JP3164482B2 - Crystal growth method and semiconductor device manufacturing method using the crystal growth method - Google Patents
Crystal growth method and semiconductor device manufacturing method using the crystal growth methodInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、Zn1-YMgYSZSe
1-Z(以下、「ZnMgSSe」と略す)単結晶薄膜、
ZnSXSe1-X(以下、「ZnSSe」と略す)単結晶
薄膜及びZn1- WCdWSe(以下、「ZnCdSe」と
略す)単結晶薄膜の成長方法、ならびにこの成長方法を
用いた半導体装置の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a Zn 1-Y Mg Y S Z Se
1-Z (hereinafter abbreviated as “ZnMgSSe”) single crystal thin film,
A method for growing a ZnS x Se 1-x (hereinafter abbreviated as “ZnSSe”) single crystal thin film and a Zn 1- W Cd W Se (hereinafter abbreviated as “ZnCdSe”) single crystal thin film, and a semiconductor using this growth method The present invention relates to a device manufacturing method.
【0002】[0002]
【従来の技術】ZnMgSSe、ZnSSe及びZnC
dSeは、青緑色光を放射するII-V族半導体レーザの材
料として注目されている。これらの材料からなる単結晶
半導体薄膜は、分子線エピタキシー(以下、「MBE」
と略す)法によって形成される。図1は、MBE装置の
概略構成を示している。このMBE装置による結晶成長
には、金属Zn、金属Cd、金属Mg、金属Se、金属
Te、ZnS化合物、ZnCl2化合物、N2ガスを原料と
して使用する。2. Description of the Related Art ZnMgSSe, ZnSSe and ZnC
dSe has attracted attention as a material for II-V semiconductor lasers that emit blue-green light. Single-crystal semiconductor thin films made of these materials are manufactured by molecular beam epitaxy (hereinafter, “MBE”).
). FIG. 1 shows a schematic configuration of the MBE apparatus. For crystal growth by this MBE apparatus, metal Zn, metal Cd, metal Mg, metal Se, metal
Te, a ZnS compound, a ZnCl 2 compound, and N 2 gas are used as raw materials.
【0003】ZnMgSSe単結晶薄膜をMBE法で成
長する場合、従来技術によれば、金属Zn、金属Mg、
金属Se、及びZnS化合物(あるいはS単体)の4種
類の原料を独立した4個の加熱蒸発源に充填した後、各
加熱蒸発源から4種類の分子線を基板へ同時に照射す
る。図示されていないが、MBE装置には、排気装置、
基板加熱機構、複数の加熱蒸発源及びプラズマセルが装
備してある。このような単結晶薄膜の成長法は、例え
ば、H.Okuyama et al. Journal of Crystal Growt
h Vol.117、 pp.139-143. そして S.Ito
et al. JapaneseJournal of Applied Physics
Vol.32、pp.L1530-L1532、1993に開示さ
れている。[0003] When a ZnMgSSe single crystal thin film is grown by MBE, according to the prior art, metal Zn, metal Mg,
After four kinds of raw materials of metal Se and a ZnS compound (or simple substance of S) are filled in four independent heating evaporation sources, four kinds of molecular beams are simultaneously irradiated on the substrate from each heating evaporation source. Although not shown, the MBE device includes an exhaust device,
A substrate heating mechanism, a plurality of heating evaporation sources and a plasma cell are provided. Such a method of growing a single crystal thin film is described, for example, in H. Okuyama et al. Journal of Crystal Growt.
h Vol. 117, pp. 139-143. and S. Ito
et al. Japanese Journal of Applied Physics
Vol. 32, pp. L1530-L1532, 1993.
【0004】ZnSSe単結晶薄膜をMBE法で成長す
る場合は、金属Zn、金属Se、及びZnS化合物の3
種類を独立した3個の加熱蒸発源に充填した後、各加熱
蒸発源から3種類の分子線を基板へ同時に照射する。こ
のような単結晶薄膜の成長法は、例えば、W.Xie et a
l. Applied Physics Letters Vol.60、pp.199
9-2001、1992に開示されている。[0004] When a ZnSSe single crystal thin film is grown by the MBE method, three layers of metal Zn, metal Se and a ZnS compound are used.
After filling the three types into independent heating evaporation sources, the substrate is simultaneously irradiated with three types of molecular beams from each heating evaporation source. Such a single crystal thin film growth method is described, for example, in W. Xie et a
l. Applied Physics Letters Vol.60, pp.199
9-2001, 1992.
【0005】量子井戸を形成するZnCdSe単結晶薄
膜をMBE法で成長する場合は、金属Zn、金属Se、
金属Cdの3種類を独立した3個の加熱蒸発源に充填し
た後、各加熱蒸発源から3種類の分子線を基板へ同時に
照射する。このような単結晶薄膜の成長法は、例えば、
W.Xie et al. Applied Physics Letters Vol.6
0、pp.463-465、1992に記載されている。When a ZnCdSe single crystal thin film forming a quantum well is grown by MBE, metal Zn, metal Se,
After filling three types of metal Cd into three independent heating evaporation sources, the substrate is simultaneously irradiated with three types of molecular beams from each heating evaporation source. Such a single crystal thin film growth method is, for example,
W.Xie et al. Applied Physics Letters Vol.6
0, pp. 463-465, 1992.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】従来のMBE法は、結
晶成長時に使用する蒸発源の個数が多い。これは、結晶
性に優れた単結晶薄膜を得るためには、その薄膜の各構
成元素の分子線強度を、他の分子線強度とは独立に制御
し、最適な強度比を決定する必要があるからである。分
子線の分子が基板に付着し結晶成長に寄与する割合は、
構成元素毎に異なるため、分子線ごとにその強度を調節
する必要がある。例えば、結晶性に優れたGaAs単結
晶薄膜をMBE法によって得ようとする場合、As分子
線の強度とGa分子線の強度の比(V/III比)は、約
10から20の範囲内にあることが好ましいとされてい
る。従来のMBE法によれば、組成やキャリヤ密度が薄
膜の面内で及び/または深さ方向に変化したり、薄膜成
長工程毎に変化するという問題がある。このため、組成
やキャリヤ密度が均一な単結晶薄膜を高い再現性で得る
ことが困難である。これらの問題は、ZnMgSSe単
結晶薄膜、ZnSSe単結晶薄膜またはZnCdSe単
結晶薄膜を構成要素として含むデバイスを低コストで再
現性良く製造することを阻んでいる。In the conventional MBE method, the number of evaporation sources used during crystal growth is large. This means that in order to obtain a single crystal thin film with excellent crystallinity, it is necessary to control the molecular beam intensity of each constituent element of the thin film independently of the other molecular beam intensities and determine the optimal intensity ratio. Because there is. The rate at which molecular beam molecules adhere to the substrate and contribute to crystal growth is
Since the intensity is different for each constituent element, it is necessary to adjust the intensity for each molecular beam. For example, when trying to obtain a GaAs single crystal thin film having excellent crystallinity by the MBE method, the ratio of the intensity of the As molecular beam to the intensity of the Ga molecular beam (V / III ratio) is in the range of about 10 to 20. It is preferred that there be. According to the conventional MBE method, there is a problem that the composition and the carrier density change in the plane of the thin film and / or in the depth direction, and change in each thin film growth process. Therefore, it is difficult to obtain a single crystal thin film having a uniform composition and carrier density with high reproducibility. These problems hinder low-cost and high-reproducibility manufacture of a device including a ZnMgSSe single-crystal thin film, a ZnSSe single-crystal thin film, or a ZnCdSe single-crystal thin film as a component.
【0007】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、組成やキャ
リヤ密度が均一な単結晶薄膜を高い再現性で形成できる
結晶成長方法およひその結晶成長方法を用いた半導体装
置の製造方法を提供することにある。The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a crystal growth method capable of forming a single crystal thin film having a uniform composition and carrier density with high reproducibility. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device using the crystal growth method.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の結晶成長方法
は、金属Mg、MgS化合物及びMgSe化合物からな
る群から選択された何れか一つの材料と、ZnSe化合
物と、ZnS化合物とを別々の加熱蒸発源にそれぞれ充
填する工程と、該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制
御することによって、加熱した基板上にZn1-YMgYS
ZSe1-Z(0<Y<1かつ0<Z<1)単結晶薄膜を結晶成長
させる工程と、を包含しており、そのことにより上記目
的が達成される。According to the present invention, there is provided a crystal growth method comprising the steps of separately heating a material selected from the group consisting of metallic Mg, MgS compound and MgSe compound, a ZnSe compound and a ZnS compound. The step of filling the evaporation sources, and controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation source to form Zn 1-Y Mg Y S on the heated substrate.
A step of crystal-growing a Z Se 1-Z (0 <Y <1 and 0 <Z <1) single crystal thin film, whereby the object is achieved.
【0009】本発明の他の結晶成長方法は、金属Mg、
MgS化合物及びMgSe化合物からなる群から選択さ
れた何れか一つの材料と、ZnSX'Se1-X'(0<X'<
1)混晶とを別々の加熱蒸発源にそれぞれ充填する工程
と、該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御すること
によって、加熱した基板上にZn1-YMgYSZSe
1-Z(0<Y<1かつ0<Z<1)単結晶薄膜を結晶成長させ
る工程と、を包含しており、そのことにより上記目的が
達成される。[0009] Another crystal growth method of the present invention is a method of growing metal Mg,
Any one material selected from the group consisting of MgS compounds and MgSe compounds, and ZnS X ′ Se 1-X ′ (0 <X ′ <
1) a step of filling each the mixed crystal to separate heating evaporation sources, by controlling the temperature and the molecular beam intensity of the heating evaporation sources, Zn 1-Y on a heated substrate Mg Y S Z Se
1-Z (0 <Y <1 and 0 <Z <1) a step of growing a single crystal thin film, whereby the above object is achieved.
【0010】本発明の他の結晶成長方法は、Zn1-Y'M
gY'SZ'Se1-Z'(0<Y'<1かつ0<Z'<1)混晶を加熱
蒸発源に充填する工程と、該加熱蒸発源の温度及び分子
線強度を制御することによって、加熱した基板上にZn
1-YMgYSZSe1-Z(0<Y<1かつ0<Z<1)単結晶薄膜
を結晶成長させる工程と、を包含しており、そのことに
より上記目的が達成される。[0010] Another crystal growth method of the present invention is a method for growing Zn 1-Y ' M
g Y ′ SZ ′ Se 1 -Z ′ (0 <Y ′ <1 and 0 <Z ′ <1) Mixed crystal filling step and controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation source By doing so, Zn on the heated substrate
1-Y Mg Y S Z Se 1-Z (0 <Y <1 and 0 <Z <1) a step of crystal-growing a single-crystal thin film, whereby the object is achieved.
【0011】好ましくは、Zn1-Y'MgY'SZ'Se1-Z'
(0.02≦Y'≦0.08かつ0.30≦Z'≦0.60の混
晶を前記加熱蒸発源に充填し、Zn1-YMgYSZSe1-Z
(0.05≦Y≦0.15かつ0.10≦Z≦0.25)単結
晶薄膜を結晶成長させる。[0011] Preferably, Zn 1-Y 'Mg Y ' S Z 'Se 1-Z'
(0.02 ≦ Y a mixed crystal of '≦ 0.08 and 0.30 ≦ Z' ≦ 0.60 was charged into the heating evaporation source, Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z
(0.05 ≦ Y ≦ 0.15 and 0.10 ≦ Z ≦ 0.25) A single crystal thin film is grown.
