專利名稱：分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備和控制它的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分子束外延(MBE)生長(zhǎng)設(shè)備和控制它的方法。
背景技術(shù)：
在圖9中示出了一典型的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備(MBE設(shè)備)的結(jié)構(gòu)。
圖9中示出的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備裝備有能夠被抽至超高真空的真空室101；當(dāng)基底200被保持在該真空室101內(nèi)的一規(guī)定位置時(shí)加熱和旋轉(zhuǎn)基底200的基底操作器102；朝基底200的表面發(fā)射分子束的多個(gè)分子束源發(fā)射管103、104、105和106；以及分別安裝在相應(yīng)的發(fā)射管的射出口的前方的發(fā)射管活門107。該設(shè)備例如引起鎵(Ga)和砷(As)被加熱和蒸發(fā)，以便從分子束源發(fā)射管103…106以分子束的形式發(fā)射至基底200的表面，引起在基底200的表面上晶體被外延生長(zhǎng)。利用例如該設(shè)備的MBE技術(shù)的晶體生長(zhǎng)的一優(yōu)點(diǎn)是它可以通過(guò)迅速發(fā)射和/或阻擋先質(zhì)材料獲得達(dá)到在原子層次分級(jí)上的精度的明顯的異界面(多個(gè)異界面)。
例如，鎵砷(GaAs)晶體將要生長(zhǎng)的地方，在分子束源發(fā)射管處被加熱和蒸發(fā)的充分?jǐn)?shù)量的砷可以供應(yīng)到基底200；以及對(duì)于在該領(lǐng)域中的該系統(tǒng)，在分子束源發(fā)射管處被加熱和蒸發(fā)的金屬鎵的供應(yīng)期間，安裝在相應(yīng)分子束源發(fā)射管的前方的發(fā)射管活門的打開(kāi)和/或關(guān)閉可以控制生長(zhǎng)達(dá)到是在原子層次分級(jí)上的一精度。
并且，另一晶體生長(zhǎng)技術(shù)是例如在日本專利公開(kāi)號(hào)2000-187127(以下稱為“專利參考文獻(xiàn)號(hào)1”)所揭示的、使用一MOVPE設(shè)備直接形成GaInAsP半導(dǎo)體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在專利參考文獻(xiàn)號(hào)1中所述的過(guò)程涉及使用生長(zhǎng)GaInAsP晶體的一MOVPE設(shè)備，該方法是間斷的供應(yīng)組III先質(zhì)材料允許在不供應(yīng)先質(zhì)材料時(shí)、諸次之間的時(shí)間間隔中促進(jìn)在所供應(yīng)的先質(zhì)材料的基底上的遷移。還應(yīng)注意到在這專利參考文獻(xiàn)1中所述的技術(shù)使用選擇的MOVPE，以形成GaInAsP半導(dǎo)體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
這些GaInAsP晶體的使用不局限于這些光波導(dǎo)管；由于它們是不含Al(會(huì)引起設(shè)備損壞)的晶體，所以它們也可以有效地使用在關(guān)于紅外線激光器的發(fā)光層。在通過(guò)使用MBE或MOVPE的外延生長(zhǎng)可以獲得如可以用于紅外線激光器和其它這些復(fù)合的半導(dǎo)體激光器元件的令人滿意的半導(dǎo)體晶體時(shí)，使用MBE通常會(huì)較好地允許獲得具有很少疵點(diǎn)的令人滿意的晶體。即，因?yàn)槿缫陨纤鲈试S獲得明顯的異界面，所以在考慮用作為激光器元件時(shí)可以得到較好質(zhì)量的晶體。當(dāng)生長(zhǎng)用于在激光器元件中形成激活層的晶體時(shí)，為了使激光器發(fā)射一恒定的波長(zhǎng)，控制在晶體內(nèi)的諸相應(yīng)元素的合金比例是一很重要的問(wèn)題。
在使用MBE，以外延增加組III-V晶體時(shí)，提高基底溫度，預(yù)防它自己沉積在組V材料的基底上，此時(shí)控制組III材料分子束，同時(shí)以充分的數(shù)量或多個(gè)數(shù)量連續(xù)地供應(yīng)組V材料分子束。例如，在生長(zhǎng)GaInAsP晶體時(shí)，可以采用一方法，其中在晶體內(nèi)、在Ga和In之間的比例通過(guò)控制Ga和In分子束源發(fā)射管溫度、同時(shí)以充分的數(shù)量或多個(gè)數(shù)量連續(xù)地供應(yīng)P分子束進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，在含有多個(gè)組V材料、例如GaInAsP的晶體情況中，以充分?jǐn)?shù)量供應(yīng)As和P分子束的因素使它難以控制晶體內(nèi)、在As和P之間的比例。
以上述情況設(shè)計(jì)了本發(fā)明，它的一個(gè)目的是提供一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，以及控制設(shè)備的方法，并允許在使用分子束外延、以使組II-VI復(fù)合半導(dǎo)體和/或組III-V復(fù)合半導(dǎo)體結(jié)晶和生長(zhǎng)時(shí)易于和有效地控制合金成份。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一較佳實(shí)施例是一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，該設(shè)備引起作為從多個(gè)分子束源發(fā)射管朝基底表面或諸表面的至少一個(gè)發(fā)射一個(gè)或多個(gè)分子束的后果、在一個(gè)或多個(gè)基底表面上生長(zhǎng)一個(gè)或多個(gè)晶體，該分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)控制機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)控制分子束的發(fā)射和/或阻斷，從而引起來(lái)自多個(gè)分子束源發(fā)射管的至少一部分的分子束或諸射線的至少一個(gè)的間斷發(fā)射；以及控制來(lái)自多個(gè)分子束源發(fā)射管的至少一部分的諸分子束的至少一部分的發(fā)射和/或阻斷，以致相互基本同步和/或在諸分子束源發(fā)射管處具有諸基本相同的周期。
