は、粒子線生成器３１の開口３１ａの前方に位置する。回転軸３７は、シャッタ３５を支持しており所定の軸Ａｘに沿って延びる。駆動機構３９は、回転軸３７を所定の軸Ａｘの回りに回転駆動する。シャッタ３５は、開口３１ａの位置に合わせて設けられた窓３５ａを有する。粒子線生成器３１からの粒子線は窓３５ａを通過し、或いは、シャッタ３５の遮蔽部３５ｂにより遮断される。粒子線生成器３１からの粒子線Ｂは、窓３５ａのほぼ中心を通り軸Ａｘに平行な軸Ｂｘに沿って進む。図２には、軸Ａｘと軸Ｂｘとの距離に相当する半径Ｒの円が破線で描かれており、矢印Ａｒｒｏｗの向きにシャッタ３５を等角速度で回転させたとき、一定の周期で、粒子線が窓３５ａを介して軸Ｂｘに沿って供給される。例えば、一例の回転速度は、例えば５ｒｐｍ程度である。回転は一方向のみであるので、シャッタ３５の移動と停止が、成長中に繰り返されることはない。
【００３４】
この粒子線供給装置１７によれば、回転駆動のための駆動機構３９により、回転軸３７に支持されたシャッタ３５を一方向に回転させることができる。この回転により、シャッタ３５に設けられた窓３５ａが、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器３１の開口３１ａ上を通過する。シャッタ装置３３が開かれた状態では、粒子線生成器３１からの粒子線が窓３５ａを通して供給される。また、シャッタ装置３３が閉じられた状態では、粒子線生成器３１からの粒子線がシャッタ３５によって遮断される。
【００３５】
粒子線供給装置１７では、駆動機構３９は磁気カップリングによる駆動であることが好ましい。磁気カップリングによる駆動機構としては、磁気結合型回転導入器等が使用可能である。磁気カップリングによる駆動は、非接触により駆動力の伝達が可能であるので、減圧されたチャンバ１３ａの気密を保持するための隔壁４０外から粒子線供給装置１７の回転軸３７に駆動力を与えることができる。
【００３６】
図３は、シャッタの変形例を示す図面である。図３（ａ）を参照すると、変形例のシャッタ３４が示されている。シャッタ３４は、開口３１ａの位置に合わせて設けられた窓３４ａを有する。粒子線生成器３１からの粒子線は窓３４ａを通過し、或いは、シャッタ３４の遮蔽部３４ｂにより遮断される。窓３４ａの窓サイズ（円周に沿って規定される長さＬ１または角度Ａｇｌ１）は、粒子線の供給期間を規定する。また、窓３４ａのエッジと基準線Ｒｅｆとの間隔（円周に沿って規定される間隔Ｌ２）は、粒子線の供給のタイミングを規定する。また、窓３４ａの２つのエッジの間隔（円周に沿って規定される間隔Ｌ３）は、粒子線の停止期間を規定する。
【００３７】
シャッタ３４は、粒子線の種類毎に準備される。例えば、上記の長さＬ１〜Ｌ３を所望の成長に合わせて設計することにより、それぞれの粒子線が供給される期間、相互のタイミング、それぞれの粒子線が供給されない期間が規定される。
【００３８】
シャッタ３６は、単一の窓に限定されることなく複数の窓を有することができる。図３（ｂ）を参照すると、変形例のシャッタ３６が示されている。シャッタ３６は、開口３１ａの位置に合わせて設けられた窓３６ａと追加の窓３６ｃを有する。粒子線生成器３１からの粒子線は窓３６ａ又は窓３６ｃを通過し、或いは、シャッタ３６の遮蔽部３６ｂにより遮断される。窓３６ａおよび追加の窓３６ｃは所定の軸Ａｘを中心とする円周Ｒ上に配置されている。このシャッタ３６では、一回転の間に、２回の粒子線の提供が行われる。窓３６ａの窓サイズ（角度Ａｇｌ２により規定される）は、粒子線の第１の供給期間を規定し、また窓３６ｃの窓サイズ（角度Ａｇｌ３により規定される）は、粒子線の第２の供給期間を規定する。窓３６ａのエッジと窓３６ｃのエッジとの間隔（角度Ａｇｌ４により規定される）は、粒子線の停止期間を規定する。シャッタ３４と同様に、シャッタ３６においても、窓３６ａ、３６ｃのエッジと基準線Ｒｅｆとの間隔は粒子線の供給のタイミングを規定する。
【００３９】
以上説明したように、本実施の形態に係る粒子線供給装置によれば、成長中にシャッタの移動と停止の繰り返しを行うことがない。
【００４０】
引き続き、本実施の形態に係る粒子線供給装置を用いた分子線エピタキシ装置によりIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法を説明する。III−Ｖ化合物半導体は、一又は複数のIII族構成元素と一又は複数のＶ族構成元素とを含む。典型的なIII族構成元素は、例えばＧａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｂ等であり、また典型的なＶ族構成元素は、例えばＡｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｎ等である。例示すれば、III−Ｖ化合物半導体は、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等である。
【００４１】
図４は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法の主要な工程を示す図面である。この図面では、主要な工程の各々におけるシャッタの回転における位置が示されている。シンボル「ω」は、回転駆動の定角速度を示している。図４を参照すると、シャッタ４５は、III族元素のための粒子線生成器４１の開口４１ａからの粒子線を制御しており、またシャッタ５５は、Ｖ族元素のための粒子線生成器５１の開口５１ａからの粒子線を制御する。シャッタ４５、５５は、それぞれ、角加速度ωで一方向に回転運動している。
【００４２】
図４（ａ）を参照すると、工程Ｓ１０１では、シャッタ４５、５５は、III族元素のための期間を示す角度内に位置する。開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の窓４５ａを介して基板上に供給される一方で、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の遮蔽部５５ｂにより遮断されている。
【００４３】
次いで、図４（ｃ）を参照すると、工程Ｓ１０２では、シャッタ４５、５５は、Ｖ族元素のための期間を示す角度内に位置する。開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の窓５５ａを介して基板上に供給される一方で、開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の遮蔽部４５ｂにより遮断されている。
【００４４】
この実施例では、III族元素粒子線とＶ族元素粒子線は互いに排他的に供給されている。
【００４５】
この成長方法によれば、シャッタ４５、５５を支持する回転軸を一方向に回転させることによって、III−Ｖ化合物半導体のIII族原料及びＶ族原料を供給できる。この回転により、シャッタ４５、５５に設けられた窓４５ａ、５５ａが、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器４１、５１の開口４１ａ、５１ａ上を通過する。III族原料及びＶ族原料を供給するシャッタ４５、５５の窓４５ａ、５５ａの大きさに応じて、III族原料及びＶ族原料の粒子線がそれぞれ供給される。また、III族原料を供給する窓４５ａの位置とＶ族原料を供給する窓５５ａの位置との違いに応じて、III族原料及びＶ族原料を供給するタイミングが決定される。この成長方法では、III族原料の供給とＶ族原料の供給を繰り返す工程は、各シャッタの回転により実現される。これによって、所望の膜厚のIII−Ｖ化合物半導体を成長できる。また、成長中にシャッタの移動と停止の繰り返しを行うことがない。
【００４６】
この成長方法は、上記の工程に加えて、工程Ｓ１０３、Ｓ１０４の少なくともいずれか一方を含むことができる。図４（ｂ）を参照すると、工程Ｓ１０３では、シャッタ４５、５５は、III族元素およびＶ族元素の供給休止の期間を示す角度内に位置する。III族元素粒子線が供給された後に、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の遮蔽部５５ｂにより遮断され、同時に、開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の遮蔽部４５ｂにより遮断される。このため、III族原料およびＶ族原料のいずれも供給することなく、基板をマイグレーションのための温度に保持する。この温度保持により、原料中のIII族原子のマイクレーションが成長表面において生じするので、三次元成長が抑制されて、平坦なエピタキシャル面が得られる。