【0012】本発明の他の結晶成長方法は、ZnSe化
合物およびZnS化合物を別々の加熱蒸発源に充填する
工程と、該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御する
ことによって、加熱した基板上にZnSXSe1-X(0<X
<1)単結晶薄膜を結晶成長させる工程と、を包含して
おり、そのことにより上記目的が達成される。[0012] Another crystal growth method of the present invention comprises a step of filling a ZnSe compound and a ZnS compound into separate heating evaporation sources, and controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation sources to form a film on a heated substrate. To ZnS X Se 1-X (0 <X
<1) a step of crystal-growing a single-crystal thin film, whereby the above object is achieved.
【0013】本発明の他の結晶成長方法は、ZnSX'S
e1-X'(0<X'<1)混晶を加熱蒸発源に充填する工程
と、該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御すること
によって、加熱した基板上にZnSXSe1-X(0<X<
1)単結晶薄膜を結晶成長させる工程と、を包含してお
り、そのことにより上記目的が達成される。[0013] Another crystal growth method of the present invention is a method of growing ZnS X ' S
e 1 -X ′ (0 <X ′ <1) A step of filling a mixed crystal into a heating evaporation source, and controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation source so that ZnS X Se 1 -X (0 <X <
1) a step of crystal-growing a single-crystal thin film, whereby the above object is achieved.
【0014】好ましくは、ZnSX'Se1-X'(0.08
≦X'≦0.40)混晶を加熱蒸発源に充填し、加熱した
基板上にZnSXSe1-X(0.03≦X≦0.10)単結
晶薄膜を結晶成長させる。Preferably, ZnS X ′ Se 1-X ′ (0.08
≦ X ′ ≦ 0.40) The mixed crystal is filled in a heating evaporation source, and a ZnS X Se 1-X (0.03 ≦ X ≦ 0.10) single crystal thin film is grown on the heated substrate.
【0015】本発明の他の結晶成長方法は、金属Cd、
CdSe化合物からなる群から選択した何れか一つの材
料と、ZnSe化合とを別々の加熱蒸発源にそれぞれ充
填する工程と、該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制
御することによって、加熱した基板上にZn1-WCdWS
e(0<W<1)単結晶薄膜を結晶成長させる工程とを包
含しており、そのことにより上記目的が達成される。Another crystal growth method of the present invention is a method for growing a metal Cd,
A step of filling any one of the materials selected from the group consisting of CdSe compounds and a ZnSe compound into separate heating evaporation sources, and controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation source to thereby heat the heated substrate. Zn 1-W Cd W S on top
e (0 <W <1) to grow a single-crystal thin film in crystal, whereby the above object is achieved.
【0016】Zn1-W'CdW'Se(0<W'<1)混晶を加
熱蒸発源に充填する工程と、該加熱蒸発源の温度及び分
子線強度を制御することによって、加熱した基板上にZ
n1- WCdWSe(0<W<1)単結晶薄膜を結晶成長させ
る工程と、を包含しており、そのことにより上記目的が
達成される。A step of filling a mixed crystal of Zn 1-W ′ Cd W ′ Se (0 <W ′ <1) into a heating evaporation source and heating by controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation source. Z on the substrate
and a step of growing a single-crystal thin film of n 1 -W Cd W Se (0 <W <1), whereby the object is achieved.
【0017】好ましくは、前記加熱した基板の温度を1
00℃から400℃の範囲内に設定する。Preferably, the temperature of the heated substrate is 1
The temperature is set in the range of 00 ° C to 400 ° C.
【0018】本発明の半導体装置の製造方法は、前記結
晶成長方法を用いて単結晶薄膜を形成する工程を包含す
る。A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a single-crystal thin film using the above-described crystal growth method.
【0019】本発明の他の半導体装置の製造方法は、前
記結晶成長方法を用いて、Zn1-WCdWSe(0<W<
1)単結晶薄膜からなる量子井戸層を形成し、前記結晶
成長方法を用いて、ZnSXSe1-X(0<X<1)単結晶
薄膜からなる障壁層を形成し、それによって量子井戸活
性層を形成する。According to another method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, Zn 1 -W Cd W Se (0 <W <
1) A quantum well layer made of a single crystal thin film is formed, and a barrier layer made of a ZnS x Se 1-x (0 <X <1) single crystal thin film is formed by using the above-described crystal growth method. An active layer is formed.
【0020】[0020]
【作用】MBE法によりZnMgSSe単結晶薄膜を結
晶成長するに際し、本発明では、下記(1)〜(3)に示す
原料の組み合わせの何れかを採用する。When the ZnMgSSe single crystal thin film is grown by the MBE method, the present invention employs any of the following combinations of raw materials (1) to (3).
【0021】(1) 金属Mg、MgS化合物及びMgS
e化合物からなる群から選択されたいずれか一つ、Zn
Se化合物、及びZnS化合物の3種類。(1) Metallic Mg, MgS compound and MgS
e, one selected from the group consisting of
Three types of Se compounds and ZnS compounds.
【0022】(2) 金属Mg、MgS化合物及びMgS
e化合物からなる群から選択されたいずれか一つ、及び
ZnSSe混晶の2種類。(2) Metallic Mg, MgS compound and MgS
Any one selected from the group consisting of e-compounds and two types of ZnSSe mixed crystals.
【0023】(3) ZnMgSSe混晶。(3) ZnMgSSe mixed crystal.
【0024】従来のMBE成長法では、4種類(Zn、
Se、Mg、ZnSあるいはS)の原料が必要であると
考えられていたが、本発明では、1〜3種類の原料を使
用する。従来、成長させるべき単結晶薄膜に含まれる構
成元素の数に近い数の原料を別個の加熱蒸発源に充填
し、各原料の分子線強度を個別に調整する必要があると
考えられていた。しかし、本発明の結晶成長法によれ
ば、構成元素の化合物を分子線の原料として使用して
も、優れた結晶性が得られる。その理由は、ZnMgS
Seや、後述するZnSSe及びZnCdSeは、Ga
As等と異なり、II族元素の分子線強度とVI族元素分子
線強度との比が大きくは違わなくとも、結晶性に優れた
薄膜に成長し得る性質を持っているからである。本発明
は、本願発明者によるこのような新しい知見に基づいて
完成された。In the conventional MBE growth method, four types (Zn,
Although it was considered that a raw material of Se, Mg, ZnS or S) was necessary, in the present invention, one to three kinds of raw materials are used. Conventionally, it has been considered that it is necessary to fill a separate heating evaporation source with a number of raw materials close to the number of constituent elements contained in a single crystal thin film to be grown, and to individually adjust the molecular beam intensity of each raw material. However, according to the crystal growth method of the present invention, excellent crystallinity can be obtained even when a compound of a constituent element is used as a raw material for a molecular beam. The reason is ZnMgS
Se and ZnSSe and ZnCdSe described later are Ga
This is because, unlike As or the like, even if the ratio between the molecular beam intensity of the group II element and the molecular beam intensity of the group VI element does not largely differ, it has the property of growing into a thin film having excellent crystallinity. The present invention has been completed based on such new findings by the present inventors.
【0025】本発明によれば、MBE装置の各加熱蒸発
源に充填される原料の数が低減される結果、得られた単
結晶組薄膜の組成再現性に優れる。すなわち、成長した
単結晶薄膜の面内均一性、膜厚方向の均一性、及びロッ
ト毎の再現性が優れている。また、原料数が少ないこと
と、原料の多くにII-VI族化合物を用いていることのた
めに、VI/II比は空間的かつ時間的に1(金属Mgを用
いた場合は1よりも小さい値)に固定される。その結
果、n型あるいはp型キャリヤ密度の再現性が向上して
いる。Mgの原料として、金属Mgを用いた場合には金
属Mgの酸化が問題となるが、MgS化合物またはMg
Se化合物を原料として用いることにより、そのような
酸化の問題を低減できる。According to the present invention, as a result of reducing the number of raw materials to be filled in each heating evaporation source of the MBE apparatus, the obtained single crystal thin film is excellent in composition reproducibility. That is, the in-plane uniformity of the grown single crystal thin film, the uniformity in the thickness direction, and the reproducibility for each lot are excellent. In addition, due to the small number of raw materials and the use of II-VI group compounds in many of the raw materials, the VI / II ratio is spatially and temporally 1 (in the case of using metallic Mg, 1 or more). (Small value). As a result, the reproducibility of the n-type or p-type carrier density is improved. When metallic Mg is used as a raw material for Mg, oxidation of metallic Mg becomes a problem.
By using the Se compound as a raw material, such a problem of oxidation can be reduced.
【0026】ZnSSe単結晶薄膜を結晶成長するに際
し、本発明では、下記(1)及び(2)に示す原料の組み合
わせの何れかを採用する。In growing the ZnSSe single crystal thin film, any one of the following combinations of raw materials (1) and (2) is employed in the present invention.
【0027】(1) ZnSe化合物とZnS化合物の2
種類。(1) ZnSe compound and ZnS compound 2
type.
【0028】(2) ZnSSe混晶のみ 従来は3種類(Zn、Se、ZnS)の原料が必要であ
ると考えられていたが、本発明では、1〜2種類の原料
を使用する。(2) Only ZnSSe Mixed Crystal Conventionally, it was thought that three types of raw materials (Zn, Se, ZnS) were required, but in the present invention, one or two types of raw materials are used.
【0029】本発明は、原料数が従来よりも少ないた
め、組成再現性に優れている。原料数が少なく、しか
も、原料全てにII-VI族化合物を用いているため、VI/II
比は空間的時間的に1に固定され、n型あるいはp型キ
ャリヤ密度の再現性が向上する。ZnCdSe単結晶薄
膜を結晶成長するに際し、本発明では、下記(1)及び
(2)に示す原料の組み合わせの何れかを採用する。The present invention has excellent composition reproducibility because the number of raw materials is smaller than in the prior art. Because the number of raw materials is small and all raw materials use II-VI group compounds, VI / II
The ratio is fixed at 1 spatially and temporally, improving the reproducibility of the n-type or p-type carrier density. In growing a ZnCdSe single crystal thin film, the present invention provides the following (1) and
Either of the combinations of raw materials shown in (2) is adopted.
【0030】(1) 金属CdあるいはCdSe化合物の
いずれか一つ、ZnSe化合物の2種類。(1) One of metal Cd or CdSe compound and two of ZnSe compound.
【0031】(2) ZnCdSe混晶のみ。(2) Only ZnCdSe mixed crystal.
【0032】従来は3種類(Zn、Se、ZnS)の原
料が必要であると考えられていたが、本発明では、1〜
2種類の原料を使用する。本発明は、原料数が従来より
も少ないため、組成再現性に優れている。Conventionally, it has been considered that three types of materials (Zn, Se, ZnS) are required.
Two types of raw materials are used. The present invention is excellent in composition reproducibility because the number of raw materials is smaller than in the past.