按照上述結(jié)構(gòu)，分子束受到間斷控制和以交替方式供應(yīng)到基底表面，其結(jié)果允許在晶體內(nèi)的材料的原子的合金比例的方便的和有效的控制，同時(shí)從分子束源發(fā)射管以充分的數(shù)量或諸數(shù)量供應(yīng)分子束材料。并且，通過(guò)進(jìn)行控制以致引起多個(gè)分子束的間斷控制是基本同步的和/或具有基本相同的周期，可以實(shí)現(xiàn)一狀態(tài)，即任何材料總是存在于基底表面處，在那里不缺少材料，好像正進(jìn)行材料的連續(xù)供應(yīng)。
在按照本發(fā)明的實(shí)施例的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備中，較佳的是控制機(jī)構(gòu)或諸機(jī)構(gòu)的至少一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)射線遮斷器，該遮斷器具有引起分子束或諸射線的至少一個(gè)的間斷發(fā)射的一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪組件。
使用這旋轉(zhuǎn)射線遮斷器可以用迅速、穩(wěn)定和高度可靠的間斷控制供應(yīng)分子束。
在按照本發(fā)明的實(shí)施例的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備中，射線遮斷器或諸遮斷器的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一個(gè)可以大致是一盤(pán)的形式，該盤(pán)具有一個(gè)或多個(gè)缺口；以及旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一部分可以被設(shè)置成旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一部分的旋轉(zhuǎn)引起沿著來(lái)自分子束源發(fā)射管的諸分子束所經(jīng)過(guò)的路徑按規(guī)定的周期出現(xiàn)缺口或諸缺口的至少一部分。而且，由于射線遮斷器、結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪組件，每個(gè)該組件是具有一個(gè)或多個(gè)缺口的一盤(pán)的形式，因此可以使用被設(shè)置成大致同軸線形式(在相同旋轉(zhuǎn)軸上)的至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪組件。
使用裝備有以這形式形成的諸旋轉(zhuǎn)葉輪組件的旋轉(zhuǎn)射線遮斷器可以使旋轉(zhuǎn)的中心和旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量的中心一致。例如，因?yàn)槿鐖D4所示那樣的結(jié)構(gòu)是可以使旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的質(zhì)量的中心和旋轉(zhuǎn)的中心相一致，所以可以防止振動(dòng)和/或由于擺動(dòng)而造成的轉(zhuǎn)矩?fù)p失。
按照本發(fā)明的實(shí)施例的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備可以使用作為驅(qū)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)的一結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一個(gè)的至少一磁性聯(lián)接的轉(zhuǎn)動(dòng)連接器；其中將按其設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)連接器或諸連接器的至少一個(gè)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)磁鐵的至少一周期制成與按其設(shè)置旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一個(gè)的缺口或諸缺口的至少一部分的至少一周期基本一致。
當(dāng)通過(guò)使按其在轉(zhuǎn)動(dòng)方向設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)連接器內(nèi)的磁鐵的周期與射線遮斷器旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的周期基本一致，以這方式使用磁性聯(lián)接的轉(zhuǎn)動(dòng)連接器時(shí)，甚至在大氣側(cè)(真空室外部)安裝的磁性聯(lián)接器被從其移動(dòng)時(shí)，它將仍舊可以帶有良好再現(xiàn)性地附連它們。
通過(guò)控制被旋轉(zhuǎn)葉輪組件缺口占據(jù)的諸部分角度(諸部分區(qū)域)與遮斷部分的比值，可以控制在使用受到間斷控制的旋轉(zhuǎn)射線遮斷器期間分子束發(fā)射與阻斷比較的相對(duì)量。例如，以同軸線關(guān)系(在同一轉(zhuǎn)動(dòng)軸上)安裝如圖5和6所示的結(jié)構(gòu)的兩個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪組件581、582將可以按無(wú)級(jí)方式改變分子束發(fā)射與阻斷比較的相對(duì)瞬時(shí)的持續(xù)時(shí)間。
通過(guò)使用裝備有例如以上所述的分子束控制機(jī)構(gòu)的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備將可以制造具有帶明顯的異界間的層的例如GaInAsP的晶體。