【００４７】
図４（ｄ）を参照すると、工程Ｓ１０４では、シャッタ４５、５５は、III族元素およびＶ族元素の供給休止の期間を示す角度内に位置する。Ｖ族元素粒子線が供給された後に、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の遮蔽部５５ｂにより遮断され、同時に、開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の遮蔽部４５ｂにより遮断される。このため、III族原料およびＶ族原料のいずれも供給することなく、基板をマイグレーションのための温度に保持する。この温度保持により、Ｖ族原子のマイクレーションが成長表面において生じするので、三次元成長が抑制されて、平坦なエピタキシャル面が得られる。
【００４８】
図５は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法の主要な工程を示す図面である。この図面では、主要な工程の各々におけるシャッタの回転角が示されている。図５を参照すると、シャッタ４５、５５に追加されて、シャッタ６５が示されている。シャッタ６５は、III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントの粒子線生成器６１の開口６１ａからの粒子線を制御している。シャッタ４５、５５、６５は、それぞれ、角加速度ωで一方向に回転運動している。この方法においても、シャッタの移動と停止の繰り返しを成長中に行うことがない。
【００４９】
ドーパントは、例えば、III−Ｖ化合物半導体にｐ型を付与するベリリウムであることが好ましい。ベリリウムの付着係数は小さい。このため、ベリリウムが基板に到達しても、基板に留まる確率が小さい。また、基板温度の上昇により、基板に付着したベリリウムが脱離する。しかしながら、ドーパントのベリリウムを基板上に供給した後に、III族原料、Ｖ族原料およびドーパントのいずれも供給することなく基板をマイグレーションのための温度に保持するので、ベリリウムのマイグレーションが基板上において促進される。ドーパントはベリリウムに限定されることなく、例えばｐ型ドーパントとしてＭｇ等を用いることができ、Ｍｇは、Ｂｅと比較してアクセプタレベルが深いが、取扱に関してはＢｅより安全で簡便であるという利点がある。また、例えばｎ型ドーパントとしてＳｉ等を用いることができ、活性化率がほぼ１００％に近いという利点がある。
【００５０】
図５（ａ）を参照すると、工程Ｓ２０１では、シャッタ４５、５５は、それぞれ、III族元素およびＶ族元素の供給のための期間を示す角度内に位置する。開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の窓４５ａを介して基板上に供給され、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の窓５５ａを介して基板上に供給される一方で、開口６１ａからのドーパント粒子線が、シャッタ６５の遮蔽部６５ｂにより遮断されて基板上には供給されていない。
【００５１】
次いで、図５（ｃ）を参照すると、工程Ｓ２０２では、シャッタ６５は、ドーパントの供給ための期間を示す角度内に位置する。開口６１ａからのドーパント粒子線が、シャッタ６５の窓６５ａを介して基板上に供給される一方で、開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の遮蔽部４５ｂにより遮断され、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の遮蔽部５５ｂにより遮断されて、III族元素およびＶ族元素は基板上に供給されていない。
【００５２】
シャッタ６５を支持する回転軸を一方向に回転させることによって、III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントを供給できる。この回転により、シャッタ６５に設けられた窓６５ａが、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器６１の開口６１ａ上を通過する。ドーパントを供給する粒子線供給装置６１のシャッタ６５の窓６５ａの大きさに応じて粒子線が供給される。また、III族原料およびＶ族原料を供給する粒子線供給装置４１、５１のシャッタ４５、５５の窓４５ａ、５５ａの位置と粒子線供給装置６１のシャッタ６５の窓６５ａの位置との違いに応じて、ドーパントを供給するタイミングが決定される。各シャッタの回転により、III族原料の供給、Ｖ族原料の供給およびドーパントの供給の繰り返しが実現される。これによって、所望の導電性および膜厚のIII−Ｖ化合物半導体を成長できる。また、III族原料およびＶ族原料の供給からドーパントの供給を分離することによって、ドーパント原子が構成元素と結合する前に、ドーパント原子のマイグレーションが生じうる。
【００５３】
III族原料を基板に供給する期間は、Ｖ族原料を基板に供給する期間の少なくとも一部と重なっていてもよい。この方法によれば、脱離しやすいＶ族元素の表面脱離を防ぐことができる。
【００５４】
この成長方法は、上記の工程に加えて、工程Ｓ２０３、Ｓ２０４の少なくともいずれか一方を含むことができる。図５（ｂ）を参照すると、工程Ｓ２０３では、シャッタ４５、５５、６５は、III族元素、Ｖ族元素およびドーパント原子の供給休止の期間を示す角度内に位置する。III族元素およびＶ族元素の粒子線が供給された後に、開口４１ａ、５１ａからのIII族元素およびＶ族元素粒子線が、シャッタ４５、５５の遮蔽部４５ｂ、５５ｂにより遮断され、同時に、開口６１ａからのドーパント粒子線が、シャッタ６５の遮蔽部６５ｂにより遮断される。このため、III族原料、Ｖ族原料およびドーパントのいずれも供給することなく、基板をマイグレーションのための温度に保持する。この温度保持により、原料中のIII族原子およびＶ族原料のマイクレーションが成長表面において生じするので、三次元成長が抑制されて、平坦なエピタキシャル面が得られる。Ｖ族元素は結晶表面より脱離しやすいので、脱離による結晶性の劣化をもたらさないように短時間の供給時間が望ましい。
【００５５】
図５（ｄ）を参照すると、工程Ｓ２０４では、シャッタ４５、５５、６５は、III族元素、Ｖ族元素およびドーパント元素の供給休止の期間を示す角度内に位置するドーパント粒子線が供給された後に、開口６１ａからの粒子線が、シャッタ６５の遮蔽部６５ｂにより遮断され、同時に、開口４１ａ、５１ａからのIII族元素およびＶ族元素の粒子線が、それぞれ、シャッタ４５、５５の遮蔽部４５ｂ、５５ｂにより遮断される。このため、III族原料、Ｖ族原料およびドーパントのいずれも供給することなく、基板をマイグレーションのための温度に保持する。この温度保持により、ドーパント原子のマイクレーションが成長表面において生じるので、高い正孔濃度のIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法が提供される。
【００５６】
III−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓ系半導体であることができる。或いは、III−Ｖ化合物半導体は、ＧａＮ系半導体であることができる。第２の粒子線供給装置が、窒素ラジカルを生成するための高周波ラジカルガンを含むことによって、上記の方法をＧａＮ系半導体の成長に適用できる。
【００５７】
（実施例１）
回転シャッタを用いて、ＧａＡｓエピタキシャル膜をＧａＡｓ基板上に成長した。回転シャッタは、円形状の窓もしくは円周に沿った楕円状の窓を円盤状の金属板で形成した。ＭＢＥ成長装置の原料セルの前に、上記の窓がセルの開口と重なるように回転シャッタを設置して、シャッタの回転軸をチャンバ外部の磁気駆動装置と磁気カップリングさせた。この回転シャッタを原料セルの上部において一定速度で回転させることによって、回転シャッタの窓から一原子層分の原料を供給した。この供給の後に、所定の時間だけ原料の供給を停止した。二元化合物では、２種類の構成元素のための原料の供給タイミングをずらすことによって、ＭＥＥ法を実現した。
【００５８】
摂氏３００度の成長温度でＧａとＡｓを交互に供給し、それぞれの原料供給の間に５秒インターバルを設けた。その結果、得られたＧａＡｓ膜のエピタキシャル面は、通常の連続成長では表面モフォロジ（凹凸が発生していた）より優れており、鏡面であった。これは、成長中断中に原料（特にＧａ）がＡｓ面上をマイグレーションすることにより３次元成長が抑制されるので、平坦なエピタキシャル面が実現できた。