【0033】[0033]
【実施例】図2は、本発明による半導体薄膜の形成に使
用するMBE装置の概略構成を示している。図2のMB
E装置では、原料として、ZnSe化合物、CdSe化
合物、金属Mg、ZnTe化合物、ZnS化合物、ZnC
l2化合物、N2ガスが使用される。N2ガス以外の原料
は、MBE装置内に設けた別々の加熱蒸発源1〜6に充
填される。窒素ガスは、ボンベ81から供給され、p型
ドーピング用の活性窒素を生成するために用いられる。
活性窒素は、プラズマセル8によって窒素ガスを放電す
ることにより得られる(例えばK.Ohkawa et al. Japa
nese Journal of Applied Physics Vol.30、p
p.L152-L155、1991.)。MBE装置内には、
基板10を所定の温度に加熱し維持するための基板加熱
機構9が設けられている。MBE装置の背圧は、真空ポ
ンプによって、10-8〜10ー1 0Torr台になるが、
p型ドーピングを行なっている時は、窒素ガスを導入し
ているため、MBE装置内の真空度は、1x10-5To
rrから1x10-8Torrの範囲にある。FIG. 2 shows a schematic configuration of an MBE apparatus used for forming a semiconductor thin film according to the present invention. MB in FIG.
In the E apparatus, as raw materials, ZnSe compound, CdSe compound, metallic Mg, ZnTe compound, ZnS compound, ZnC compound
An l 2 compound and N 2 gas are used. Raw materials other than the N 2 gas are charged into separate heating evaporation sources 1 to 6 provided in the MBE apparatus. The nitrogen gas is supplied from a cylinder 81 and is used to generate active nitrogen for p-type doping.
Activated nitrogen is obtained by discharging nitrogen gas with the plasma cell 8 (for example, K. Ohkawa et al. Japa
nese Journal of Applied Physics Vol. 30, p
p.L152-L155, 1991.). In the MBE device,
A substrate heating mechanism 9 for heating and maintaining the substrate 10 at a predetermined temperature is provided. Back pressure of the MBE apparatus, the vacuum pump, but becomes 1 0 Torr table 10-8 over,
During p-type doping, the degree of vacuum in the MBE apparatus is 1 × 10 −5 To
rr to 1 × 10 −8 Torr.
【0034】簡単化のためにZnSe単結晶薄膜の成長
を例に取り、まず、本発明による結晶成長の基本的なメ
カニズムを説明する。For the sake of simplicity, the basic mechanism of crystal growth according to the present invention will be described first, taking the growth of a ZnSe single crystal thin film as an example.
【0035】本発明の結晶成長方法では、ZnSe化合
物を原料としてZnSe単結晶薄膜を成長する。このた
め、Znの分子線強度(JZn;1秒間に1cm2に飛来する
Zn原子数)とSeの分子線強度(JSe;1秒間に1cm2
に飛来するSe原子数)の比(JSe/JZn; Flux Rati
o)は1に固定される。これに対して、金属Zn及び金
属Seを別々の加熱蒸発源に充填し、各分子線の強度を
任意に調整できるようにすれば、Znの分子線強度とS
eの分子線強度の比(JSe/JZn)は任意の値に設定され
得る。In the crystal growth method of the present invention, a ZnSe compound is used as a raw material to grow a ZnSe single crystal thin film. Therefore, the molecular beam intensity of Zn (J Zn ; the number of Zn atoms flying to 1 cm 2 per second) and the molecular beam intensity of Se (J Se ; 1 cm 2 per second)
Ratio of the number of Se atoms flying to the surface (J Se / J Zn ; Flux Rati
o) is fixed to 1. On the other hand, if the metal Zn and the metal Se are filled in separate heating evaporation sources so that the intensity of each molecular beam can be adjusted arbitrarily, the molecular beam intensity of Zn and S
The ratio of the molecular beam intensity of e (J Se / J Zn ) can be set to an arbitrary value.
【0036】図9は、金属Zn及び金属Seを別々の加
熱蒸発源に充填した場合において、薄膜の結晶性が、比
JSe/JZn、及び基板温度に対してどのように変化するか
を示している。図9のグラフは、K.Menda et al. Jap
anese Journal of Applied Physics Vol.26、L
1326、1987に報告されている。FIG. 9 shows that when the metal Zn and the metal Se are charged into separate heating evaporation sources, the crystallinity of the thin film is reduced.
It shows how it changes with J Se / J Zn and the substrate temperature. The graph in FIG. 9 is based on K. Menda et al. Jap
anese Journal of Applied Physics Vol. 26, L
1326, 1987.
【0037】図9において、○印は、Reflection High
-Energy Electron Diffraction(RHEED)パターンがc
(2x2)となる条件を表し、●印はRHEEDパターンが
(1×2)となる条件を表している。領域I及びIIIで
は、RHEEDパターンはストリーク状となり、領域IIで
は、RHEEDパターンは成長初期にストリーク状となるが
成長を継続していくとスポッティとなる。スポッティあ
るいはV字のパターンは、成長中の表面に凹凸があるこ
とを意味している。分子線強度比が1で基板温度150
℃から320℃の領域では、c(2x2)のスポッティな
RHEEDパターンが得られることを示している。このよう
な領域では、II族安定化面で荒れた表面しか得られな
い。レーザ構造等のデバイス構造は単結晶で平坦な薄膜
を必要とする。また、P型の抵抗率を低くする観点か
ら、基板温度が相対的に低い状態での成長が好ましい
(R.Park, Jurnal of Vacuum Science and Technology
A Vol.10, pp.701-704, 1992)。In FIG. 9, the mark ○ indicates Reflection High.
-Energy Electron Diffraction (RHEED) pattern is c
A condition of (2 × 2) is indicated, and a black circle indicates a condition of the RHEED pattern being (1 × 2). In the regions I and III, the RHEED pattern becomes streak-like, and in the region II, the RHEED pattern becomes streak-like at the initial stage of growth, but becomes spotty as the growth is continued. The spotty or V-shaped pattern means that the growing surface has irregularities. When the molecular beam intensity ratio is 1 and the substrate temperature is 150
In the region from ℃ to 320 ℃, c (2x2) spotty
This indicates that a RHEED pattern can be obtained. In such a region, only a rough surface with the group II stabilizing surface can be obtained. A device structure such as a laser structure requires a single crystal flat thin film. From the viewpoint of lowering the resistivity of the P-type, it is preferable to grow the substrate at a relatively low substrate temperature (R. Park, Journal of Vacuum Science and Technology).
A Vol. 10, pp. 701-704, 1992).
【0038】以上のことから、領域Iの条件での成長が
好ましいことがわかる。領域Iの条件での成長を実現す
るには、比(JSe/JZn)を1よりも大きく設定し、しか
も基板温度を200℃から400℃までの範囲内にする
必要がある。図9のグラフに基づけば、ZnSe化合物
を原料としてZnSe単結晶薄膜を成長することが好ま
しくないと予測される。なぜなら、ZnSe化合物を原
料として使用する場合、分子線強度比JSe/JZnが1に固
定されてしまうからである。従来、このような予測のも
とで、薄膜の原料を各構成元素毎に別々の加熱蒸発源に
充填し、個々の分子線強度を調整し、上記したような範
囲に強度比を設定することが行われてきた。しかしなが
ら、本発明者の実験によれば、ZnSe化合物を用いた
場合でも、(2x1)のストリークなRHEEDパターンが観
測され、VI族安定化面で平坦な結晶成長が実現すること
がわかった。図10は、その実験結果の概略を示してい
る。このようにZnSe化合物を用いた場合、分子線強
度比JSe/JZnが1に固定されているにも関わらず、基板
温度150℃から100℃で、(2x1)のストリーク
なRHEEDパターンが観測された。なお、実験から、本発
明の方法の成長温度は、スポッティあるいはV字のパタ
ーンが観測されない100℃から400℃の範囲が適し
ていることも判明した。From the above, it is understood that the growth under the condition of the region I is preferable. In order to realize the growth under the condition of the region I, it is necessary to set the ratio (J Se / J Zn ) to be larger than 1 and to set the substrate temperature in a range from 200 ° C. to 400 ° C. Based on the graph of FIG. 9, it is predicted that it is not preferable to grow a ZnSe single crystal thin film using a ZnSe compound as a raw material. This is because when a ZnSe compound is used as a raw material, the molecular beam intensity ratio J Se / J Zn is fixed at 1. Conventionally, based on such a prediction, the raw material for the thin film is charged into separate heating evaporation sources for each constituent element, the intensity of each molecular beam is adjusted, and the intensity ratio is set within the above range. Has been done. However, according to the experiment of the present inventor, even when the ZnSe compound was used, a streak (2 × 1) RHEED pattern was observed, and it was found that flat crystal growth was realized on the group VI stabilized surface. FIG. 10 shows the outline of the experimental result. Thus, when the ZnSe compound is used, a streak RHEED pattern of (2 × 1) is observed at a substrate temperature of 150 ° C. to 100 ° C., even though the molecular beam intensity ratio J Se / J Zn is fixed at 1. Was done. From experiments, it has been found that the growth temperature in the method of the present invention is suitably in the range of 100 ° C. to 400 ° C. where no spotty or V-shaped pattern is observed.
【0039】なぜ、従来の予測からはずれた実験結果が
得られたか、その理由は、次のように考えられる。ただ
し、本発明による成長メカニズムはまだ解明されたわけ
ではない。The reason why an experimental result deviated from the conventional prediction was obtained is considered as follows. However, the growth mechanism according to the present invention has not been elucidated yet.
【0040】従来の方法において、通常使用される温度
付近である196℃では、金属Seからの分子線成分
が、Se6:Se5:Se7:Se2:Se8=1:0.66:0.2
8:0.11:0.04なる比率で構成されている。このこ
とは、例えば H.Cheng et al. Journal of Vacuu
m Science Technology B Vol.8、pp.181-18
6、1990.に報告されている。In the conventional method, at 196 ° C., which is around the temperature usually used, the molecular beam component from metal Se is Se 6 : Se 5 : Se 7 : Se 2 : Se 8 = 1: 0.66: 0.2
8: 0.11: 0.04. This can be seen, for example, in H. Cheng et al. Journal of Vacuu.
m Science Technology B Vol.8, pp.181-18
6, 1990.
【0041】しかし、VI族元素Bを含有する多結晶化合
物ABをMBEの原料として用いた場合、この化合物
は、下式に示すように昇華し、分子線を形成する。However, when a polycrystalline compound AB containing a group VI element B is used as a raw material for MBE, this compound sublimates as shown in the following formula to form a molecular beam.
【0042】 AB → A + 1/2B2 (1) ここで A=Zn、Cd、Mg、Hg(II族元素)、B
=S、Se、Te(VI族元素)である。このことは、例
えば、T. Yao, Researches of the Electrotechnical L
aboratory No. 854, 1985, p.23に報告されている。従
って、本発明の結晶成長方法によれば、VI族元素は2原
子分子となる。本発明で使用するVI族元素の分子は、従
来の分子線の分子と比較して小さい分子であるため、反
応性が高まる。そのため、分子線強度比が1でも、図1
0の如くSe安定化面が観測されたものと考えられる。AB → A + 1 / 2B 2 (1) where A = Zn, Cd, Mg, Hg (Group II element), B
= S, Se, Te (Group VI element). This is, for example, the case of T. Yao, Researches of the Electrotechnical L.
aboratory No. 854, 1985, p.23. Therefore, according to the crystal growth method of the present invention, the group VI element is a diatomic molecule. The group VI element molecule used in the present invention is a small molecule as compared with a conventional molecular beam molecule, and thus has higher reactivity. Therefore, even if the molecular beam intensity ratio is 1, FIG.
It is considered that a Se-stabilized surface such as 0 was observed.