按照本發(fā)明的實(shí)施例的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備適合于組II-VI復(fù)合的半導(dǎo)體和/或組III-V復(fù)合的半導(dǎo)體的結(jié)晶和生長(zhǎng)；以及倘若這組II-VI復(fù)合的半導(dǎo)體和/或組III-V復(fù)合的半導(dǎo)體將被結(jié)晶和生長(zhǎng)，那么結(jié)構(gòu)可以是組II材料分子束和/或組III材料分子束從分子束源發(fā)射管連續(xù)發(fā)射，以及組VI材料分子束和/或組V材料分子束從分子束源發(fā)射管間斷發(fā)射。
按照控制本發(fā)明的實(shí)施例的一臺(tái)或多臺(tái)分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的一方法可以是控制間斷發(fā)射的分子束或諸射線的至少一個(gè)的間斷的至少一周期，以致不超過(guò)8秒鐘。
在激光器元件和對(duì)其尋求達(dá)到在原子層次分級(jí)上的精度的明顯的異界面的使用組III-V復(fù)合的半導(dǎo)體材料和/或組II-VI復(fù)合的半導(dǎo)體的其它這些系統(tǒng)的范圍內(nèi)本發(fā)明的實(shí)施例可以是特別有效的。
當(dāng)在使用復(fù)合的半導(dǎo)體材料的系統(tǒng)中使用外延生長(zhǎng)、以生長(zhǎng)組III-V晶體時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)在分子束中所供應(yīng)的組III材料的數(shù)量、同時(shí)以充分的數(shù)量或諸數(shù)量供應(yīng)組V材料分子束控制結(jié)晶和生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)組II-VI晶體時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)在分子束中供應(yīng)的組II材料的數(shù)量、同時(shí)以充分的數(shù)量或諸數(shù)量供應(yīng)組VI材料分子束控制結(jié)晶和生長(zhǎng)。在這些情況以及使用關(guān)于組V和/或組VI的分子束的控制的間斷控制中，可升華的非金屬材料可以有效地調(diào)節(jié)在晶體中的合金比例，同時(shí)以充分?jǐn)?shù)量或諸數(shù)量供應(yīng)分子束。這將可以獲得較好質(zhì)量的GaInAsP晶體和/或GaInP晶體。
當(dāng)使用分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備生長(zhǎng)晶體時(shí)，通常可以按0.5至4μ/小時(shí)的沉積速率進(jìn)行生長(zhǎng)。當(dāng)以4μ/小時(shí)的一沉積速率進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)，在約0.5秒內(nèi)可以生長(zhǎng)一單一原子層。以及當(dāng)以0.5μ/小時(shí)的一沉積速率進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)，在約4秒內(nèi)可以增加一單一原子層。
在本發(fā)明的、分子束被脈沖化用于間斷控制的實(shí)施例中，較佳的是為了獲得均勻的晶體每周期至少生長(zhǎng)兩原子層。因此，在沉積速度是0.5μ/小時(shí)的場(chǎng)合，進(jìn)行控制使周期不超過(guò)8秒鐘可以獲得均勻的晶體；在沉積速率是1μ/小時(shí)的場(chǎng)合，通過(guò)進(jìn)行控制使周期不超過(guò)4秒鐘可以獲得類似的效果，和/或在沉積速率是4μ/小時(shí)的場(chǎng)合，通過(guò)進(jìn)行控制使周期不超過(guò)1秒鐘。
而且，使間斷的周期為不小于在生長(zhǎng)單原子層所花費(fèi)的時(shí)期內(nèi)經(jīng)過(guò)的一個(gè)周期可以允許生長(zhǎng)甚至更加均勻的晶體。并且，雖然相對(duì)于單原子層正形成的時(shí)期控制允許在速率方面充分快地轉(zhuǎn)換，但是在沒(méi)有充分的能力排空在基底表面的鄰近區(qū)域或諸鄰近區(qū)域余留的分子的場(chǎng)合，有效地控制合金比例將是不可能的。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是示意地示出按照本發(fā)明的一實(shí)施例的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的一前視圖。
圖2是使用在圖1的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備中的一射線遮斷器和一旋轉(zhuǎn)連接器的傾斜立體圖。
圖3是僅示出從圖2的射線遮斷器取出的一旋轉(zhuǎn)葉輪組件的一前視圖。
圖4(A)是示出用于一射線斷器的一旋轉(zhuǎn)葉輪組件的另一例子的一前視圖；圖4(B)是示出用于射線遮斷器的一旋轉(zhuǎn)葉輪組件的又一例子的一前視圖；圖4(C)是示出用于一射線遮斷器的一旋轉(zhuǎn)葉輪組件的一不同例子的一前視圖；以及圖4(D)是示出用于一射線遮斷器的一旋轉(zhuǎn)葉輪組件的又一不同例子的一前視圖。
圖5是示出一射線遮斷器的又一例子的一傾斜立體圖。
圖6是僅示出圖5的射線遮斷器的旋轉(zhuǎn)葉輪組件的一前視圖。
圖7是示出按照本發(fā)明的關(guān)于一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的另一結(jié)構(gòu)的示意形式的一前視圖。
圖8是示出按照本發(fā)明的關(guān)于一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的另一結(jié)構(gòu)的示意形式的一平面圖。