【００５９】
（実施例２）
また、ドーピングを行う成長では、マトリックスの原料は同じタイミングで供給し、ドーパントのみをマトリックス結晶の成長中断時に供給した。マトリックスの原料およびドーパントのいずれの回転シャッタも、一定の方向に連続的に回転させた。このため、回転機構の故障や堆積物の落下等は少なくできた。
【００６０】
ドーパントとしてＢｅを用いた。ＢｅがドーピングされたＧａＡｓの成長では、通常の成長温度ではＢｅのマイグレーション距離が短いので、Ｂｅ原子の多くは、ｐ型キャリアとして活性化する格子位置に入ることができず、格子間位置に入って不活性しない。これを避けるために基板温度を上げると、マイグレーションが促進されてＢｅが格子位置に配置されるようになる。しかし、Ｂｅは付着係数が小さいので、基板温度を上けると脱離が促進されドーピングされなくなる。マイグレーションのために十分なエネルギをＢｅに与えるために、Ｂｅセルの温度を高くすると、必要以上のＢｅ原子がエピタキシャル表面に供給され、所望のドーピング量を越えて異常なドーピングが発生する。
【００６１】
回転シャッタを用いて周期的にＢｅ粒子線を供給してＭＥＥ法を適用することによって、Ｂｅを格子位置に配置可能になると共に所望のドーパント濃度を得ることができた。
【００６２】
具体的には、Ｂｅセル温度を摂氏５００度に設定して、Ｂｅフラクッスを通常の１０倍程度、例えば２．０×１０−８Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒは、１３３．３２２Ｐａで換算される）に設定し、回転シャッタの窓の長さと円周長との比率を０．１に設定し、シャッタ回転数を１ｒｐｍに設定し、ＧａＡｓを成長した。Ｂｅの窓が開いていない期間に、ＧａセルおよびＡｓセルのための回転シャッタを同時に１０秒間だけ開いて、ＧａフラックスおよびＡｓフラックスを供給した。この設定では、１０秒間だけＢｅを供給した後に、２５秒間の期間にＢｅがＡｓ面上をマイグレーションして格子位置に入る。Ｂｅの脱離を抑制するために、成長温度は摂氏３００度といった低温に設定した。ＳＩＭＳ分析の結果、１×１０１９ｃｍ−３程度のＢｅがドーピングされ、また、ホール測定によれば、５×１０１８ｃｍ−３のホール濃度が観測された。
【００６３】
（実施例３）
実施例２と同様にＢｅをドーパントとして用いた。回転シャッタを適用して、ＢｅがドーピングされたＧａＮを成長した。ＧａＮの成長でも、通常の成長温度ではＢｅのマイグレーション距離が短いので、Ｂｅ原子の多くは、ｐ型キャリアとして活性化する格子位置に入らす格子問位置に入って不活性しない。基板温度を上げると、マイグレーションが促進されてＢｅが格子位置に配置されるけれども、ＧａＮの分解によりＧａＮ結晶性が悪化する。また、マイグレーションのための十分なエネルギをＢｅに与えるために、Ｂｅセルの温度を高くすると、必要以上のＢｅ原子がエピタキシャル表面に供給され、所望のドーピング量を越えた異常ドーピングが発生した。
【００６４】
ドーパントのために回転シャッタを適用して、間欠的にＢｅ原子をＧａＮに供給することによって、Ｂｅを回折格子上に配置させると共に所望のＢｅ濃度を得ることができた。
【００６５】
具体的には、Ｂｅセル温度を摂氏５００度に設定して、Ｂｅフラクッスを通常の１０倍程度の１．０×１０−９Ｔｏｒｒに設定した。回転シャッタにおけるの窓の長さと、円周長との比率を０．１に設定し、回転数を１ｒｐｍに設定し、ＧａＮを成長した。窒素源には、窒素ガスをＲＦプラズマ分解して窒素ラジカルを生成するＲＦ−ラジカルガンを用いた。Ｂｅの窓が開いていない期間に、ＧａセルとＮセルの回転シャッタを同時に１０秒の期間だけ開き、ＧａフラックスとＮフラックスを供給した。この設定では、１０秒間だけＢｅを供給した後に、２５秒間の期間にＢｅがＧａ面上をマイグレーションして格子位置に入る。成長温度は摂氏７００度といった低温に設定した。ＳＩＭＳ分析の結果、２×１０１９ｃｍ−３程度のＢｅがドーピングされたまた、ホール測定の結果、１×１０１８ｃｍ−３のホール濃度が観測された。
【００６６】
以上説明したように、分子線エピタキシ成長装置において、原料セルの開口の位置に合わせた窓を有する遮蔽板を設置すると共に、この遮蔽版を一定速度で回転させて原料を間欠的に供給して結晶成長を行った。このシャッタ機構によれば、間欠的な原料供給を一方向に回転する遮蔽板で制御するので、装置の故障や堆積物の落下による欠陥等が減少する。また、複数個の窓が遮蔽板に設けられており、また円周方向に均等の間隔をおいて配置されていてもよい。
【００６７】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、III−Ｖ化合物半導体を成長するための分子線エピタキシ装置の一例を示す図面である。
【図２】図２は、粒子線供給装置の一例を示す図面である。
【図３】図３は、シャッタの変形例を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法の主要な工程を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法の主要な工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００６９】
１１…基板、１３…分子線エピタキシ装置、１５…半導体膜、１７、２９…ドーパントのための粒子線供給装置、１９、２１、２３、２５、２７…原料のための粒子線供給装置、３１…粒子線生成器、３１ａ…粒子線生成器の開口、３３…シャッタ装置、３４、３５、３６…シャッタ、３７…回転軸、３９…駆動機構、３４ａ、３５ａ、３６ａ、３６ｃ…窓、３４ｂ、３５ｂ、３６ｂ…遮蔽部、４１…III族元素のための粒子線生成器、４１ａ…III族元素のための粒子線生成器の開口、４５…シャッタ、４５ａ…シャッタの窓、４５ｂ…シャッタの遮蔽部、５１…Ｖ族元素のための粒子線生成器、５１ａ…Ｖ族元素のための粒子線生成器の開口、５５…シャッタ、５５ａ…シャッタの窓、５５ｂ…シャッタの遮蔽部、６１…Ｖ族元素のための粒子線生成器、６１ａ…Ｖ族元素のための粒子線生成器の開口、６５…シャッタ、６５ａ…シャッタの窓、６５ｂ…シャッタの遮蔽部、ω…角加速度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線供給装置およびIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、改良された分子線エピタキシによって低温成長されたＧａＡｓおよびＡｌＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸について記載されている。マイグレーションエンハンストエピタキシャル成長（ＭＥＥ）法を用いて結晶性の良好なＧａＡｓを低温（摂氏３００度）で成長した。
【０００３】
非特許文献２には、ＭＥＥ法によって低温成長されたＡｌＧａＡｓ−ＧａＡ量子井戸について記載されている。ヒ素を含まない雰囲気中において清浄なＧａＡｓ表面にガリウム原子またはアルミニウム原子を供給するとき、これらの原子は低温（摂氏３００度）においても移動しやすく、マイグレーションが生じる。この方法により、ガリウムおよび／またはアルミニウム並びにヒ素をＧａＡｓ表面に供給して、優れたフォトルミネッセンス特性を有するＡｌＧａＡｓ−ＧａＡ量子井戸が成長された。
【０００４】
非特許文献３には、ＭｎおよびＢｅを共添加して高正孔濃度のＧａＡｓを低温で成長することについて記載されている。Ｍｎを添加して高正孔濃度のＧａＡｓを低温で成長することができるし、Ｂｅを添加して高正孔濃度のＧａＡｓを低温で成長できる。しかしながら、ＭｎおよびＢｅを共添加すると高抵抗のＧａＡｓが得られた。ところが、ＭＥＥ法によってＭｎおよびＢｅを別個に供給してＧａＡｓを成長すると、高正孔濃度のＧａＡｓが得られた。
【０００５】
非特許文献４には、ＭＥＥ法を用いてＩｎＮを成長することについて記載されている。
【０００６】
非特許文献５には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合デバイスを作製するための分子線エピタキシについて記載されている。ＧａＮテンプレート上に高温成長ＡｌＮ薄層をＭＥＥ法で成長した後に、ＧａＮを成長した。このＧａＮのらせんヒルロック密度を下げることができた。
【非特許文献１】Y. Horiknshi, M. Kawashima, and H. Yamaguchi Jpn. J. Appl. Phys. 25, L868 (1986).