【0043】金属Seを原料に用いた場合に、金属Se
用の加熱蒸発源の温度を600℃まで上げると、分子線
成分は多い順に、Se5、Se2、Se6、Se7、及びS
e3となる(例えば H.Cheng et al. Journal of
Vacuum Science Technology B Vol.8、pp.181
-186、1990)。しかし、ZnSe化合物を原料
に用いた場合のようにSe2が主成分になるまでには至
らない。金属Znも金属Seも加熱蒸発源を高温にして
ZnSeを成長すると、100℃までの成長温度の低温
化が可能となるが(例えば M.Ohishi et al. Journ
al of Crystal Growth Vol.117、pp.125-1
28、1992.)、化合物を原料とする本発明の方法
では50℃程度までの更なる低温化が可能となった。化
合物多結晶の使用温度は、金属原料に比べて数百度高
く、しかも分子線に含まれるVI族元素は、2原子分子が
主成分であることが理由であると考えられる。When the metal Se is used as a raw material, the metal Se
When the temperature of the heating evaporation source is raised to 600 ° C., the molecular beam components are in the descending order of Se 5 , Se 2 , Se 6 , Se 7 and S 5.
the e 3 (for example H.Cheng et al. Journal of
Vacuum Science Technology B Vol.8, pp.181
-186, 1990). However, as in the case where a ZnSe compound is used as a raw material, Se 2 does not become a main component. When ZnSe is grown by heating the evaporation source at a high temperature for both metal Zn and metal Se, the growth temperature can be reduced to 100 ° C. (eg, M. Ohishi et al. Journ).
al of Crystal Growth Vol.117, pp.125-1
28, 1992.), and the method of the present invention using a compound as a raw material has made it possible to further lower the temperature to about 50 ° C. It is considered that the use temperature of the compound polycrystal is several hundred degrees higher than the metal raw material, and the group VI element contained in the molecular beam is mainly composed of diatomic molecules.
【0044】単結晶半導体薄膜の組成やキャリヤ密度は
分子線強度の変動に敏感であるため、複数の蒸発源の内
一つでも分子線強度が変動すると、その変動に対応して
組成が変化してしまう。さらにVI族元素であるS及びS
eの分子線強度とII族元素であるZn及びMgの分子線
強度の比(VI/II比)の変動によって、ドナー性あるい
はアクセプタ性不純物元素の取り込みは影響を受け、キ
ャリヤ密度が変化してしまうという問題点がある。この
ため、蒸発源の数は、少ないほど組成やキャリヤ密度の
再現性が向上し、歩留まりが改善され、デバイス製造コ
ストが低減できる。Since the composition and carrier density of the single crystal semiconductor thin film are sensitive to the fluctuation of the molecular beam intensity, if the molecular beam intensity changes even in one of the plurality of evaporation sources, the composition changes corresponding to the fluctuation. Would. Further, S and S which are group VI elements
The fluctuation of the ratio between the molecular beam intensity of e and the molecular beam intensity of the group II elements Zn and Mg (VI / II ratio) affects the incorporation of the donor or acceptor impurity element and changes the carrier density. There is a problem that it is. Therefore, the smaller the number of evaporation sources, the higher the reproducibility of the composition and carrier density, the better the yield, and the lower the device manufacturing cost.
【0045】従来の方法では、多くの加熱蒸発源を要し
ていたため、MBE装置は巨大になり、高コストになる
という問題点もあった。加熱蒸発源の数が減らせれば、
簡便かつ小型のMBE装置で対応することができ、さら
に製造コストを下げることが可能となる。In the conventional method, since many heating evaporation sources are required, there is also a problem that the MBE apparatus becomes huge and the cost becomes high. If the number of heating evaporation sources can be reduced,
A simple and small MBE apparatus can be used, and the manufacturing cost can be further reduced.
【0046】以下、ZnMgSSe単結晶薄膜、ZnS
Se単結晶薄膜およびZnCdSe単結晶薄膜の結晶成
長法の実施例を詳細に述べる。以下の実施例では、図2
のMBE装置を用い、GaAs(100)基板上に各単
結晶薄膜を成長させた。結晶成長時の典型的な基板温度
は、280℃とした。Hereinafter, a ZnMgSSe single crystal thin film, ZnS
An example of a crystal growth method of a Se single crystal thin film and a ZnCdSe single crystal thin film will be described in detail. In the following embodiment, FIG.
Each single-crystal thin film was grown on a GaAs (100) substrate by using the MBE apparatus. A typical substrate temperature during crystal growth was 280 ° C.
【0047】(実施例1)ZnSe化合物、ZnS化合
物及び金属Mgを原料として、n型ZnMgSSe単結
晶薄膜を成長した。n型ドーパントは、ZnCl2原料
からの塩素を用いた(例えば K.Ohkawa et al. Jou
rnal of Applied Physics Vol.62、pp.3216
-3221、1987.)。Example 1 An n-type ZnMgSSe single crystal thin film was grown from a ZnSe compound, a ZnS compound and metallic Mg as raw materials. As the n-type dopant, chlorine from a ZnCl 2 raw material was used (for example, K. Ohkawa et al. Jou
rnal of Applied Physics Vol.62, pp.3216
-3221, 1987.).
【0048】図3は、こうして得られたn型ZnMgS
Se単結晶薄膜から測定されたフォトルミネッセンス
(PL)スペクトルを示している。測定は、12Kで行
われた。12KでのPL測定では、420nmに強いバン
ド端発光が観測された。発光の起源は、中性塩素ドナー
に束縛された励起子発光(I2)と考えられる。図3に
示されるZnMgSSe薄膜のバンドギャップエネルギ
ーは、12Kでは2.95eVであり、室温では約2.85e
Vである。なお、本願明細書では、ZnMgSSe混晶
のバンドギャップエネルギーを、バンド端発光の光子エ
ネルギーで定義するものとする。FIG. 3 shows the n-type ZnMgS thus obtained.
4 shows a photoluminescence (PL) spectrum measured from a Se single crystal thin film. Measurements were taken at 12K. In the PL measurement at 12K, a strong band edge emission at 420 nm was observed. The origin of the emission is believed to be exciton emission (I 2 ) constrained by a neutral chlorine donor. The bandgap energy of the ZnMgSSe thin film shown in FIG. 3 is 2.95 eV at 12 K and about 2.85 eV at room temperature.
V. In the present specification, the band gap energy of the ZnMgSSe mixed crystal is defined by the photon energy of band edge emission.
【0049】Zn1-YMgYSZSe1-Z薄膜の格子定数
は、GaAsの格子定数に一致しており、奥山らのグラ
フ(H.Okuyama et al. Journal of Crystal Grow
th Vol.117、pp.139-143、(1992)中の
図1及び図3)から求められた組成は、Y=0.07およ
びZ=0.18である。この組成のZn1-YMgYSZSe
1-Z薄膜を成長温度280℃で得るため、分子線強度
を、P(ZnSe)=1.75x10-6Torr、P(Z
nS)=9.0x10-7Torr、P(Mg)=2.5x10
-8Torrとした。この分子線強度は、フラックス・ゲ
ージで測定された値である。ZnMgSSe薄膜の成長
の間、各分子線強度が一定になるように蒸発源の温度を
制御した。本実施例の条件では、ZnMgSSe薄膜の
成長速度は、0.63μm/hであった。[0049] Zn 1-Y Mg Y S lattice constant of Z Se 1-Z thin film is matched to the lattice constant of GaAs, Okuyama et graph (H.Okuyama et al. Journal of Crystal Grow
The composition obtained from FIG. 1 and FIG. 3 in th Vol. 117, pp. 139-143, (1992) is Y = 0.07 and Z = 0.18. Zn 1-Y Mg Y S Z Se of this composition
In order to obtain a 1-Z thin film at a growth temperature of 280 ° C., the molecular beam intensity was set to P (ZnSe) = 1.75 × 10 −6 Torr and P (Z
nS) = 9.0 × 10 −7 Torr, P (Mg) = 2.5 × 10
-8 Torr. This molecular beam intensity is a value measured by a flux gauge. During the growth of the ZnMgSSe thin film, the temperature of the evaporation source was controlled so that the intensity of each molecular beam became constant. Under the conditions of this example, the growth rate of the ZnMgSSe thin film was 0.63 μm / h.
【0050】成長中のRHEEDパターンは、(2x1)とc
(2x2)とが混在しており、成長初期より厚み1μm
成長の最後まできれいなストリークを呈していた。スト
リークなRHEEDは表面の平坦性を示すものであり、薄膜
が鏡面を呈していたことを裏付けるものである。単結晶
のZnMgSSe薄膜は成長温度が100℃から400
℃の範囲で可能であった。また低い基板では高い基板温
度の場合に比べて成長速度を下げる必要があった。The RHEED pattern during growth is (2 × 1) and c
(2 × 2) and 1 μm thick from the beginning of growth
Until the end of growth, it had a beautiful streak. The streak RHEED indicates the flatness of the surface, confirming that the thin film had a mirror surface. A single crystal ZnMgSSe thin film has a growth temperature of 100 ° C. to 400 ° C.
It was possible in the range of ° C. In addition, it was necessary to lower the growth rate for a low substrate compared to a case of a high substrate temperature.
【0051】(実施例2)本実施例では、ZnSe化合
物、ZnS化合物およびMgS化合物を原料として、Z
n1-YMgYSZSe1-Z単結晶薄膜を成長した。Example 2 In this example, a ZnSe compound, a ZnS compound and a MgS compound were used as raw materials,
n 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z grown single crystal thin film.
【0052】得られたZn1-YMgYSZSe1-Z単結晶薄
膜の格子定数は、GaAsに対して0.12%大きいが、
結晶性は二結晶X線回折法における半値全幅(FWHM)は
64秒と良好なものであった。単結晶薄膜のバンドギャ
ップは、12Kで2.98eVであった。その組成は、Y=
0.10およびZ=0.20であった。成長温度280℃で
この組成を得るための分子線強度は、P(ZnSe)=
1.25x10-6Torr、P(ZnS)=9.4x10-7
Torr、P(MgS)=2.8x10-8Torrであ
り、成長速度は0.40μm/hであった。[0052] The obtained Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z lattice constant of the single crystal thin film is 0.12% greater relative to GaAs,
As for the crystallinity, the full width at half maximum (FWHM) in the double crystal X-ray diffraction method was as good as 64 seconds. The band gap of the single crystal thin film was 2.98 eV at 12K. Its composition is Y =
0.10 and Z = 0.20. The molecular beam intensity for obtaining this composition at a growth temperature of 280 ° C. is P (ZnSe) =
1.25 × 10 −6 Torr, P (ZnS) = 9.4 × 10 −7
Torr, P (MgS) = 2.8 × 10 −8 Torr, and the growth rate was 0.40 μm / h.
【0053】成長中のRHEEDパターンは、(2x1)とc
(2x2)とが混在したきれいなストリークパターンで
あった。薄膜表面は、鏡面を呈していた。また、上記分
子線強度を得るためのMgS原料の使用温度(1240
℃)は、金属Mgの使用温度(250℃)に比べて約1
000℃高温である。このため、加熱蒸発源の温度を変
えると、分子線強度もすばやく追随して変化する。ゆえ
にZnS及びMgSの分子線強度を共に変化させること
により、GaAsに格子整合させつつバンドギャップを
徐々に変化させたGrin構造を実現することが可能とな
る。The RHEED pattern during growth is (2 × 1) and c
(2 × 2) and a beautiful streak pattern mixed. The thin film surface had a mirror surface. In addition, the working temperature (1240) of the MgS raw material for obtaining the above molecular beam intensity.
° C) is about 1 compared to the working temperature of metal Mg (250 ° C).