圖9是示出一現(xiàn)有技術(shù)中的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的一代表性結(jié)構(gòu)的示意形式的一前視圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖敘述本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的概述-圖1是示出按照實(shí)施例1的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的一例子的示意形式的一視圖。
該例子的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備裝備有真空室1、基底操作器2、Ga發(fā)射管(組III分子束源發(fā)射管)3、In發(fā)射管(組III分子束源發(fā)射管)4、As發(fā)射管(組V分子束源發(fā)射管)5、P發(fā)射管(組V分子束源發(fā)射管)6等。
將真空室1抽真空達(dá)到2×10-9巴，同時(shí)所有的加熱器(未示出)都被關(guān)掉。將基底操作器2安裝在真空室1的上方中央?yún)^(qū)域內(nèi)。
基底操作器2內(nèi)部裝有基底加熱機(jī)構(gòu)和基底旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(這兩者都沒(méi)有示出)，允許被這基底操作器2保持住的基底200維持在恒定溫度和以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
將相應(yīng)的諸發(fā)射管-這些發(fā)射管是Ga發(fā)射管3、In發(fā)射管4、As發(fā)射管5和P發(fā)射管6-安裝在真空室1內(nèi)的規(guī)定位置處，諸相應(yīng)的發(fā)射管被設(shè)置的諸位置和面對(duì)的方向被設(shè)定為使從這些相應(yīng)的發(fā)射管3、4、5、6發(fā)射的諸分子束以這樣方式散射，以致當(dāng)它們被指向由基底操作器2保持住的同一基底200的表面時(shí)產(chǎn)生均勻分布。
將相應(yīng)的諸發(fā)射管活門7安裝在組III分子束源發(fā)射管的相應(yīng)的發(fā)射口的前面(在發(fā)射管和基底表面之間)，這些發(fā)射管是Ga發(fā)射管3和In發(fā)射管4；打開(kāi)和關(guān)閉這些相應(yīng)的發(fā)射管活門7可以發(fā)射和阻擋從相應(yīng)的發(fā)射管3、4指向基底200的表面的分子束。當(dāng)處于通常的或準(zhǔn)備的狀態(tài)下，相應(yīng)的發(fā)射管活門7阻擋來(lái)自相應(yīng)發(fā)射管3、4的分子束，防止它們朝基底200發(fā)射。應(yīng)注意發(fā)射管活門在結(jié)構(gòu)上是類似于普通使用在MBE設(shè)備中的那些活門。
將控制和阻擋離開(kāi)相應(yīng)的發(fā)射管5、6和指向基底200的分子束的射線遮斷器8分別地安裝在組V分子束源發(fā)射管的相應(yīng)發(fā)射口的前方，這些發(fā)射管是As發(fā)射管5和P發(fā)射管6。
如圖2和3所示，射線遮斷器8可以包括旋轉(zhuǎn)葉輪組件81和旋轉(zhuǎn)軸82，以及可以通過(guò)磁性聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)連接器9被引入真空室1內(nèi)。
磁性聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)連接器9用作為用于將來(lái)自電動(dòng)機(jī)10的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳送到射線遮斷器8的驅(qū)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)。在旋轉(zhuǎn)連接器9內(nèi)的、用于磁性聯(lián)接的磁鐵(未示出)被設(shè)置成在旋轉(zhuǎn)方向的角度節(jié)距120°處。
射線遮斷器8的旋轉(zhuǎn)葉輪組件81為一盤(pán)形式，其中相對(duì)于其旋轉(zhuǎn)中心、以旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形式設(shè)置了三個(gè)扇形缺口81a，在諸相應(yīng)缺口81a之間的區(qū)域是阻擋分子束的諸遮斷部分81b。由來(lái)自電動(dòng)機(jī)10的傳動(dòng)力使旋轉(zhuǎn)葉輪組件81旋轉(zhuǎn)，以及該組件被構(gòu)造成每一轉(zhuǎn)允許三個(gè)分子束脈沖從其發(fā)射。
附連于旋轉(zhuǎn)連接器9的是旋轉(zhuǎn)檢測(cè)傳感器11，該傳感器可以將通過(guò)射線遮斷器8旋轉(zhuǎn)葉輪組件81的轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的分子束脈沖測(cè)量為電信號(hào)。并且，通過(guò)使電動(dòng)機(jī)10的旋轉(zhuǎn)同步和測(cè)量旋轉(zhuǎn)脈沖，可以在諸脈沖之間施加延時(shí)，可以得到帶有高精度的分子束脈沖再現(xiàn)性。
而且，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)10，可以引起射線遮斷器8的旋轉(zhuǎn)葉輪組件81以旋轉(zhuǎn)方式前進(jìn)預(yù)定角度，以及還可以在連續(xù)旋轉(zhuǎn)期間控制旋轉(zhuǎn)速度。并且，諸射線遮斷器8，當(dāng)處于它們的通常的、或準(zhǔn)備的狀態(tài)下，阻擋來(lái)自As發(fā)射管5和P發(fā)射管6的分子束，防止它們朝基底200發(fā)射(即諸旋轉(zhuǎn)葉輪組件81的諸跡斷部分81b處于復(fù)蓋諸相應(yīng)發(fā)射管5、6的諸發(fā)射口的諸位置)；但是當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件81從這準(zhǔn)備位置轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)的1/6時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件81的缺口81a將位于相應(yīng)發(fā)射管5、6的發(fā)射口的前方，允許來(lái)自相應(yīng)發(fā)射管5、6的分子束到達(dá)基底200的表面。