【非特許文献２】Y. Horikoshi, et al. Appl. Phys. Lett. l50 (23), 8June 1987
【非特許文献３】K. Onomitsu, et al. J. Vac. Sci. Technol. B 22.4., Jul/Aug 2004
【非特許文献４】H. Lu, et al. Appl. Phvs. Lett., Vol. 77, No. 16, l6 October 2000
【非特許文献５】K. Kishino and A. Kikuchi: phys. stal. sot. (a) 190, No. 1, 23 31 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＢＥ法で半導体結晶を一原子層づつ成長するＭＥＥ法を実現ためには、原料を交互に間欠的に供給する必要がある。なぜなら、ＭＥＥ法では原子層の成長毎に原料の供給を停止して原子のマイグレーションを促進する必要があるからでる。このため、一原子層毎に原料セルのシャッタを開閉する必要がある。この開閉には、以下のようないくつかの駆動方式がある。例えば、ベローズの先端にシャッタ板を取り付けて、ステッピングモータの駆動によりベローズの左回転および右回転を交互に行って開閉を行う。別の方法では、磁気駆動により左回転および右回転を行って開閉を行う。アオリ方式では、ベローズを有する回転導入機の先端にシャッタ板を取り付けて、ステッピングモータの駆動によりシャッタ板の移動を行って開閉を行う。スライド方式では、アクチェータによる磁石の平行移動を利用して開閉のためにシャッタ板のスライドを行う。或いは、ステッピングモータの回転運動を並進運動に変換して、開閉のためにシャッタ板のスライドを行う。
【０００８】
これらの方式のいずれにおいても、１μｍのエピタキシャル膜を成長するためには、機械的な移動により数千回程度のシャッタの開閉を行う。これらのシャッタ機構の動作では、シャッタの移動と停止が成長中に繰り返されるので、シャッタに付着した堆積物の落下による結晶欠陥の発生や機械的な故障などが発生する可能性がある。
【０００９】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、成長中にシャッタの移動と停止の繰り返しを行うことがない、分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置を提供することを目的とし、また粒子線供給装置を用いた分子線エピタキシ装置によりIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面は、分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置である。粒子線供給装置は、（ａ）分子線エピタキシ成長のための原料を提供する開口を有する粒子線生成器と、（ｂ）前記粒子線生成器の前記開口の前方に位置するシャッタ、該シャッタを支持しており所定の軸に沿って延びる回転軸、および該回転軸を前記所定の軸の回りに回転駆動する駆動機構を含むシャッタ装置とを備え、前記シャッタは、前記粒子線生成器の前記開口の位置に合わせて設けられた窓を有する。
【００１１】
この粒子線供給装置によれば、回転駆動のための駆動機構により、回転軸に支持されたシャッタを一方向に回転させることができる。この回転により、シャッタに設けられた窓が、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器の開口上を通過する。シャッタ装置が開かれた状態では、粒子線生成器からの粒子線が窓を通して供給される。また、シャッタ装置が閉じられた状態では、粒子線生成器からの粒子線がシャッタによって遮断される。
【００１２】
本発明に係る粒子線供給装置では、前記シャッタは、追加の窓を有しており、前記窓および前記追加の窓は前記所定の軸を中心とする円周上に配置されていることができる。この粒子線供給装置によれば、窓および追加の窓を通して粒子線が供給される。窓および追加の窓の窓サイズ（円周に沿って規定される長さ）に応じて、粒子線の供給期間が規定される。また、窓および追加の窓との間隔（円周に沿って規定される間隔）に応じて粒子線の停止期間が規定される。
【００１３】
本発明に係る粒子線供給装置では、前記駆動機構は磁気カップリングによる駆動であることが好ましい。磁気カップリングによる駆動は、非接触により駆動力の伝達が可能であるので、粒子線供給装置の回転軸にチャンバ外から駆動力を与えることができる。
【００１４】
本発明の別の側面は、III−Ｖ化合物半導体を成長する方法である。この方法は、（ａ）III−Ｖ化合物半導体のうちのIII族元素のための第１の粒子線供給装置からIII族原料を基板上に供給する工程と、（ｂ）前記III−Ｖ化合物半導体のうちのＶ族元素のための第２の粒子線供給装置からＶ族原料を前記基板上に供給する工程とを備え、前記第１の粒子線供給装置は、上記の一側面のいずれか一つである粒子線供給装置であり、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタは一方向に回転しており、前記III族原料は、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給され、前記第２の粒子線生成装置は、上記の一側面のいずれか一つである粒子線供給装置であり、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタは一方向に回転しており、前記Ｖ族原料は、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給される。
【００１５】
この方法によれば、シャッタを支持する回転軸を一方向に回転させることによって、III−Ｖ化合物半導体のIII族原料及びＶ族原料を供給できる。この回転により、シャッタに設けられた窓が、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器の開口上を通過する。III族原料及びＶ族原料を供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の大きさに応じて、それぞれの粒子線が供給される。また、III族原料を供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の位置とＶ族原料を供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の位置との違いに応じて、III族原料及びＶ族原料を供給するタイミングが決定される。本発明の別の側面に係る方法では、III族原料の供給とＶ族原料の供給を繰り返す工程は、各シャッタの回転により実現される。これによって、所望の膜厚のIII−Ｖ化合物半導体を成長できる。
【００１６】
本発明に係る方法は、（ｃ）前記III族原料または前記Ｖ族原料の少なくともいずれか一方を前記基板上に供給した後に、前記III族原料および前記Ｖ族原料のいずれも供給することなく前記基板をマイグレーションのための温度に保持する工程を更に備え、マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第１の粒子線供給装置からの前記III族原料は、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第２の粒子線供給装置からの前記Ｖ族原料は、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断される。
【００１７】
この発明によれば、原料中のIII族原子またはＶ族原子のマイクレーションが成長表面において生じするので、三次元成長が抑制されて、平坦なエピタキシャル面が得られる。
【００１８】
本発明に係る方法は、更に、前記III族原料および前記Ｖ族原料のいずれも供給することなく、前記III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントのための第３の粒子線供給装置から前記ドーパントを前記基板上に供給する工程を備えることができる。前記第３の粒子線供給装置は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された粒子線供給装置であり、前記第３の粒子線供給装置の前記シャッタは一方向に回転しており、前記ドーパントは、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給される。
【００１９】
この方法によれば、シャッタを支持する回転軸を一方向に回転させることによって、III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントを供給できる。この回転により、シャッタに設けられた窓が、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器の開口上を通過する。ドーパントを供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の大きさに応じて粒子線が供給される。また、III族原料およびＶ族原料を供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の位置とドーパントを供給する粒子線供給装置のシャッタの窓の位置との違いに応じて、ドーパントを供給するタイミングが決定される。本発明の別の側面に係る方法では、III族原料の供給、Ｖ族原料の供給およびドーパントの供給を繰り返す工程は、各シャッタの回転により実現される。これによって、所望の導電性および膜厚のIII−Ｖ化合物半導体を成長できる。
【００２０】
本発明に係る方法は、更に、前記ドーパントを前記基板上に供給した後に、前記III族原料、前記Ｖ族原料および前記ドーパントのいずれも供給することなく前記基板をマイグレーションのための温度に保持する工程を備えることができる。マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第１の粒子線供給装置からの前記III族原料は、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第２の粒子線供給装置からの前記Ｖ族原料は、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第３の粒子線供給装置からの前記ドーパントは、前記第３の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断される。