000 ° C high temperature. For this reason, when the temperature of the heating evaporation source is changed, the molecular beam intensity also quickly changes. Therefore, by changing both the molecular beam intensity of ZnS and MgS, it becomes possible to realize a Grin structure in which the band gap is gradually changed while lattice-matching with GaAs.
【0054】酸化されやすい金属Mgを使用する場合、
真空中でも残留した水分等で金属Mgの表面酸化が起
き、分子線が得られ難くなるなどの問題が生じ得る。し
かし、本実施例の場合、金属Mgの代わりにMgS化合
物を用いるため、そのような問題がない。When using a metal Mg which is easily oxidized,
Surface oxidation of metallic Mg occurs due to moisture and the like remaining even in a vacuum, which may cause problems such as difficulty in obtaining a molecular beam. However, in the case of the present embodiment, such a problem does not occur because the MgS compound is used instead of the metallic Mg.
【0055】(実施例3)本実施例では、ZnSe化合
物、ZnS化合物及びMgSe化合物を原料として、Z
n1-YMgYSZSe1-Z単結晶薄膜を成長した。Example 3 In this example, a ZnSe compound, a ZnS compound and a MgSe compound were used as raw materials,
n 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z grown single crystal thin film.
【0056】得られたZn1-YMgYSZSe1-Z単結晶薄
膜の格子定数は、GaAsの格子定数に一致し、結晶性
も良好なものであった。バンドギャップエネルギは、1
2Kで2.96eVであった。薄膜の組成は、Y=0.08お
よびZ=0.19であった。この組成を成長温度280℃
で得るための分子線強度は、P(ZnSe)=1.55x
10-6Torr、P(ZnS)=9.0x10-7Tor
r、P(MgSe)=2.5x10-8Torrであり、成
長速度は0.50μm/hであった。[0056] The obtained Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z lattice constant of the single crystal thin film is matched to the lattice constant of GaAs, was also favorable crystallinity. The band gap energy is 1
It was 2.96 eV at 2K. The composition of the thin film was Y = 0.08 and Z = 0.19. This composition is grown at 280 ° C.
The intensity of the molecular beam to be obtained by P (ZnSe) = 1.55 ×
10 −6 Torr, P (ZnS) = 9.0 × 10 −7 Torr
r, P (MgSe) = 2.5 × 10 −8 Torr, and the growth rate was 0.50 μm / h.
【0057】成長中のRHEEDパターンは、(2x1)とc
(2x2)とが混在したきれいなストリークパターンで
あった。薄膜表面は、鏡面を呈していた。The RHEED pattern during growth is (2 × 1) and c
(2 × 2) and a beautiful streak pattern mixed. The thin film surface had a mirror surface.
【0058】MgSe原料の使用温度(1100℃)
は、金属Mgの使用温度(250℃)に比べて約850
℃高温であるため、加熱蒸発源の温度を変えると、分子
線強度もすばやく追随して変化する。ゆえにZnSとM
gSeの分子線強度を共に変化させることにより、Ga
Asに格子整合させつつ、バンドギャップエネルギが徐
々に変化するGrin構造の作製が可能となる。Operating temperature of MgSe raw material (1100 ° C.)
Is about 850 compared to the operating temperature (250 ° C.) of metallic Mg.
Since the temperature is high by ° C., if the temperature of the heating evaporation source is changed, the molecular beam intensity also changes quickly. Therefore ZnS and M
By changing the molecular beam intensity of gSe together, Ga
It is possible to fabricate a Grin structure in which the band gap energy gradually changes while lattice-matching As.
【0059】金属Mg、MgS化合物及びMgSe化合
物からなる群から選択されたいずれか一つの源流のMg
に関する分子線強度を強くすることにより、Zn1-YM
gYSZSe1-Z単結晶薄膜中の組成Yを大きくすること
ができた。加えて、ZnSの分子線強度を強くすること
により、組成Zを大きくすることができた。ゆえに、M
gとSの組成を、0<Y<1、0<Z<1の範囲で変化させる
ことができた。Any one of the source flows of Mg selected from the group consisting of metallic Mg, MgS compounds and MgSe compounds
By increasing the molecular beam intensity for Zn 1-Y M
g Y S Z Se 1-Z could be a composition Y single-crystal thin film is increased. In addition, the composition Z could be increased by increasing the molecular beam intensity of ZnS. Therefore, M
The composition of g and S could be changed in the range of 0 <Y <1, 0 <Z <1.
【0060】また、ZnS化合物、金属Mg、MgS化
合物及びMgSe化合物の各原料を入れたそれぞれの加
熱蒸発源の温度を固定することによって、各分子線強度
を一定にすることができた。しかし、ZnSeを入れた
加熱蒸発源の温度は一定温度では分子線強度が一定にな
らなかったため、0.01℃/分の勾配で加熱蒸発源の
温度を上昇させることによって分子線強度を一定に保っ
た。Further, by fixing the temperature of each heating and evaporating source containing the respective raw materials of the ZnS compound, metallic Mg, MgS compound and MgSe compound, it was possible to make each molecular beam intensity constant. However, since the molecular beam intensity did not become constant at a constant temperature when the temperature of the heating evaporation source containing ZnSe was increased, the molecular beam intensity was kept constant by increasing the temperature of the heating evaporation source at a gradient of 0.01 ° C./min. Kept.
【0061】(実施例4)本実施例では、金属Mgおよ
びZnSX'Se1-X'(X'=0.50)混晶を原料として、
Zn1-YMgYSZSe1-Z単結晶薄膜を成長した。Example 4 In this example, a mixed crystal of metal Mg and ZnS X ′ Se 1-X ′ (X ′ = 0.50) was used as a raw material.
Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z grown single crystal thin film.
【0062】格子定数はGaAsに一致し、結晶性も良
好なものであった。そしてバンドギャップは12Kで2.
94eVであった。その組成はY=0.065およびZ=0.1
7である。成長温度280℃でこの組成を得るための分
子線強度はP(ZnSSe)=2.50x10-6Tor
r、 P(Mg)=2.3x10-8Torrであり、成長
速度は0.55μm/hであった。成長中のRHEEDパターン
は(2x1)とc(2x2)の混在できれいなストリーク
であった。薄膜表面は鏡面を呈していた。得られるZn
1-YMgYSZSe1-Z単結晶薄膜の組成Yは 成長温度お
よび分子線強度比P(Mg)/(P(ZnSSe)+P
(Mg))に依存する。そのため一概に規定し難いが、
組成Yを大きくするためには高い成長温度あるいは大き
な前記分子線強度比を採用することによって可能とな
る。組成Yを小さくするためには成長温度を低く設定す
るかあるいは前記分子線強度比を小さくすれば良い。さ
らに得られるZn1-YMgYSZSe1-Z単結晶薄膜の組成
Zは 成長温度およびZnSX'Se1-X'混晶原料の組成
X'に依存する。そのため一概に規定し難いが、組成Zを
大きくするためには低い成長温度あるいは組成X'が大き
な混晶原料を使用することによって可能となる。組成Z
を小さくするためには成長温度を高く設定するかあるい
は原料組成X'を小さくすれば良い。このように成長温度
および分子線強度比および混晶原料の組成X'を変化させ
ることにより、得られるZn1-YMgYSZSe1 -Z単結晶
薄膜の組成Y、Zは0<Y<1、0<Z<1の範囲を制御する
ことが可能である。The lattice constant matched that of GaAs, and the crystallinity was good. And the band gap is 2.
It was 94 eV. Its composition is Y = 0.065 and Z = 0.1
7 The molecular beam intensity for obtaining this composition at a growth temperature of 280 ° C. is P (ZnSSe) = 2.50 × 10 −6 Torr.
r, P (Mg) = 2.3 × 10 −8 Torr, and the growth rate was 0.55 μm / h. The RHEED pattern during the growth was a clear streak with a mixture of (2 × 1) and c (2 × 2). The thin film surface had a mirror surface. Obtained Zn
The composition Y of the 1-Y Mg YS Z Se 1-Z single crystal thin film is represented by the growth temperature and the molecular beam intensity ratio P (Mg) / (P (ZnSSe) + P
(Mg)). Therefore, it is difficult to stipulate it.
The composition Y can be increased by employing a high growth temperature or a high molecular beam intensity ratio. In order to reduce the composition Y, the growth temperature may be set low or the molecular beam intensity ratio may be reduced. Furthermore, the composition Z of the obtained Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z single crystal thin film is the growth temperature and the composition of the ZnS X ′ Se 1-X ′ mixed crystal raw material.
Depends on X '. Therefore, it is difficult to define the composition Z in general, but it is possible to increase the composition Z by using a mixed crystal material having a low growth temperature or a large composition X ′. Composition Z
In order to reduce the value, the growth temperature may be set higher or the material composition X ′ may be reduced. By changing the way the composition X of the growth temperature and the molecular beam intensity ratio and the mixed crystal material ', resulting Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1 -Z single-crystal thin film of the composition Y, Z is 0 <Y It is possible to control the range of <1, 0 <Z <1.
【0063】また前記実施例の金属Mg原料をMgS化
合物あるいはMgSe化合物に置き換え、ZnSX'Se
1-X'(0<X'<1)混晶原料と組み合わせることによって
Zn1-YMgYSZSe1-Z単結晶薄膜の成長が可能であ
る。組成Y、Zは成長温度および分子線強度比および混
晶原料の組成X'を変化させることにより0<Y<1、0<Z<
1の範囲で制御することが可能である。Further, the metal Mg raw material of the above embodiment was replaced with a MgS compound or a MgSe compound, and ZnS X ′ Se
1-X '(0 <X '<1) are possible Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z single-crystalline thin film growth by combining a mixed crystal material. The compositions Y and Z can be adjusted to 0 <Y <1, 0 <Z <by changing the growth temperature, the molecular beam intensity ratio, and the composition X ′ of the mixed crystal raw material.
It is possible to control in the range of 1.
【0064】(実施例5)本実施例では、Zn1-Y'Mg
Y'SZ'Se1-Z'(0<Y'<1かつ0<Z'<1)混晶を原料と
して、Zn1-YMgYSZSe1-Z(0<Y<1かつ0<Z<1)
単結晶薄膜を作製することができる。(Embodiment 5) In this embodiment, Zn 1-Y ′ Mg
Y 'S Z' Se 1- Z a '(0 <Y'<1 and 0 <Z '<1) mixed crystal as a starting material, Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z (0 <Y <1 and 0 <Z <1)
A single crystal thin film can be manufactured.