其中，在該例子中，因?yàn)樵诖判月?lián)接的旋轉(zhuǎn)連接器9處的諸磁鐵被設(shè)置成在旋轉(zhuǎn)方向的120°間距處，使用與其一致地利用每轉(zhuǎn)三個(gè)脈沖的旋轉(zhuǎn)葉輪組件81，使在旋轉(zhuǎn)連接器9內(nèi)的磁鐵布置與旋轉(zhuǎn)葉輪組件81的諸缺口81a的旋轉(zhuǎn)周期相一致，甚至在從那里移動(dòng)在磁性聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)連接器9處的磁鐵(磁性聯(lián)接器)的場(chǎng)合，它將仍舊可能以良好的再現(xiàn)性附連它們。
-晶體生長(zhǎng)-當(dāng)使用如圖1所示構(gòu)造的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備在基底表面上外延生長(zhǎng)GaInP晶體時(shí)，首先將由基底操作器保持的基底200加熱至500℃的溫度，如用一普通MBE設(shè)備的情況那樣；以及當(dāng)基底200以每分鐘30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，以對(duì)應(yīng)于一轉(zhuǎn)的1/6的一數(shù)量移動(dòng)在P發(fā)射管6處的射線遮斷器8，允許分子束從P發(fā)射管6到達(dá)基底200的表面。
其次，從P發(fā)射管6發(fā)射分子束，引起以如需要外延生長(zhǎng)的充分?jǐn)?shù)量或諸數(shù)量將P發(fā)射到基底200的表面上。通過(guò)測(cè)量由安裝在真空室1處的真空表(未示出)指示的真空來(lái)監(jiān)測(cè)從P發(fā)射管6發(fā)射的分子束(S)的量。在該例子中，發(fā)射P分子束直到真空為1.5×10-6巴；以及對(duì)于這狀態(tài)的該系統(tǒng)，先前已被加熱至900℃的Ga發(fā)射管3以及先前已被加熱至800℃的In發(fā)射管4的相應(yīng)的諸發(fā)射管活門7、7是同步被打開(kāi)和關(guān)閉，相應(yīng)的Ga和In分子束發(fā)射在基底200的表面上引起在基底200的表面上的GaInP晶體的外延生長(zhǎng)。在這時(shí)沉積速率是1μ/小時(shí)。
應(yīng)注意通過(guò)控制在Ga發(fā)射管3和In發(fā)射管4處的相應(yīng)材料溫度可以控制晶體沉積速率和/或在晶體中Ga和In的合金比例。并且，因?yàn)榫w沉積速率和/或合金比例還可以根據(jù)諸源發(fā)射管裝載的材料數(shù)量等而變化，所以同樣可以考慮這些因素進(jìn)行控制。
GaInAsP晶體生長(zhǎng)當(dāng)使用如圖1所示構(gòu)造的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備、以在基底表面上外延生長(zhǎng)GaInAsP晶體時(shí)，首先如以上所述加熱和旋轉(zhuǎn)基底200；以及對(duì)于在這狀態(tài)中的該系統(tǒng)，以如需要外延生長(zhǎng)的足夠數(shù)量或諸數(shù)量從P發(fā)射管6發(fā)射分子束。對(duì)于在這狀態(tài)下的該系統(tǒng)，利用真空表測(cè)量分子束數(shù)量，調(diào)節(jié)真空至1.5×10-6巴。然后用在該發(fā)射管內(nèi)部的閥門停止從P發(fā)射管6的分子束發(fā)射。
其次，以類似方式，利用真空表確認(rèn)已調(diào)節(jié)了從As發(fā)射管5的分子束數(shù)量，以致獲得5×10-6巴，以及然后從As發(fā)射管5和P發(fā)射管6發(fā)射分子束，使用相應(yīng)的諸射線遮斷器8，以引起其相互的脈沖。在該例子中，將相應(yīng)的射線遮斷器8、8兩者設(shè)置為每分鐘20轉(zhuǎn)的一旋轉(zhuǎn)速度(電動(dòng)機(jī)10的轉(zhuǎn)速)，以實(shí)現(xiàn)1秒鐘的一間斷時(shí)期，以及設(shè)置一延時(shí)，以引起在As發(fā)射管5處的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)傳感器11發(fā)出的信號(hào)遲后于在P發(fā)射管6處的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)傳感器11發(fā)出的信號(hào)0.5秒鐘(1/2的一相位移)，引起以一交替方式將As分子束和P分子束供應(yīng)到基底200的表面。
并且，對(duì)于在這狀態(tài)中的該系統(tǒng)，Ga發(fā)射管3和In發(fā)射管4的各自的發(fā)射管活門7、7同步地打開(kāi)和關(guān)，如以上所述的關(guān)于GaInP的情況那樣，相應(yīng)的Ga和In分子束在基底200的表面上的發(fā)射引起GaInAsP晶體的外延生長(zhǎng)。在這時(shí)的沉積速率是1μ/小時(shí)。
應(yīng)該注意同樣在該例子中，通過(guò)控制在Ga發(fā)射管3和In發(fā)射管4處的各自的材料溫度可以控制在晶體內(nèi)的Ga和In的晶體沉積速度和/或合金比例。而且，因?yàn)榫w沉積速率和/或合金比例還可根據(jù)諸源發(fā)射管裝載的材料數(shù)量等而變化，所以同樣可以考慮這些因素進(jìn)行控制。
其中，在外延生長(zhǎng)期間，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和/或發(fā)射管尺寸、使用的溫度、分子束速度、真空(抽空)速率、發(fā)射管位置等，可能使用完全地同步的交替的脈沖會(huì)造成不能實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)耐庋由L(zhǎng)。此外，同樣對(duì)于在晶體內(nèi)的合金比例，可能在As和P之間的比例將不是1∶1。在這情況下，使用相對(duì)于從P發(fā)射管6發(fā)射分子束延時(shí)從As發(fā)射管5發(fā)射分子束的方案可能是有效的。