【００２１】
この方法によれば、前記III族原料、前記Ｖ族原料および前記ドーパントが供給されない期間に、マイクグレーションが促進される。
【００２２】
本発明に係る方法では、前記ドーパントはベリリウムであることが好ましい。ベリリウムの付着係数は小さい。このため、ベリリウムが基板に到達しても、基板に留まる確率が小さい。また、基板温度の上昇により、基板に付着したベリリウムが脱離する。しかしながら、ドーパントのベリリウムを基板上に供給した後に、III族原料、Ｖ族原料およびドーパントのいずれも供給することなく基板をマイグレーションのための温度に保持するので、ベリリウムのマイグレーションが基板上において促進される。
【００２３】
本発明に係る方法では、前記III−Ｖ化合物半導体は、ＧａＮ系半導体であり、前記第２の粒子線供給装置は、窒素ラジカルを生成するための高周波ラジカルガンを含むことができる。本発明は、III−Ｖ化合物半導体としてＧａＮ系半導体の成長に適用できる。
【００２４】
本発明に係る方法では、前記III族原料を前記基板に供給する期間は、前記Ｖ族原料を前記基板に供給する期間の少なくとも一部と重なっていてもよい。
【００２５】
本発明に係る方法では、前記III−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓ系半導体であることができる。本発明は、III−Ｖ化合物半導体としてＧａＡｓ系半導体の成長に適用できる。
【００２６】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、成長中にシャッタの移動と停止の繰り返しを行うことない、分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置が提供される。また、本発明によれば、粒子線供給装置を用いた分子線エピタキシ装置によりIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の粒子線供給装置およびIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２９】
図１は、III−Ｖ化合物半導体を成長するための分子線エピタキシ装置の一例を示す図面である。III−Ｖ化合物半導体の成長のために分子線エピタキシ装置１３を用いることができる。III−Ｖ化合物半導体の結晶成長に先立って、半導体膜を成長するための基板１１を分子線エピタキシ装置１３に設置する。分子線エピタキシ装置１３において原料またはドーパントを供給して半導体膜１５を基板１１上に成長する。詳細に説明すると、分子線エピタキシ装置１３は、チャンバ１３ａと、ホルダ１３ｂと、ソース１３ｃと、ＲＨＥＥＤといったモニタ装置１３ｄと、真空ポンプが接続された排気口１３ｅとを含む。ソース１３ｃには、ドーパントのための粒子線供給装置１７、２９および原料のための粒子線供給装置１９、２１、２３、２５、２７を含む。粒子線供給装置１７は、III−Ｖ化合物半導体中においてｐ型ドーパントとして働く例えばベリリウムを供給するものであり、粒子線供給装置２９は、III−Ｖ化合物半導体中においてｎ型ドーパントとして働く例えばシリコンを供給するものである。粒子線供給装置１７は、ドーパント１７ａを供給する。粒子線供給装置１９、２１は、それぞれ、半導体の構成原料１９ａ、２１ａを供給する。ドーパント１７ａおよび構成原子１９ａ、２１ａは、それぞれの粒子線供給装置１７、１９、２１のシャッタの窓を通して供給される。分子線エピタキシ装置１３を用いた成長では、粒子線により表面に供給された粒子のマイグレーションのための期間を原料および／またはドーパントの供給の後に設けている。
【００３０】
図２は、粒子線供給装置の一例を示す図面である。図２（ａ）は、図１の粒子線供給装置１７に示されるI−I線に沿って取られた断面を示す。図２（ｂ）は、粒子線供給装置１７のシャッタの正面を示す図面である。引き続く説明では、粒子線供給装置１７の説明は例示として示されるものであり、他の粒子線供給装置１９、２１、２３、２５、２７、２９も同一または類似の構造を有することができる。
【００３１】
粒子線供給装置１７は、粒子線生成器３１およびシャッタ装置３３を備える。粒子線生成器３１は、分子線エピタキシ成長のための原料を提供する開口３１ａを有する。シャッタ装置３３は、シャッタ３５、回転軸３７および駆動機構３９を含む。
【００３２】
粒子線生成器３１が室温において固体である材料（例えば、ガリウム、ヒ素）のために用いられるとき、粒子線生成器３１は、固体材料をチャージするためのセルおよび加熱用のヒータを含んでおり、加熱により生成された蒸気が開口３１ａから放出されて粒子線を形成する。粒子線生成器３１が室温において気体である分子（例えば、窒素分子）のために用いられるとき、高純度のガス源から供給された分子のラジカル生成のための高周波（ＲＦ）ラジカルガンを含んでいる。また、高周波プラズマにより生成されたラジカルが開口３１ａから放出されて粒子線を形成する。
【００３３】
シャッタ３５は、粒子線生成器３１の開口３１ａの前方に位置する。回転軸３７は、シャッタ３５を支持しており所定の軸Ａｘに沿って延びる。駆動機構３９は、回転軸３７を所定の軸Ａｘの回りに回転駆動する。シャッタ３５は、開口３１ａの位置に合わせて設けられた窓３５ａを有する。粒子線生成器３１からの粒子線は窓３５ａを通過し、或いは、シャッタ３５の遮蔽部３５ｂにより遮断される。粒子線生成器３１からの粒子線Ｂは、窓３５ａのほぼ中心を通り軸Ａｘに平行な軸Ｂｘに沿って進む。図２には、軸Ａｘと軸Ｂｘとの距離に相当する半径Ｒの円が破線で描かれており、矢印Ａｒｒｏｗの向きにシャッタ３５を等角速度で回転させたとき、一定の周期で、粒子線が窓３５ａを介して軸Ｂｘに沿って供給される。例えば、一例の回転速度は、例えば５ｒｐｍ程度である。回転は一方向のみであるので、シャッタ３５の移動と停止が、成長中に繰り返されることはない。
【００３４】
この粒子線供給装置１７によれば、回転駆動のための駆動機構３９により、回転軸３７に支持されたシャッタ３５を一方向に回転させることができる。この回転により、シャッタ３５に設けられた窓３５ａが、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器３１の開口３１ａ上を通過する。シャッタ装置３３が開かれた状態では、粒子線生成器３１からの粒子線が窓３５ａを通して供給される。また、シャッタ装置３３が閉じられた状態では、粒子線生成器３１からの粒子線がシャッタ３５によって遮断される。
【００３５】
粒子線供給装置１７では、駆動機構３９は磁気カップリングによる駆動であることが好ましい。磁気カップリングによる駆動機構としては、磁気結合型回転導入器等が使用可能である。磁気カップリングによる駆動は、非接触により駆動力の伝達が可能であるので、減圧されたチャンバ１３ａの気密を保持するための隔壁４０外から粒子線供給装置１７の回転軸３７に駆動力を与えることができる。
【００３６】
図３は、シャッタの変形例を示す図面である。図３（ａ）を参照すると、変形例のシャッタ３４が示されている。シャッタ３４は、開口３１ａの位置に合わせて設けられた窓３４ａを有する。粒子線生成器３１からの粒子線は窓３４ａを通過し、或いは、シャッタ３４の遮蔽部３４ｂにより遮断される。窓３４ａの窓サイズ（円周に沿って規定される長さＬ１または角度Ａｇｌ１）は、粒子線の供給期間を規定する。また、窓３４ａのエッジと基準線Ｒｅｆとの間隔（円周に沿って規定される間隔Ｌ２）は、粒子線の供給のタイミングを規定する。また、窓３４ａの２つのエッジの間隔（円周に沿って規定される間隔Ｌ３）は、粒子線の停止期間を規定する。
【００３７】
シャッタ３４は、粒子線の種類毎に準備される。例えば、上記の長さＬ１〜Ｌ３を所望の成長に合わせて設計することにより、それぞれの粒子線が供給される期間、相互のタイミング、それぞれの粒子線が供給されない期間が規定される。
【００３８】
シャッタ３６は、単一の窓に限定されることなく複数の窓を有することができる。図３（ｂ）を参照すると、変形例のシャッタ３６が示されている。シャッタ３６は、開口３１ａの位置に合わせて設けられた窓３６ａと追加の窓３６ｃを有する。粒子線生成器３１からの粒子線は窓３６ａ又は窓３６ｃを通過し、或いは、シャッタ３６の遮蔽部３６ｂにより遮断される。窓３６ａおよび追加の窓３６ｃは所定の軸Ａｘを中心とする円周Ｒ上に配置されている。このシャッタ３６では、一回転の間に、２回の粒子線の提供が行われる。窓３６ａの窓サイズ（角度Ａｇｌ２により規定される）は、粒子線の第１の供給期間を規定し、また窓３６ｃの窓サイズ（角度Ａｇｌ３により規定される）は、粒子線の第２の供給期間を規定する。窓３６ａのエッジと窓３６ｃのエッジとの間隔（角度Ａｇｌ４により規定される）は、粒子線の停止期間を規定する。シャッタ３４と同様に、シャッタ３６においても、窓３６ａ、３６ｃのエッジと基準線Ｒｅｆとの間隔は粒子線の供給のタイミングを規定する。
【００３９】
以上説明したように、本実施の形態に係る粒子線供給装置によれば、成長中にシャッタの移動と停止の繰り返しを行うことがない。
【００４０】
引き続き、本実施の形態に係る粒子線供給装置を用いた分子線エピタキシ装置によりIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法を説明する。III−Ｖ化合物半導体は、一又は複数のIII族構成元素と一又は複数のＶ族構成元素とを含む。典型的なIII族構成元素は、例えばＧａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｂ等であり、また典型的なＶ族構成元素は、例えばＡｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｎ等である。例示すれば、III−Ｖ化合物半導体は、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等である。
【００４１】