【0065】組成Y、Zは基板温度に依存するため一概に
規定し難いが、Y>Y’およびZ<Z’なる関係とな
る。基板温度100℃から400℃の範囲ではMgの付
着係数はZnに比べて高いことおよびSの付着係数はS
eに比べて小さいためである。Zn1-Y'MgY'SZ'Se
1-Z'(0.02≦Y'≦0.08かつ0.30≦Z'≦0.6
0)混晶を原料として用い、かつ200℃から350℃
に加熱された基板上に成長した。Zn1-YMgYSZSe
1-Z単結晶薄膜の組成は基板温度に依存するため一概に
規定し難いが、0.05≦Y≦0.15かつ0.10≦Z≦
0.25の範囲になる。この組成のZnMgSSe薄膜
は77Kでのバンドギャップが2.85eVから3.10eV
の範囲にあり、不純物添加によって低抵抗化が可能であ
る。さらに得られた膜の格子定数はGaAsやZnSe
に近く結晶性も優れたものとなる。ゆえにこの組成のZ
nMgSSe薄膜は、デバイス構成材料として極めて重
要である。そして本発明ではZnMgSSe混晶薄膜を
一つの原料で作製できるため、極めて再現性が高くまた
簡便な方法である。Since the compositions Y and Z depend on the substrate temperature, it is difficult to unconditionally define them. However, the relations of Y> Y ′ and Z <Z ′ are satisfied. At a substrate temperature of 100 ° C. to 400 ° C., the adhesion coefficient of Mg is higher than that of Zn, and the adhesion coefficient of S is S
This is because it is smaller than e. Zn 1-Y ' Mg Y' S Z ' Se
1-Z ' (0.02≤Y'≤0.08 and 0.30≤Z'≤0.6
0) Mixed crystal is used as a raw material, and 200 ° C to 350 ° C
Grown on the heated substrate. Zn 1-Y Mg Y S Z Se
Since the composition of the 1-Z single crystal thin film depends on the substrate temperature, it is difficult to define the composition, but 0.05 ≦ Y ≦ 0.15 and 0.10 ≦ Z ≦
It is in the range of 0.25. The ZnMgSSe thin film of this composition has a band gap at 77K of 2.85 eV to 3.10 eV.
And the resistance can be reduced by adding impurities. Further, the lattice constant of the obtained film is GaAs or ZnSe.
And excellent crystallinity. Therefore, Z of this composition
The nMgSSe thin film is extremely important as a device constituent material. Further, in the present invention, a ZnMgSSe mixed crystal thin film can be produced from one raw material, so that the method is extremely reproducible and simple.
【0066】(実施例6)本実施例では、ZnSe化合
物およびZnS化合物を用いて無添加ZnSSe単結晶
薄膜を成長した。図4は、無添加ZnSSe単結晶薄膜
から測定されたフォトルミネッセンス(PL)スペクト
ルである。12KでのPL測定では、436.5nmに自由
励起子発光(EX)および437.3nmにI2発光が観測
される。EX発光が支配的であることは、得られたZn
SSe薄膜、ならびに原料であるZnSe化合物および
ZnS化合物が高純度であることを意味している。Example 6 In this example, a ZnSe single crystal thin film was grown by using a ZnSe compound and a ZnS compound. FIG. 4 is a photoluminescence (PL) spectrum measured from an undoped ZnSSe single crystal thin film. In PL measurements at 12K, I 2 emission is observed in the free exciton emission (E X) and 437.3nm to 436.5nm. It E X emission is dominant, resulting Zn
This means that the SSe thin film and the raw materials of the ZnSe compound and the ZnS compound have high purity.
【0067】得られたZnSXSe1-X薄膜の組成は、X=
0.065であり、この組成を得るための一つの成長条
件は、基板温度280℃で分子線強度がP(ZnSe)
=1.75x10-6TorrかつP(ZnS)=3.5x10
-7Torrである。組成Xは、基板温度および分子線強
度比 P(ZnS)/(P(ZnSe)+P(Zn
S))に依存する。基板温度が高くなると組成Xは小さ
くなる。また前記分子線強度比が大きくなると組成Xは
大きくなる。すなわち280℃よりも低い成長温度で
は、前記分子線強度例のP(ZnS)をより小さくする
必要がある。塩素または窒素を成長中のZnSSeにド
ーピングすることによって、n型またはp型伝導を制御
することができる。The composition of the obtained ZnS X Se 1 -X thin film is represented by X =
0.065, and one growth condition for obtaining this composition is that the substrate temperature is 280 ° C. and the molecular beam intensity is P (ZnSe).
= 1.75 × 10 −6 Torr and P (ZnS) = 3.5 × 10
-7 Torr. The composition X is based on the substrate temperature and the molecular beam intensity ratio P (ZnS) / (P (ZnSe) + P (Zn
S)). As the substrate temperature increases, the composition X decreases. The composition X increases as the molecular beam intensity ratio increases. That is, at a growth temperature lower than 280 ° C., it is necessary to further reduce P (ZnS) in the molecular beam intensity example. By doping the growing ZnSSe with chlorine or nitrogen, n-type or p-type conduction can be controlled.
【0068】(実施例7)本実施例では、ZnSX'Se
1-X'(0<X'<1)混晶を原料として用いて、ZnSXS
e1-X(0<X<1)単結晶薄膜を成長した。(Embodiment 7) In this embodiment, ZnS X ' Se
Using 1-X ' (0 <X'<1) mixed crystal as a raw material, ZnS X S
An e 1-X (0 <X <1) single crystal thin film was grown.
【0069】組成Xは基板温度に依存するため一概に規
定し難いが、X<X’なる関係となる。基板温度100
℃から400℃の範囲ではSの付着係数はSeに比べて
小さいためである。Since the composition X depends on the substrate temperature, it is difficult to define the composition X in a straightforward manner, but the relation X <X ′ is satisfied. Substrate temperature 100
This is because the adhesion coefficient of S is smaller than that of Se in the range of from 400C to 400C.
【0070】(実施例8)本実施例では、ZnSX'Se
1-X'(0.08≦X'≦0.40)混晶を原料として用い、
かつ分子線強度P(ZnSSe)=2.0x10-6Tor
rで200℃から350℃に加熱された基板上にZnS
XSe1-X単結晶薄膜を成長した、得られたZnSXSe
1-X単結晶薄膜の組成は、基板温度に依存するため一概
に規定し難いが、本実施例では、0.03≦X≦0.10
の範囲になった。この組成を有するZnSSe薄膜の格
子定数は、GaAsの格子定数に近く、優れた結晶性を
有するため、デバイス構成材料として極めて重要であ
る。本実施例によれば、ZnSSe混晶薄膜を一つの原
料から作製できるため、極めて再現性が高くまた簡便で
ある。(Embodiment 8) In this embodiment, ZnS X ′ Se
1-X ′ (0.08 ≦ X ′ ≦ 0.40) mixed crystal is used as a raw material,
And molecular beam intensity P (ZnSSe) = 2.0 × 10 −6 Torr
r on the substrate heated from 200 ° C. to 350 ° C.
ZnSe X Se obtained by growing an X Se 1-X single crystal thin film
Although the composition of the 1-X single crystal thin film depends on the substrate temperature, it is difficult to unconditionally define it. However, in this embodiment, 0.03 ≦ X ≦ 0.10
Was in the range. Since the lattice constant of the ZnSSe thin film having this composition is close to the lattice constant of GaAs and has excellent crystallinity, it is extremely important as a device constituent material. According to the present embodiment, the ZnSSe mixed crystal thin film can be manufactured from one raw material, so that reproducibility is extremely high and simple.
【0071】(実施例9)本実施例では、ZnMgSS
eクラッド層(厚さ:1μm)、ZnSSe光ガイド層
(厚さ:0.1μm)、ZnCdSe活性層(厚さ:約
20nm以下)、ZnSSe光ガイド層(厚さ:0.1
μm)、及びZnMgSSeクラッド層(厚さ:1μ
m)を連続的に成長させ、レーザ構造を形成した。(Embodiment 9) In this embodiment, ZnMgSS
e clad layer (thickness: 1 μm), ZnSSe light guide layer (thickness: 0.1 μm), ZnCdSe active layer (thickness: about 20 nm or less), ZnSSe light guide layer (thickness: 0.1 μm)
μm) and a ZnMgSSe cladding layer (thickness: 1 μm).
m) was continuously grown to form a laser structure.
【0072】得られたZnSSe薄膜及びZnMgSS
e薄膜はGaAs基板に格子整合しているが、ZnCd
Se活性層は、GaAsよりも格子定数が大きく、Ga
As基板に格子整合していない。欠陥がZnCdSe薄
膜に導入されない程度に、ZnCdSe薄膜の厚みを薄
く設定している。欠陥が入らないZn1-WCdWSe薄膜
の厚みは、組成Wに依存し一概に規定し難いが、およそ
20nm以下である。The obtained ZnSSe thin film and ZnMgSS
e thin film is lattice-matched to the GaAs substrate, but ZnCd
The Se active layer has a larger lattice constant than GaAs,
No lattice matching with the As substrate. The thickness of the ZnCdSe thin film is set so thin that defects are not introduced into the ZnCdSe thin film. The thickness of the Zn 1-W Cd W Se thin film in which no defect is present depends on the composition W and is difficult to define all together, but is about 20 nm or less.
【0073】組成WとZnCdSe薄膜の室温バンドギ
ャップ(Eg)は、下式で規定される。The composition W and the room-temperature band gap (Eg) of the ZnCdSe thin film are defined by the following equation.
【0074】 Eg(W)/[eV]=2.635−1.235W+0.30W2 −(1.07+W)(0.04+W)/(7.22−W)/(14.89+W) (2) Egの値は、レーザ発振波長のエネルギーに等しくしてい
る。式(2)では、ZnCdSe薄膜の厚さは5nm以上
と仮定し、量子効果によるレーザ発振のブルーシフトを
考慮していない。組成Wは、図5の如く、Cd関連分子
線とZnSe化合物の分子線との強度比に依存する。本
実施例では、ZnSeの分子線強度をP(ZnSe)=
1.75x10-6Torrに、基板温度を280℃に、そ
れぞれ固定して成長を行った。Eg (W) / [eV] = 2.635−1.235 W + 0.30 W 2 − (1.07 + W) (0.04 + W) / (7.22−W) / (14.89 + W) (2) The value of Eg is set equal to the energy of the laser oscillation wavelength. Equation (2) assumes that the thickness of the ZnCdSe thin film is 5 nm or more, and does not consider the blue shift of laser oscillation due to the quantum effect. The composition W depends on the intensity ratio between the Cd-related molecular beam and the ZnSe compound molecular beam as shown in FIG. In this embodiment, the molecular beam intensity of ZnSe is set to P (ZnSe) =
The growth was performed by fixing the substrate temperature to 1.75 × 10 −6 Torr and the substrate temperature to 280 ° C., respectively.
【0075】金属CdとZnSe化合物とを用いた場
合、分子線強度比がP(Cd)/(P(Cd)+P(Z
nSe))≦0.2の領域で、組成Wは直線的に変化す
る。しかし、分子線強度比が0.2以上の領域では、II
族サイトに位置しようとする競合がCdとZnとの間で
起こるため、組成Wは飽和傾向を示す。従って、W=0.
2付近の組成を有するZnCdSe薄膜を得る場合、本
実施例の方法によれば、各加熱蒸発源の分子線強度が変
動しても組成再現性良いZnCdSe薄膜が得られる。When metal Cd and a ZnSe compound are used, the molecular beam intensity ratio is P (Cd) / (P (Cd) + P (Z
In the region of nSe)) ≦ 0.2, the composition W changes linearly. However, in the region where the molecular beam intensity ratio is 0.2 or more, II
Composition W shows a tendency to saturate because competition for positioning at group sites occurs between Cd and Zn. Therefore, W = 0.
When a ZnCdSe thin film having a composition of about 2 is obtained, according to the method of this embodiment, a ZnCdSe thin film having good composition reproducibility can be obtained even if the molecular beam intensity of each heating evaporation source varies.