例如，盡管在上述例子中使用了0.5秒的一延時(shí)，可以通過(guò)使這延時(shí)為0.45秒鐘進(jìn)行As和P的合金比例的調(diào)節(jié)。但是，如果超過(guò)了分子束在基底200的表面處的停留時(shí)間，可能干擾進(jìn)行外延生長(zhǎng)的能力。
-射線遮斷器的其它例子-在圖4(A)至(D)示出了關(guān)于射線遮斷器的旋轉(zhuǎn)葉輪組件的其它例子。
圖4(A)中的旋轉(zhuǎn)葉輪組件181的特點(diǎn)是為一盤(pán)的形式，其中以相對(duì)于其旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形式設(shè)置了四個(gè)扇形缺口181a，被構(gòu)造成對(duì)于該射線遮斷器的每一回轉(zhuǎn)允許從其發(fā)射四個(gè)分子束脈沖。在該例子中，因?yàn)橹T磁鐵在90°周期設(shè)置，所以當(dāng)使用磁性聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)連接器時(shí)它將是有效的。此外，當(dāng)在與波紋管型旋轉(zhuǎn)連接器相結(jié)合使用或在其它這些情況中使用時(shí)，因?yàn)橛尚D(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了使用壽命，所以使用旋轉(zhuǎn)葉輪組發(fā)射四個(gè)脈沖可以預(yù)計(jì)會(huì)有較長(zhǎng)的使用壽命。
圖4(B)中的旋轉(zhuǎn)葉輪組件281的特點(diǎn)是一盤(pán)形，其中以相對(duì)于其旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形式設(shè)置兩個(gè)扇形缺口281a，被構(gòu)造成對(duì)于射線遮斷器的每一回轉(zhuǎn)允許發(fā)射兩個(gè)分子束脈沖。在該例子中，因?yàn)槟軌驅(qū)⑿D(zhuǎn)葉輪組件281的直徑做得較小，所以能夠相應(yīng)的減輕旋轉(zhuǎn)部分的重量和/或減少例如可能存在于真空室內(nèi)部有實(shí)際干擾的諸情況中的空間限制。
圖4(C)中的旋轉(zhuǎn)葉輪組件381的特點(diǎn)是一盤(pán)形，其中以相對(duì)于其旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形式設(shè)置了兩個(gè)扇形缺口381a，被構(gòu)造成增加了在兩個(gè)缺口381a之間的諸遮斷部分381b的面積，以致造成在間斷期間分子束的發(fā)射和阻擋之間的比例接近1∶2。在該例子中，因?yàn)樵趤?lái)自圖1中所示的As發(fā)射管5和P發(fā)射管6的分子束相應(yīng)的供應(yīng)到基底表面期間，可能產(chǎn)生在As分子束和P分子束的供應(yīng)之間的某些程度的空間(間隙)，所以當(dāng)設(shè)備發(fā)射速率是較低和分子束在基底表面處的停留時(shí)間是較長(zhǎng)時(shí)能夠有效地利用這組件。
圖4(D)中的旋轉(zhuǎn)葉輪組件481的特點(diǎn)是一盤(pán)形，其中以相對(duì)于其旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形式設(shè)置了兩個(gè)扇形缺口481a，被構(gòu)造成減小了在兩缺口481a之間諸遮斷部分481b的面積，以致產(chǎn)生在間斷期間的分子束的發(fā)射和阻擋之間的比例約為2∶1。通過(guò)采用一結(jié)構(gòu)，其中使用如在該例子中的旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件481和如在上述圖4(C)中的旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件381，將圖4(D)的旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件481用于圖1所示的As發(fā)射管5處和圖4(C)的旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件381用于P發(fā)射管6處，可以使朝向基底表面發(fā)射的As和P分子束脈沖的持續(xù)時(shí)間的比例為2∶1。在排空能力是充分快的場(chǎng)合，可以預(yù)期也能夠?qū)崿F(xiàn)在晶體內(nèi)、在As和P之間2∶1。在排空能力是充分快的場(chǎng)合，可以預(yù)期也能夠?qū)崿F(xiàn)在晶體內(nèi)、在As和P之間2∶1的一合金比例。
圖5是示出一射線遮斷器的的另一例子的一傾斜立體圖，以及圖6是使用在該射線遮斷器中的旋轉(zhuǎn)葉輪組件的一前視圖。
該例子的射線遮斷器508的特點(diǎn)是它有上旋轉(zhuǎn)葉輪組件581和下旋轉(zhuǎn)葉輪組件582，這兩旋轉(zhuǎn)葉輪組件581、582以同軸線型式連接于相同的旋轉(zhuǎn)軸583，一個(gè)在另一個(gè)頂上，并在之間有一間隙。
上旋轉(zhuǎn)葉輪組件581和下旋轉(zhuǎn)葉輪組件582具有如上述圖4(D)結(jié)構(gòu)的相同結(jié)構(gòu)。此外，可以相對(duì)于上旋轉(zhuǎn)葉輪組件581移動(dòng)下旋轉(zhuǎn)葉輪組件582(以旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)形式)，以下旋轉(zhuǎn)葉輪組件582相對(duì)于上旋轉(zhuǎn)葉輪組件581的運(yùn)動(dòng)可以明顯地以無(wú)級(jí)方式改變?nèi)笨诘某叽?，其變化范圍從整個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪組件面積的1/3到2/3。因此，通過(guò)使用該例子的射線遮斷器508，可以在上述范圍控制As和P的相對(duì)的合金比例。并且，通過(guò)將這射線遮斷器508與上述延時(shí)脈沖技術(shù)相結(jié)合，可在從25％至75％的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)As對(duì)組V材料的比例。