図４は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法の主要な工程を示す図面である。この図面では、主要な工程の各々におけるシャッタの回転における位置が示されている。シンボル「ω」は、回転駆動の定角速度を示している。図４を参照すると、シャッタ４５は、III族元素のための粒子線生成器４１の開口４１ａからの粒子線を制御しており、またシャッタ５５は、Ｖ族元素のための粒子線生成器５１の開口５１ａからの粒子線を制御する。シャッタ４５、５５は、それぞれ、角加速度ωで一方向に回転運動している。
【００４２】
図４（ａ）を参照すると、工程Ｓ１０１では、シャッタ４５、５５は、III族元素のための期間を示す角度内に位置する。開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の窓４５ａを介して基板上に供給される一方で、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の遮蔽部５５ｂにより遮断されている。
【００４３】
次いで、図４（ｃ）を参照すると、工程Ｓ１０２では、シャッタ４５、５５は、Ｖ族元素のための期間を示す角度内に位置する。開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の窓５５ａを介して基板上に供給される一方で、開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の遮蔽部４５ｂにより遮断されている。
【００４４】
この実施例では、III族元素粒子線とＶ族元素粒子線は互いに排他的に供給されている。
【００４５】
この成長方法によれば、シャッタ４５、５５を支持する回転軸を一方向に回転させることによって、III−Ｖ化合物半導体のIII族原料及びＶ族原料を供給できる。この回転により、シャッタ４５、５５に設けられた窓４５ａ、５５ａが、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器４１、５１の開口４１ａ、５１ａ上を通過する。III族原料及びＶ族原料を供給するシャッタ４５、５５の窓４５ａ、５５ａの大きさに応じて、III族原料及びＶ族原料の粒子線がそれぞれ供給される。また、III族原料を供給する窓４５ａの位置とＶ族原料を供給する窓５５ａの位置との違いに応じて、III族原料及びＶ族原料を供給するタイミングが決定される。この成長方法では、III族原料の供給とＶ族原料の供給を繰り返す工程は、各シャッタの回転により実現される。これによって、所望の膜厚のIII−Ｖ化合物半導体を成長できる。また、成長中にシャッタの移動と停止の繰り返しを行うことがない。
【００４６】
この成長方法は、上記の工程に加えて、工程Ｓ１０３、Ｓ１０４の少なくともいずれか一方を含むことができる。図４（ｂ）を参照すると、工程Ｓ１０３では、シャッタ４５、５５は、III族元素およびＶ族元素の供給休止の期間を示す角度内に位置する。III族元素粒子線が供給された後に、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の遮蔽部５５ｂにより遮断され、同時に、開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の遮蔽部４５ｂにより遮断される。このため、III族原料およびＶ族原料のいずれも供給することなく、基板をマイグレーションのための温度に保持する。この温度保持により、原料中のIII族原子のマイクレーションが成長表面において生じするので、三次元成長が抑制されて、平坦なエピタキシャル面が得られる。
【００４７】
図４（ｄ）を参照すると、工程Ｓ１０４では、シャッタ４５、５５は、III族元素およびＶ族元素の供給休止の期間を示す角度内に位置する。Ｖ族元素粒子線が供給された後に、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の遮蔽部５５ｂにより遮断され、同時に、開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の遮蔽部４５ｂにより遮断される。このため、III族原料およびＶ族原料のいずれも供給することなく、基板をマイグレーションのための温度に保持する。この温度保持により、Ｖ族原子のマイクレーションが成長表面において生じするので、三次元成長が抑制されて、平坦なエピタキシャル面が得られる。
【００４８】
図５は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法の主要な工程を示す図面である。この図面では、主要な工程の各々におけるシャッタの回転角が示されている。図５を参照すると、シャッタ４５、５５に追加されて、シャッタ６５が示されている。シャッタ６５は、III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントの粒子線生成器６１の開口６１ａからの粒子線を制御している。シャッタ４５、５５、６５は、それぞれ、角加速度ωで一方向に回転運動している。この方法においても、シャッタの移動と停止の繰り返しを成長中に行うことがない。
【００４９】
ドーパントは、例えば、III−Ｖ化合物半導体にｐ型を付与するベリリウムであることが好ましい。ベリリウムの付着係数は小さい。このため、ベリリウムが基板に到達しても、基板に留まる確率が小さい。また、基板温度の上昇により、基板に付着したベリリウムが脱離する。しかしながら、ドーパントのベリリウムを基板上に供給した後に、III族原料、Ｖ族原料およびドーパントのいずれも供給することなく基板をマイグレーションのための温度に保持するので、ベリリウムのマイグレーションが基板上において促進される。ドーパントはベリリウムに限定されることなく、例えばｐ型ドーパントとしてＭｇ等を用いることができ、Ｍｇは、Ｂｅと比較してアクセプタレベルが深いが、取扱に関してはＢｅより安全で簡便であるという利点がある。また、例えばｎ型ドーパントとしてＳｉ等を用いることができ、活性化率がほぼ１００％に近いという利点がある。
【００５０】
図５（ａ）を参照すると、工程Ｓ２０１では、シャッタ４５、５５は、それぞれ、III族元素およびＶ族元素の供給のための期間を示す角度内に位置する。開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の窓４５ａを介して基板上に供給され、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の窓５５ａを介して基板上に供給される一方で、開口６１ａからのドーパント粒子線が、シャッタ６５の遮蔽部６５ｂにより遮断されて基板上には供給されていない。
【００５１】
次いで、図５（ｃ）を参照すると、工程Ｓ２０２では、シャッタ６５は、ドーパントの供給ための期間を示す角度内に位置する。開口６１ａからのドーパント粒子線が、シャッタ６５の窓６５ａを介して基板上に供給される一方で、開口４１ａからのIII族元素粒子線が、シャッタ４５の遮蔽部４５ｂにより遮断され、開口５１ａからのＶ族元素粒子線が、シャッタ５５の遮蔽部５５ｂにより遮断されて、III族元素およびＶ族元素は基板上に供給されていない。
【００５２】
シャッタ６５を支持する回転軸を一方向に回転させることによって、III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントを供給できる。この回転により、シャッタ６５に設けられた窓６５ａが、回転の速度に応じた頻度で粒子線生成器６１の開口６１ａ上を通過する。ドーパントを供給する粒子線供給装置６１のシャッタ６５の窓６５ａの大きさに応じて粒子線が供給される。また、III族原料およびＶ族原料を供給する粒子線供給装置４１、５１のシャッタ４５、５５の窓４５ａ、５５ａの位置と粒子線供給装置６１のシャッタ６５の窓６５ａの位置との違いに応じて、ドーパントを供給するタイミングが決定される。各シャッタの回転により、III族原料の供給、Ｖ族原料の供給およびドーパントの供給の繰り返しが実現される。これによって、所望の導電性および膜厚のIII−Ｖ化合物半導体を成長できる。また、III族原料およびＶ族原料の供給からドーパントの供給を分離することによって、ドーパント原子が構成元素と結合する前に、ドーパント原子のマイグレーションが生じうる。
【００５３】
III族原料を基板に供給する期間は、Ｖ族原料を基板に供給する期間の少なくとも一部と重なっていてもよい。この方法によれば、脱離しやすいＶ族元素の表面脱離を防ぐことができる。
【００５４】
この成長方法は、上記の工程に加えて、工程Ｓ２０３、Ｓ２０４の少なくともいずれか一方を含むことができる。図５（ｂ）を参照すると、工程Ｓ２０３では、シャッタ４５、５５、６５は、III族元素、Ｖ族元素およびドーパント原子の供給休止の期間を示す角度内に位置する。III族元素およびＶ族元素の粒子線が供給された後に、開口４１ａ、５１ａからのIII族元素およびＶ族元素粒子線が、シャッタ４５、５５の遮蔽部４５ｂ、５５ｂにより遮断され、同時に、開口６１ａからのドーパント粒子線が、シャッタ６５の遮蔽部６５ｂにより遮断される。このため、III族原料、Ｖ族原料およびドーパントのいずれも供給することなく、基板をマイグレーションのための温度に保持する。この温度保持により、原料中のIII族原子およびＶ族原料のマイクレーションが成長表面において生じするので、三次元成長が抑制されて、平坦なエピタキシャル面が得られる。Ｖ族元素は結晶表面より脱離しやすいので、脱離による結晶性の劣化をもたらさないように短時間の供給時間が望ましい。
【００５５】
図５（ｄ）を参照すると、工程Ｓ２０４では、シャッタ４５、５５、６５は、III族元素、Ｖ族元素およびドーパント元素の供給休止の期間を示す角度内に位置するドーパント粒子線が供給された後に、開口６１ａからの粒子線が、シャッタ６５の遮蔽部６５ｂにより遮断され、同時に、開口４１ａ、５１ａからのIII族元素およびＶ族元素の粒子線が、それぞれ、シャッタ４５、５５の遮蔽部４５ｂ、５５ｂにより遮断される。このため、III族原料、Ｖ族原料およびドーパントのいずれも供給することなく、基板をマイグレーションのための温度に保持する。この温度保持により、ドーパント原子のマイクレーションが成長表面において生じるので、高い正孔濃度のIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法が提供される。