【0076】CdSe化合物とZnSe化合物とを用い
た場合、任意の分子線強度比P(CdSe)/(P(C
dSe)+P(ZnSe))において、組成Wは直線的
に変化する。CdSe原料によってSeが十分に供給さ
れているため、CdとZn間との間で競合が起こらず、
組成Wは飽和傾向を示さない。本実施例の方法を用いる
と、前記分子線強度比でZnCdSe薄膜の組成Wを自
由に制御することができる。またCdSe化合物からの
分子線強度は、図6の如くセルシャッターの開閉で起こ
るバーストが安定強度に対して1%程度と小さくしかも
1分以内に安定化する。そのため同一組成のZnCdS
e薄膜を活性層に複数導入する多重量子井戸(MQW)構
造を作製することに適している。When a CdSe compound and a ZnSe compound are used, an arbitrary molecular beam intensity ratio P (CdSe) / (P (C
dSe) + P (ZnSe)), the composition W changes linearly. Since Se is sufficiently supplied by the CdSe raw material, no competition occurs between Cd and Zn,
Composition W does not show a tendency to saturate. By using the method of the present embodiment, the composition W of the ZnCdSe thin film can be freely controlled by the molecular beam intensity ratio. Further, as shown in FIG. 6, the intensity of the molecular beam from the CdSe compound is such that the burst generated by opening and closing the cell shutter is as small as about 1% of the stable intensity and is stabilized within one minute. Therefore, ZnCdS of the same composition
It is suitable for producing a multiple quantum well (MQW) structure in which a plurality of e thin films are introduced into an active layer.
【0077】さらに、Zn1-W'CdW'Se(0<W'<1)
混晶を原料として用いた場合、基板温度100℃から4
00℃の範囲でZn1-WCdWSe(0<W<1)単結晶薄
膜を作できた。組成Wは組成W'の値にほぼ等しい値を
示した。Further, Zn 1 -W ′ Cd W ′ Se (0 <W ′ <1)
When a mixed crystal is used as a raw material, a substrate temperature of 100.degree.
A single crystal thin film of Zn 1-W Cd W Se (0 <W <1) was formed in the range of 00 ° C. The composition W showed a value substantially equal to the value of the composition W ′.
【0078】図7は、金属Zn、金属SeおよびZnS
化合物を原料にして作製したn型ZnSXSe1-X(0.
05<X<0.08)単結晶薄膜と、金属Zn、金属Se、
金属MgおよびZnS化合物を原料にして作製したn型
Zn1-YMgYSZSe1-Z(0.05<Y<0.08かつ0.1
3<Z<0.20)単結晶薄膜におけるキャリヤ密度のドー
ピング条件依存性を示している。ここで、ドーピング条
件とは、ZnCl2が充填された蒸発源の温度(TCl)
を意味している。FIG. 7 shows metal Zn, metal Se and ZnS
N-type ZnS x Se 1-x (0.
05 <X <0.08) Single crystal thin film, metal Zn, metal Se,
Mg metal and n-type ZnS compound was prepared in the raw material Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z (0.05 <Y <0.08 and 0.1
3 <Z <0.20) This shows the doping condition dependence of the carrier density in the single crystal thin film. Here, the doping condition means the temperature (T Cl ) of the evaporation source filled with ZnCl 2.
Means
【0079】一方、図8は、ZnSe化合物およびZn
S化合物を原料にして作製したn型ZnSXSe
1-X(0.05<X<0.08)単結晶薄膜と、ZnSe結
晶、金属MgおよびZnS結晶を原料にして作製したn
型Zn1-YMgYSZSe1-Z(0.05<Y<0.08かつ0.
15<Z<0.18)単結晶薄膜におけるキャリヤ密度のド
ーピング条件依存性を示している。FIG. 8 shows a ZnSe compound and a ZnSe compound.
N-type ZnS X Se prepared from S compound
1-X (0.05 <X <0.08) single crystal thin film and ZnSe crystal, metallic Mg and nS fabricated using ZnS crystal as raw materials
Type Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z (0.05 <Y <0.08 and 0.1
15 <Z <0.18) This shows the doping condition dependence of the carrier density in the single crystal thin film.
【0080】図7の薄膜に比べ、図8の薄膜のキャリヤ
密度のバラツキは小さく、再現性が高いことが判る。It can be seen that the carrier density of the thin film of FIG. 8 is smaller than that of the thin film of FIG. 7, and the reproducibility is higher.
【0081】また、図7の薄膜の場合、格子不整が-0.
2%から+0.2%の範囲にあったが、図8の薄膜の場
合、格子不整は-0.12%から+0.12%の範囲にあ
った。格子定数のバラツキが小さいことは、組成のバラ
ツキが小さいことを示している。本発明の結晶成長方法
によれば、組成のバラツキを小さくできるため、格子定
数やキャリヤ密度の再現性が極めて高いことが判明し
た。ただし、分子線強度の変動による組成のズレの幅
は、MBE装置によって異なる。そのため一概にその改
善の程度は特定できないが、同一装置であれば本発明の
結晶成長方法を用いることによって、従来の方法よりも
再現性が向上することが期待できる。Further, in the case of the thin film of FIG.
Whereas the lattice mismatch was in the range of -0.12% to + 0.12% for the thin film of FIG. 8, although it was in the range of 2% to + 0.2%. A small variation in the lattice constant indicates a small variation in the composition. According to the crystal growth method of the present invention, it was found that the reproducibility of the lattice constant and the carrier density was extremely high because the variation in the composition could be reduced. However, the width of the composition deviation due to the fluctuation of the molecular beam intensity differs depending on the MBE apparatus. Therefore, although the degree of the improvement cannot be specified, the reproducibility can be expected to be improved by using the crystal growth method of the present invention as compared with the conventional method if the same apparatus is used.
【0082】本実施例では、Clをドーピングしたn型
半導体のみついて述べたが、Ga、In、Al、Br、I
等の他のドナー性不純物についてもキャリヤ密度の再現
性が向上することは明らかである。またN、As、Pに
よるアクセプタ性不純物添加によるp型半導体において
もキャリヤ密度の再現性が向上することは明らかであ
る。In this embodiment, only the n-type semiconductor doped with Cl has been described, but Ga, In, Al, Br, I
It is clear that the reproducibility of the carrier density is also improved for other donor impurities such as. It is also apparent that the reproducibility of carrier density is improved in a p-type semiconductor by adding an acceptor impurity by N, As, and P.
【0083】(実施例10)次に、図11を参照しなが
ら、本発明による結晶成長方法を用いて半導体レーザを
製造する方法を説明する。図11は、半導体レーザ素子
のクラッド層および光ガイド層および活性層にそれぞれ
ZnMgSSe単結晶薄膜、ZnSSe単結晶薄膜、Z
nCdSe単結晶薄膜を利用している。(Embodiment 10) Next, a method of manufacturing a semiconductor laser using the crystal growth method according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows a ZnMgSSe single crystal thin film, a ZnSSe single crystal thin film,
An nCdSe single crystal thin film is used.
【0084】本実施例では、図2に示すMBE装置に類
似するMBE装置を使用した。従来の方法によれば、使
用する原料は、金属Zn、金属Se、金属Cd、金属M
g、金属Te、ZnS結晶、窒素ガス、塩化亜鉛(ZnC
l2)であった(例えば S.Itoh et al. Japanese
Journal of Applied Physics Vol.32、pp.L1
530-L1532、1993.)。このように、従来方
法では、8種類の原料が必要である。しかし、本実施例
の方法によれば、図2から明らかなように、7種類の原
料で済む。n型およびp型のキャリヤ密度は、それぞれ
ZnCl2によるClドーピングそして窒素プラズマに
よるNドーピングにより制御している。In this embodiment, an MBE device similar to the MBE device shown in FIG. 2 was used. According to the conventional method, the raw materials used are metal Zn, metal Se, metal Cd, metal M
g, metal Te, ZnS crystal, nitrogen gas, zinc chloride (ZnC
l 2 ) (for example, S. Itoh et al. Japanese
Journal of Applied Physics Vol.32, pp.L1
530-L1532, 1993.). Thus, the conventional method requires eight kinds of raw materials. However, according to the method of the present embodiment, as shown in FIG. 2, only seven types of raw materials are required. The n-type and p-type carrier densities are controlled by Cl doping with ZnCl 2 and N doping with nitrogen plasma, respectively.
【0085】まず、n型GaAs基板11上に、n型G
aAs:Siバッファー層(膜厚0.45μm、Nd-Na=2x
1018cm-3)12、n型ZnSe:Clコンタクト層
(膜厚30nm、Nd-Na=6x1017cm-3)13、n型Zn
MgSSe:Clクラッド層(膜厚0.8μm、Nd-Na=4x
1017cm-3)14、n型ZnSSe:Cl光ガイド層
(膜厚85nm、Nd-Na=1x1017cm-3)15、量子井戸
活性層(Zn0.65Cd0.35Se量子井戸層(井戸幅2.
4nm、4層)、ZnSSe障壁層(幅3.4nm、3
層))16、p型ZnSSe:N光ガイド層(膜厚85n
m、Na-Nd=1x1017cm-3)17、p型ZnMgSSe:N
クラッド層(膜厚0.8μm、Na-Nd=3x1017cm-3)1
8、p型ZnSe:Nコンタクト層(膜厚40nm、Na-Nd=
7x1017cm-3)19、p型ZnSe:N/ZnTe:N超格
子コンタクト層(各膜厚2nm、20周期、Na-Nd=1x1
018cm- 3)20、p型ZnTe:Nコンタクト層(膜厚37
nm、Na-Nd=2x1019cm-3)21を順次エピタキシャル
成長する。好ましくは、これらのエピタキシャル成長
は、GaAsバッフィ層を成長するためのMBE装置
と、II-VI族半導体層を成長させるMBE装置とが真空
チューブで連結されたシステム内で連続して実行され
る。First, on an n-type GaAs substrate 11, an n-type G
aAs: Si buffer layer (film thickness 0.45 μm, N d -N a = 2 ×
10 18 cm -3 ) 12, n-type ZnSe: Cl contact layer (thickness 30 nm, N d -N a = 6 × 10 17 cm -3 ) 13, n-type Zn
MgSSe: Cl cladding layer (0.8 μm thickness, N d -N a = 4x
10 17 cm −3 ) 14, n-type ZnSSe: Cl optical guide layer (85 nm in thickness, N d −N a = 1 × 10 17 cm −3 ) 15, quantum well active layer (Zn 0.65 Cd 0.35 Se quantum well layer (well) Width 2.
4 nm, 4 layers), ZnSSe barrier layer (width 3.4 nm, 3
Layer)) 16, p-type ZnSSe: N light guide layer (film thickness 85n)
m, N a -N d = 1 × 10 17 cm −3 ) 17, p-type ZnMgSSe: N
Cladding layer (thickness 0.8μm, N a -N d = 3x10 17 cm -3) 1
8, p-type ZnSe: N contact layer (thickness 40nm, N a -N d =
7x10 17 cm -3) 19, p-type ZnSe: N / ZnTe: N super lattice contact layer (each film thickness 2 nm, 20 cycles, N a -N d = 1x1
0 18 cm - 3) 20, p -type ZnTe: N contact layer (thickness 37
nm, N a −N d = 2 × 10 19 cm −3 ) 21 are sequentially epitaxially grown. Preferably, these epitaxial growths are performed continuously in a system in which an MBE apparatus for growing a GaAs buffy layer and an MBE apparatus for growing a II-VI semiconductor layer are connected by a vacuum tube.