實(shí)施例2圖7和8是按照實(shí)施例2分別地示出關(guān)于一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的一不同示范性結(jié)構(gòu)的示意形式的一前視圖和一平面圖。
該例子的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備裝備有真空室1、基底操作器2、Ga發(fā)射管(組III分子束源發(fā)射管)3、In發(fā)射管(組III分子束源發(fā)射管)4、As發(fā)射管(組V分子束源發(fā)射管)5、P發(fā)射管(組V分子束源發(fā)射管)6等。
真空室1被抽空至2×10-9巴，同時(shí)所有加熱器被關(guān)掉。將基底操作器2安裝在真空室1的上方中央?yún)^(qū)域內(nèi)。
基底操作器2內(nèi)裝有基底加熱機(jī)構(gòu)和基底旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(這兩機(jī)構(gòu)都沒(méi)有示出)，允許由這基底操作器2保持的基底200維持在恒定溫度和以恒定速度旋轉(zhuǎn)。
諸組V分子束源發(fā)射管，這些管是As發(fā)射管5和P發(fā)射管6，被設(shè)置成在真空室1的下中央?yún)^(qū)域內(nèi)的在基底200的前方的位置處大致垂直取向(在該位置面向基底200的表面)。并且，As發(fā)射管5和P發(fā)射管6被設(shè)置成相互之間的定位關(guān)系相對(duì)于真空室1的中心對(duì)稱(180°對(duì)稱)。
諸組III分子束源發(fā)射管，這些發(fā)射管是Ga發(fā)射管3和In發(fā)射管4，是相對(duì)于As發(fā)射管5和P發(fā)射管6外圍地布置，以致從這Ga發(fā)射管3和這In發(fā)射管4以及從上述As發(fā)射管5和P發(fā)射管6分別地發(fā)射的諸分子束以這樣一方式散射，即當(dāng)它們指向被基底操作器2保持的同一基底200的表面時(shí)產(chǎn)生一均勻分布。
將相應(yīng)的諸發(fā)射管活門7安裝在Ga發(fā)射管3和In發(fā)射管4的相應(yīng)發(fā)射口的前方(在該發(fā)射管和基底表面之間)；這些相應(yīng)的發(fā)射管活門7的打開(kāi)和關(guān)閉可以發(fā)射和阻斷來(lái)自相應(yīng)發(fā)射管3、4的指向基底200的表面的分子束。在通常、或準(zhǔn)備狀態(tài)中時(shí)，諸相應(yīng)的發(fā)射管活門阻斷來(lái)自相應(yīng)發(fā)射管3、4的分子束，防止它們朝基底200發(fā)射。
將控制從相應(yīng)發(fā)射管5、6發(fā)射的和朝向基底200的分子束的發(fā)射和阻斷的射線遮斷器8安裝在As發(fā)射管5和P發(fā)射管6的相應(yīng)的發(fā)射口的前方處(在該發(fā)射管和基底表面之間)。射線遮斷器8在結(jié)構(gòu)上與上述圖2的相同，以及能夠交替地阻斷從真空室1的中央處對(duì)稱設(shè)置的As發(fā)射管5和P發(fā)射管6發(fā)射的分子束。
并且，在該例子中，射線遮斷器8的旋轉(zhuǎn)引起As分子束和P分子束以交替方式供應(yīng)到基底200的表面；以及對(duì)于在這狀態(tài)的該系統(tǒng)，Ga發(fā)射管3和In發(fā)射管4的各自的發(fā)射管活門7、7同步打開(kāi)和關(guān)閉，相應(yīng)的Ga和In分子束在基底200的表面上的發(fā)射產(chǎn)生在基底200的表面上GaInAsP晶體的外延生長(zhǎng)。
如以上所述，因?yàn)锳s發(fā)射管5和P發(fā)射管6(通過(guò)使用射線斷器8從其發(fā)射的諸分子束是脈沖的(受到間斷控制))被安裝在大致于基底200前方的位置，所以該例子的分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)較均勻分布的間斷的分子束。此外，因?yàn)榭刂苾蓚€(gè)分子束源發(fā)射管(這些發(fā)射管是As發(fā)射管5和P發(fā)射管6)是通過(guò)一單個(gè)射線遮斷器8執(zhí)行的，所以不需外部的同步，可以在內(nèi)部地和以較高的精確方式同步控制間斷的諸分子束。但是，對(duì)于該例子的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗駝t不可能同步阻擋來(lái)自As發(fā)射管5和P發(fā)射管6的分子束，所以可以將發(fā)射管活門安裝在As發(fā)射管5和P發(fā)射管6的任一個(gè)處或兩個(gè)處；以及在圖7和8的結(jié)構(gòu)中，將發(fā)射管活門7安裝在As發(fā)射管5處。但是應(yīng)注意倘若所使用的分子束源發(fā)射管具有內(nèi)部閥門或其它這些關(guān)閉機(jī)構(gòu)，就不需要安裝這發(fā)射管活門。
該實(shí)施例不局限于組III-V復(fù)合的半導(dǎo)體晶體，例如GaInP晶體、GaInAsP晶體等，而是可以有效地用于獲得組II-VI復(fù)合的半導(dǎo)體晶體。
在不脫離本發(fā)明的原理和基本特征的情況下，本發(fā)明可以體現(xiàn)在除了本文所述的形式之外的廣泛不同的諸形式中。因此，上述諸實(shí)施例和工作的例子在所有方面僅是說(shuō)明性的、而不是限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書(shū)指出，決不由上述說(shuō)明限制。并且在權(quán)利要求書(shū)的等價(jià)的范圍內(nèi)的所有修改和變化都落在本發(fā)明的范圍之中。
權(quán)利要求