【００５６】
III−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓ系半導体であることができる。或いは、III−Ｖ化合物半導体は、ＧａＮ系半導体であることができる。第２の粒子線供給装置が、窒素ラジカルを生成するための高周波ラジカルガンを含むことによって、上記の方法をＧａＮ系半導体の成長に適用できる。
【００５７】
（実施例１）
回転シャッタを用いて、ＧａＡｓエピタキシャル膜をＧａＡｓ基板上に成長した。回転シャッタは、円形状の窓もしくは円周に沿った楕円状の窓を円盤状の金属板で形成した。ＭＢＥ成長装置の原料セルの前に、上記の窓がセルの開口と重なるように回転シャッタを設置して、シャッタの回転軸をチャンバ外部の磁気駆動装置と磁気カップリングさせた。この回転シャッタを原料セルの上部において一定速度で回転させることによって、回転シャッタの窓から一原子層分の原料を供給した。この供給の後に、所定の時間だけ原料の供給を停止した。二元化合物では、２種類の構成元素のための原料の供給タイミングをずらすことによって、ＭＥＥ法を実現した。
【００５８】
摂氏３００度の成長温度でＧａとＡｓを交互に供給し、それぞれの原料供給の間に５秒インターバルを設けた。その結果、得られたＧａＡｓ膜のエピタキシャル面は、通常の連続成長では表面モフォロジ（凹凸が発生していた）より優れており、鏡面であった。これは、成長中断中に原料（特にＧａ）がＡｓ面上をマイグレーションすることにより３次元成長が抑制されるので、平坦なエピタキシャル面が実現できた。
【００５９】
（実施例２）
また、ドーピングを行う成長では、マトリックスの原料は同じタイミングで供給し、ドーパントのみをマトリックス結晶の成長中断時に供給した。マトリックスの原料およびドーパントのいずれの回転シャッタも、一定の方向に連続的に回転させた。このため、回転機構の故障や堆積物の落下等は少なくできた。
【００６０】
ドーパントとしてＢｅを用いた。ＢｅがドーピングされたＧａＡｓの成長では、通常の成長温度ではＢｅのマイグレーション距離が短いので、Ｂｅ原子の多くは、ｐ型キャリアとして活性化する格子位置に入ることができず、格子間位置に入って不活性しない。これを避けるために基板温度を上げると、マイグレーションが促進されてＢｅが格子位置に配置されるようになる。しかし、Ｂｅは付着係数が小さいので、基板温度を上けると脱離が促進されドーピングされなくなる。マイグレーションのために十分なエネルギをＢｅに与えるために、Ｂｅセルの温度を高くすると、必要以上のＢｅ原子がエピタキシャル表面に供給され、所望のドーピング量を越えて異常なドーピングが発生する。
【００６１】
回転シャッタを用いて周期的にＢｅ粒子線を供給してＭＥＥ法を適用することによって、Ｂｅを格子位置に配置可能になると共に所望のドーパント濃度を得ることができた。
【００６２】
具体的には、Ｂｅセル温度を摂氏５００度に設定して、Ｂｅフラクッスを通常の１０倍程度、例えば２．０×１０−８Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒは、１３３．３２２Ｐａで換算される）に設定し、回転シャッタの窓の長さと円周長との比率を０．１に設定し、シャッタ回転数を１ｒｐｍに設定し、ＧａＡｓを成長した。Ｂｅの窓が開いていない期間に、ＧａセルおよびＡｓセルのための回転シャッタを同時に１０秒間だけ開いて、ＧａフラックスおよびＡｓフラックスを供給した。この設定では、１０秒間だけＢｅを供給した後に、２５秒間の期間にＢｅがＡｓ面上をマイグレーションして格子位置に入る。Ｂｅの脱離を抑制するために、成長温度は摂氏３００度といった低温に設定した。ＳＩＭＳ分析の結果、１×１０１９ｃｍ−３程度のＢｅがドーピングされ、また、ホール測定によれば、５×１０１８ｃｍ−３のホール濃度が観測された。
【００６３】
（実施例３）
実施例２と同様にＢｅをドーパントとして用いた。回転シャッタを適用して、ＢｅがドーピングされたＧａＮを成長した。ＧａＮの成長でも、通常の成長温度ではＢｅのマイグレーション距離が短いので、Ｂｅ原子の多くは、ｐ型キャリアとして活性化する格子位置に入らす格子問位置に入って不活性しない。基板温度を上げると、マイグレーションが促進されてＢｅが格子位置に配置されるけれども、ＧａＮの分解によりＧａＮ結晶性が悪化する。また、マイグレーションのための十分なエネルギをＢｅに与えるために、Ｂｅセルの温度を高くすると、必要以上のＢｅ原子がエピタキシャル表面に供給され、所望のドーピング量を越えた異常ドーピングが発生した。
【００６４】
ドーパントのために回転シャッタを適用して、間欠的にＢｅ原子をＧａＮに供給することによって、Ｂｅを回折格子上に配置させると共に所望のＢｅ濃度を得ることができた。
【００６５】
具体的には、Ｂｅセル温度を摂氏５００度に設定して、Ｂｅフラクッスを通常の１０倍程度の１．０×１０−９Ｔｏｒｒに設定した。回転シャッタにおけるの窓の長さと、円周長との比率を０．１に設定し、回転数を１ｒｐｍに設定し、ＧａＮを成長した。窒素源には、窒素ガスをＲＦプラズマ分解して窒素ラジカルを生成するＲＦ−ラジカルガンを用いた。Ｂｅの窓が開いていない期間に、ＧａセルとＮセルの回転シャッタを同時に１０秒の期間だけ開き、ＧａフラックスとＮフラックスを供給した。この設定では、１０秒間だけＢｅを供給した後に、２５秒間の期間にＢｅがＧａ面上をマイグレーションして格子位置に入る。成長温度は摂氏７００度といった低温に設定した。ＳＩＭＳ分析の結果、２×１０１９ｃｍ−３程度のＢｅがドーピングされたまた、ホール測定の結果、１×１０１８ｃｍ−３のホール濃度が観測された。
【００６６】
以上説明したように、分子線エピタキシ成長装置において、原料セルの開口の位置に合わせた窓を有する遮蔽板を設置すると共に、この遮蔽版を一定速度で回転させて原料を間欠的に供給して結晶成長を行った。このシャッタ機構によれば、間欠的な原料供給を一方向に回転する遮蔽板で制御するので、装置の故障や堆積物の落下による欠陥等が減少する。また、複数個の窓が遮蔽板に設けられており、また円周方向に均等の間隔をおいて配置されていてもよい。
【００６７】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、III−Ｖ化合物半導体を成長するための分子線エピタキシ装置の一例を示す図面である。
【図２】図２は、粒子線供給装置の一例を示す図面である。
【図３】図３は、シャッタの変形例を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法の主要な工程を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法の主要な工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００６９】
１１…基板、１３…分子線エピタキシ装置、１５…半導体膜、１７、２９…ドーパントのための粒子線供給装置、１９、２１、２３、２５、２７…原料のための粒子線供給装置、３１…粒子線生成器、３１ａ…粒子線生成器の開口、３３…シャッタ装置、３４、３５、３６…シャッタ、３７…回転軸、３９…駆動機構、３４ａ、３５ａ、３６ａ、３６ｃ…窓、３４ｂ、３５ｂ、３６ｂ…遮蔽部、４１…III族元素のための粒子線生成器、４１ａ…III族元素のための粒子線生成器の開口、４５…シャッタ、４５ａ…シャッタの窓、４５ｂ…シャッタの遮蔽部、５１…Ｖ族元素のための粒子線生成器、５１ａ…Ｖ族元素のための粒子線生成器の開口、５５…シャッタ、５５ａ…シャッタの窓、５５ｂ…シャッタの遮蔽部、６１…Ｖ族元素のための粒子線生成器、６１ａ…Ｖ族元素のための粒子線生成器の開口、６５…シャッタ、６５ａ…シャッタの窓、６５ｂ…シャッタの遮蔽部、ω…角加速度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置であって、
分子線エピタキシ成長のための原料を提供する開口を有する粒子線生成器と、
前記粒子線生成器の前記開口の前方に位置するシャッタ、該シャッタを支持しており所定の軸に沿って延びる回転軸、および該回転軸を前記所定の軸の回りに回転駆動する駆動機構を含むシャッタ装置と
を備え、
前記シャッタは、前記粒子線生成器の前記開口の位置に合わせて設けられた窓を有する、ことを特徴とする粒子線供給装置。
【請求項２】
前記シャッタは、追加の窓を有しており、
前記窓および前記追加の窓は前記所定の軸を中心とする円周上に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載された粒子線供給装置。
【請求項３】
前記駆動機構は磁気カップリングによる駆動である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された粒子線供給装置。
【請求項４】
III−Ｖ化合物半導体を成長する方法であって、
III−Ｖ化合物半導体のうちのIII族元素のための第１の粒子線供給装置からIII族原料を基板上に供給する工程と、
前記III−Ｖ化合物半導体のうちのＶ族元素のための第２の粒子線供給装置からＶ族原料を前記基板上に供給する工程と
を備え、
前記第１の粒子線供給装置は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された粒子線供給装置であり、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタは一方向に回転しており、前記III族原料は、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給され、
前記第２の粒子線生成装置は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された粒子線供給装置であり、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタは、一方向に回転しており、前記Ｖ族原料は、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給される、ことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記III族原料または前記Ｖ族原料の少なくともいずれか一方を前記基板上に供給した後に、前記III族原料および前記Ｖ族原料のいずれも供給することなく前記基板の温度をマイグレーションのための温度に保持する工程を更に備え、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第１の粒子線供給装置からの前記III族原料は、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第２の粒子線供給装置からの前記Ｖ族原料は、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断される、ことを特徴とする請求項４に記載された方法。
【請求項６】
前記III族原料および前記Ｖ族原料のいずれも供給することなく、前記III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントのための第３の粒子線供給装置から前記ドーパントを前記基板上に供給する工程を更に備え、
前記第３の粒子線供給装置は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された粒子線供給装置であり、前記第３の粒子線供給装置の前記シャッタは、一方向に回転しており、前記ドーパントは、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給される、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載された方法。
【請求項７】
前記ドーパントを前記基板上に供給した後に、前記III族原料、前記Ｖ族原料および前記ドーパントのいずれも供給することなく前記基板の温度をマイグレーションのための温度に保持する工程を更に備え、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第１の粒子線供給装置からの前記III族原料は、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第２の粒子線供給装置からの前記Ｖ族原料は、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第３の粒子線供給装置からの前記ドーパントは、前記第３の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断される、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
【請求項８】
前記ドーパントはベリリウムである、ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載された方法。
【請求項９】
前記III−Ｖ化合物半導体は、ＧａＮ系半導体であり、
前記第２の粒子線供給装置は、窒素ラジカルを生成するための高周波ラジカルガンを含む、ことを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１０】
前記III−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓ系半導体である、ことを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１１】
前記III族原料を前記基板に供給する期間は、前記Ｖ族原料を前記基板に供給する期間の少なくとも一部と重なっている、ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載された方法。
【請求項１】
分子線エピタキシ装置のための粒子線供給装置であって、
分子線エピタキシ成長のための原料を提供する開口を有する粒子線生成器と、
前記粒子線生成器の前記開口の前方に位置するシャッタ、該シャッタを支持しており所定の軸に沿って延びる回転軸、および該回転軸を前記所定の軸の回りに回転駆動する駆動機構を含むシャッタ装置と
を備え、
前記シャッタは、前記粒子線生成器の前記開口の位置に合わせて設けられた窓を有する、ことを特徴とする粒子線供給装置。
【請求項２】
前記シャッタは、追加の窓を有しており、
前記窓および前記追加の窓は前記所定の軸を中心とする円周上に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載された粒子線供給装置。
【請求項３】
前記駆動機構は磁気カップリングによる駆動である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された粒子線供給装置。
【請求項４】
III−Ｖ化合物半導体を成長する方法であって、
III−Ｖ化合物半導体のうちのIII族元素のための第１の粒子線供給装置からIII族原料を基板上に供給する工程と、
前記III−Ｖ化合物半導体のうちのＶ族元素のための第２の粒子線供給装置からＶ族原料を前記基板上に供給する工程と
を備え、
前記第１の粒子線供給装置は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された粒子線供給装置であり、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタは一方向に回転しており、前記III族原料は、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給され、
前記第２の粒子線生成装置は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された粒子線供給装置であり、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタは、一方向に回転しており、前記Ｖ族原料は、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給される、ことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記III族原料または前記Ｖ族原料の少なくともいずれか一方を前記基板上に供給した後に、前記III族原料および前記Ｖ族原料のいずれも供給することなく前記基板の温度をマイグレーションのための温度に保持する工程を更に備え、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第１の粒子線供給装置からの前記III族原料は、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第２の粒子線供給装置からの前記Ｖ族原料は、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断される、ことを特徴とする請求項４に記載された方法。
【請求項６】
前記III族原料および前記Ｖ族原料のいずれも供給することなく、前記III−Ｖ化合物半導体のためのドーパントのための第３の粒子線供給装置から前記ドーパントを前記基板上に供給する工程を更に備え、
前記第３の粒子線供給装置は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された粒子線供給装置であり、前記第３の粒子線供給装置の前記シャッタは、一方向に回転しており、前記ドーパントは、この粒子線供給装置の前記シャッタの前記窓を通して供給される、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載された方法。
【請求項７】
前記ドーパントを前記基板上に供給した後に、前記III族原料、前記Ｖ族原料および前記ドーパントのいずれも供給することなく前記基板の温度をマイグレーションのための温度に保持する工程を更に備え、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第１の粒子線供給装置からの前記III族原料は、前記第１の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第２の粒子線供給装置からの前記Ｖ族原料は、前記第２の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断され、
マイグレーションのための温度に保持する前記工程では、前記第３の粒子線供給装置からの前記ドーパントは、前記第３の粒子線供給装置の前記シャッタによって遮断される、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
【請求項８】
前記ドーパントはベリリウムである、ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載された方法。
【請求項９】
前記III−Ｖ化合物半導体は、ＧａＮ系半導体であり、
前記第２の粒子線供給装置は、窒素ラジカルを生成するための高周波ラジカルガンを含む、ことを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１０】
前記III−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓ系半導体である、ことを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１１】
前記III族原料を前記基板に供給する期間は、前記Ｖ族原料を前記基板に供給する期間の少なくとも一部と重なっている、ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載された方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−６４９８４（Ｐ２００９−６４９８４Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３１９５９（Ｐ２００７−２３１９５９）
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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