1.一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，它引起作為從多個(gè)分子束源發(fā)射管朝基底表面或多個(gè)表面的至少一個(gè)發(fā)射一個(gè)或多個(gè)分子束的結(jié)果、在一個(gè)或多個(gè)基底表面上的一個(gè)或多個(gè)晶體的生長(zhǎng)，該分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)控制機(jī)構(gòu)控制分子束的發(fā)射和/或阻斷，從而引起來(lái)自多個(gè)分子束源發(fā)射管的至少一部分的分子束或諸射線的至少一個(gè)的間斷發(fā)射；以及控制來(lái)自多個(gè)分子束源發(fā)射管的至少一部分的諸分子束的至少一部的發(fā)射和/或阻斷，以便是相互基本同步和/或具有在諸分子束源發(fā)射管處的諸基本相同的周期。
2.按照權(quán)利要求1所述的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，其特征在于，控制機(jī)構(gòu)或諸機(jī)構(gòu)的至少一個(gè)具有帶一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪組件的一個(gè)或多個(gè)射線遮斷器，該組件引起分子束或諸射線的至少一個(gè)的間斷發(fā)射。
3.按照權(quán)利要求2所述的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，其特征在于，射線遮斷器或諸遮斷器的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一個(gè)大致是具有一個(gè)或多個(gè)缺口的一盤(pán)的形式；以及旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一部分被設(shè)置成旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一部分的旋轉(zhuǎn)引起沿著來(lái)自諸分子束源發(fā)射管的至少一部分的分子束或諸射線的至少一部所經(jīng)過(guò)的至少一路徑、按至少一規(guī)定的周期出現(xiàn)缺口或諸缺口的至少一部分。
4.按照權(quán)利要求2所述的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，其特征在于，射線遮斷器或諸遮斷器的至一個(gè)包括至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪組件，各組件為具有一個(gè)或多個(gè)缺口的一盤(pán)的形式；以及該至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪組件被設(shè)置成大致同軸的形式。
5.按照權(quán)利要求3所述的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，其特征在于，還包括轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一個(gè)的至少一個(gè)磁性聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)連接器；其中，使其中設(shè)置在旋轉(zhuǎn)連接器或多個(gè)連接器的至少一個(gè)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)磁鐵的至少一周期與其中設(shè)置旋轉(zhuǎn)葉輪組件或諸組件的至少一個(gè)的缺口或諸缺口的至少一部分的至少一周期基本相一致。
6.按照權(quán)利要求1所述的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，其特征在于使一個(gè)或多個(gè)組II-VI復(fù)合的半導(dǎo)體和/或一個(gè)或多個(gè)組III-V復(fù)合的半導(dǎo)體結(jié)晶和生長(zhǎng)。
7.按照權(quán)利要求6所述的一分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備，其特征在于從諸分子束源發(fā)射管的至少一部分連續(xù)地發(fā)射一個(gè)或多個(gè)組II材料的分子束和/或一個(gè)或多個(gè)組III材料的分子束；以及從諸分子束源發(fā)射管的至少一部分間斷地發(fā)射一個(gè)或多個(gè)組VI材料的分子束和/或一個(gè)或多個(gè)組V材料的分子束。
8.控制按照權(quán)利要求1至7之一所述的一臺(tái)或多臺(tái)分子束外延生長(zhǎng)設(shè)備的一方法，其中控制間斷發(fā)射的分子束或諸射線的至少一個(gè)的間斷現(xiàn)象的至少一個(gè)周期，以便不超過(guò)8秒鐘。
全文摘要
在使用組V材料(和/或組VI材料)的多個(gè)分子束的系統(tǒng)中，將旋轉(zhuǎn)射線遮斷器(8)等安裝在這些多個(gè)組V分子束源發(fā)射管(5、6)(和/或組VI分子束源發(fā)射管)的相應(yīng)發(fā)射器的前方；執(zhí)行引起從相應(yīng)的分子束源發(fā)射管(5、6)發(fā)射的分子束以周期方式被重復(fù)地阻斷和發(fā)射的間斷控制；以及受到間斷控制的這分子束的相互同步引起以如晶體生長(zhǎng)所需的充分?jǐn)?shù)量或諸數(shù)量供應(yīng)多個(gè)組V材料(和/或組VI材料)的相應(yīng)的分子束，同時(shí)有效地控制晶體內(nèi)的合金比例。
文檔編號(hào)C30B35/00GK1591783SQ200410068530
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2004年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月25日
發(fā)明者川崎崇士 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社