【0086】本実施例では、各半導体層の原料として次
のような原料を用いた。すなわち、ZnSe層の原料
は、ZnSe多結晶化合物である。ZnMgSSe層の
原料は、ZnSe多結晶化合物、ZnS多結晶化合物及
び金属Mgである。ZnSSe層の原料は、ZnSe多
結晶化合物及びZnS多結晶化合物である。ZnCdS
e層の原料は、ZnSe多結晶化合物及びCdSe多結
晶化合物である。In this example, the following materials were used as the materials for each semiconductor layer. That is, the raw material of the ZnSe layer is a ZnSe polycrystalline compound. The raw materials of the ZnMgSSe layer are a ZnSe polycrystalline compound, a ZnS polycrystalline compound, and metallic Mg. The raw materials of the ZnSSe layer are a ZnSe polycrystalline compound and a ZnS polycrystalline compound. ZnCdS
The raw materials for the e-layer are a ZnSe polycrystalline compound and a CdSe polycrystalline compound.
【0087】こうして形成したZnMgSSe薄膜およ
びZnSSe薄膜は、GaAs基板1に格子整合してい
る。ZnMgSSe薄膜のバンドギャップは室温で2.
83eVである。The thus formed ZnMgSSe thin film and ZnSSe thin film are lattice-matched to the GaAs substrate 1. The band gap of the ZnMgSSe thin film is 2.
83 eV.
【0088】次に、ホトリソグラフィー技術により、p
型コンタクト層19〜21をストライプ状にエッチング
する。エッチングにより形成した凹部を絶縁体で埋めた
後。Au電極22を蒸着する。基板21の裏面には、I
n電極23を形成する。こうして、電極ストライプ型の
半導体レーザが得られる。半導体レーザの共振器は、へ
き開によって形成される。Next, by photolithography, p
The mold contact layers 19 to 21 are etched in a stripe shape. After filling the recess formed by etching with an insulator. An Au electrode 22 is deposited. On the back surface of the substrate 21, I
An n-electrode 23 is formed. Thus, a semiconductor laser of an electrode stripe type is obtained. The resonator of the semiconductor laser is formed by cleavage.
【0089】図11に示される半導体レーザのAu電極2
2とIn電極2との間に約13Vの電圧をパルス状に印加
すると、約88mAの電流が流れ、波長約518nmの
レーザ光を得ることができた。測定温度は室温である。
光出力は図12の如く片端面で100mWを越えた。レ
ーザ発振にはZnMgSSeクラッド層およびZnSS
e光ガイド層およびZnCdSe活性層の結晶性が十分
であることが要求されるが、本発明の方法において そ
の結晶性が得られていることが判る。また同様の構造を
いくつか作製したが、しきい電流はほぼ同一の値を示し
再現性が高いことを確認している。なお、活性層のCd
組成は、W=0.35であり。式(2)より期待される
波長555nmよりも短波長の518nmでレーザ発振
している。その理由は、井戸層の厚さが2.4nmと非
常に薄く、量子効果によるブルーシフトが生じたためで
ある。The Au electrode 2 of the semiconductor laser shown in FIG.
When a voltage of about 13 V was applied in a pulse form between the In 2 and the In electrode 2, a current of about 88 mA flowed, and laser light with a wavelength of about 518 nm could be obtained. The measurement temperature is room temperature.
The light output exceeded 100 mW at one end face as shown in FIG. For laser oscillation, ZnMgSSe clad layer and ZnSS
It is required that the e-light guide layer and the ZnCdSe active layer have sufficient crystallinity, and it can be seen that the crystallinity is obtained in the method of the present invention. Although several similar structures were produced, the threshold currents showed almost the same value, confirming that the reproducibility was high. The Cd of the active layer
The composition is W = 0.35. The laser oscillates at 518 nm, which is shorter than the wavelength 555 nm expected from the equation (2). The reason for this is that the thickness of the well layer is extremely thin, 2.4 nm, and a blue shift due to the quantum effect has occurred.
【0090】本実施例では、主原料としてZnSe化合
物、ZnTe化合物、ZnS化合物、CdSe化合物、金
属Mgを用いたが、本発明はこれらの原料に限定されな
い。すなわちZnMgSSe単結晶薄膜は、MgS化合
物あるいはMgSe化合物のいずれか一つとZnSe化
合物とZnS化合物の3種類を原料として、または金属
MgあるいはMgS化合物あるいはMgSe化合物のい
ずれか一つとZnSSe混晶の2種類を原料として、ま
たはZnMgSSe混晶のみを原料として用いても再現
性良く成長することができる。ZnSSe単結晶薄膜
は、ZnSSe化合物を原料として用いても再現性良く
成長することができる。ZnCdSe単結晶薄膜は、金
属CdおよびZnSe化合物を原料として、あるいはZ
nCdSe化合物のみを原料として用いても再現性良く
成長することができる。In this example, ZnSe compounds, ZnTe compounds, ZnS compounds, CdSe compounds, and metallic Mg were used as main raw materials, but the present invention is not limited to these raw materials. That is, the ZnMgSSe single crystal thin film is made of either one of MgS compound or MgSe compound and three kinds of ZnSe compound and ZnS compound, or two kinds of metal Mg or MgS compound or one of MgSe compound and ZnSSe mixed crystal. The growth can be performed with good reproducibility even when the raw material or only the ZnMgSSe mixed crystal is used as the raw material. A ZnSSe single crystal thin film can be grown with good reproducibility even when a ZnSSe compound is used as a raw material. The ZnCdSe single crystal thin film is formed by using metal Cd and a ZnSe compound as raw materials, or
Even if only the nCdSe compound is used as a raw material, growth can be performed with good reproducibility.
【0091】[0091]
【発明の効果】以上のように、本発明はZnMgSSe
単結晶薄膜、ZnSSe単結晶薄膜、ZnCdSe単結
晶薄膜を高い組成再現性および高いキャリヤ密度再現性
および低コストで結晶成長を実現することを可能とする
ものであり、これらの材料から構成されるデバイスを再
現性良く、低コストに供給するものである。As described above, the present invention provides a ZnMgSSe
A single crystal thin film, a ZnSSe single crystal thin film, and a ZnCdSe single crystal thin film that can realize crystal growth with high composition reproducibility, high carrier density reproducibility, and low cost. Is supplied with good reproducibility and at low cost.
【図1】従来のMBE装置の構造断面図模式図。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the structure of a conventional MBE apparatus.
【図2】本発明で使用するMBE装置の構造断面図模式
図。FIG. 2 is a schematic sectional view of a structure of an MBE apparatus used in the present invention.
【図3】12KにおけるClドープZnMgSSe薄膜
のPLスペクトルを示すグラフ。FIG. 3 is a graph showing a PL spectrum of a Cl-doped ZnMgSSe thin film at 12K.
【図4】12Kにおける無添加ZnSSe薄膜のPLス
ペクトルを示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing a PL spectrum of a ZnSSe-free thin film at 12K.
【図5】Zn1-WCdWSe薄膜の組成Wと分子線強度比
(P(Cd)/(P(Cd)+P(ZnSe))、 P
(CdSe)/(P(CdSe)+P(ZnSe))の
関係を示すグラフ。FIG. 5 shows the composition W of the Zn 1-W Cd W Se thin film and the molecular beam intensity ratio (P (Cd) / (P (Cd) + P (ZnSe));
The graph which shows the relationship of (CdSe) / (P (CdSe) + P (ZnSe)).
【図6】シャッター開閉によるCdSe分子線強度の変
化を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a change in CdSe molecular beam intensity due to opening and closing of a shutter.
【図7】従来方法により作製したn型ZnSSe薄膜
(白丸)およびn型ZnMgSSe薄膜(黒丸)のキャ
リヤ密度のドーピング条件依存性を示すグラフ。FIG. 7 is a graph showing the doping condition dependence of the carrier density of an n-type ZnSSe thin film (open circle) and an n-type ZnMgSSe thin film (black circle) manufactured by a conventional method.
【図8】本発明の方法により作製したn型ZnSSe薄
膜(白丸)およびn型ZnMgSSe薄膜(黒丸)のキ
ャリヤ密度のドーピング条件依存性を示すグラフ。FIG. 8 is a graph showing the doping condition dependence of the carrier density of the n-type ZnSSe thin film (open circle) and the n-type ZnMgSSe thin film (black circle) manufactured by the method of the present invention.
【図9】従来の方法で成長中のZnSe薄膜表面から得
られたRHEEDパターンの分子線強度比(JSe/JZn)と
基板温度とに対する依存性を示すグラフ。FIG. 9 is a graph showing the dependence of the RHEED pattern obtained from the surface of a ZnSe thin film growing by a conventional method on the molecular beam intensity ratio (J Se / J Zn ) and the substrate temperature.
【図10】本発明の方法で成長中のZnSe薄膜表面か
ら得られたRHEEDパターンの基板温度依存性を示す図。FIG. 10 is a diagram showing the substrate temperature dependence of an RHEED pattern obtained from the surface of a ZnSe thin film growing by the method of the present invention.
【図11】本発明の方法を用いて製造した半導体レーザ
の構造断面図。FIG. 11 is a structural sectional view of a semiconductor laser manufactured by using the method of the present invention.
【図12】図11の半導体レーザの光出力−電流特性を
示すグラフ。FIG. 12 is a graph showing light output-current characteristics of the semiconductor laser of FIG. 11;
1〜6 加熱蒸発源 8 プラズマセル 9 基板加熱機構 10 基板 11 n型GaAs基板 12 n型GaAs:Siバッファー層 13 n型ZnSe:Clコンタクト層 14 n型ZnMgSSe:Clクラッド層 15 n型ZnSSe:Cl光ガイド層 16 量子井戸活性層 17 p型ZnSSe:N光ガイド層 18 p型ZnMgSSe:Nクラッド層 19 p型ZnSe:Nコンタクト層 20 p型ZnSe:N/ZnTe:N超格子コンタクト層 21 p型ZnTe:Nコンタクト層 81 窒素ガスホンベ 1-6 Heat evaporation source 8 Plasma cell 9 Substrate heating mechanism 10 Substrate 11 n-type GaAs substrate 12 n-type GaAs: Si buffer layer 13 n-type ZnSe: Cl contact layer 14 n-type ZnMgSSe: Cl cladding layer 15 n-type ZnSSe: Cl Optical guide layer 16 Quantum well active layer 17 p-type ZnSSe: N optical guide layer 18 p-type ZnMgSSe: N cladding layer 19 p-type ZnSe: N contact layer 20 p-type ZnSe: N / ZnTe: N superlattice contact layer 21 p-type ZnTe: N contact layer 81 Nitrogen gas
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/363 H01L 21/203 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/363 H01L 21/203
Claims (12)
合物からなる群から選択された何れか一つの材料と、Z
nSe化合物と、ZnS化合物とを別々の加熱蒸発源に
それぞれ充填する工程と、 該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御することによ
って、加熱した基板上にZn1-YMgYSZSe1-Z(0<Y
<1かつ0<Z<1)単結晶薄膜を結晶成長させる工程と、
を包含する結晶成長方法。1. A material selected from the group consisting of metallic Mg, MgS compound and MgSe compound,
filling the nSe compound and the ZnS compound into separate heating evaporation sources, and controlling the temperature and the molecular beam intensity of the heating evaporation source to form a Zn 1-Y Mg Y S Z Se on the heated substrate. 1-Z (0 <Y
<1 and 0 <Z <1) a step of growing a single crystal thin film,
A crystal growth method comprising:
合物からなる群から選択された何れか一つの材料と、Z
nSX'Se1-X'(0<X'<1)混晶とを別々の加熱蒸発源
にそれぞれ充填する工程と、 該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御することによ
って、加熱した基板上にZn1-YMgYSZSe1-Z(0<Y
<1かつ0<Z<1)単結晶薄膜を結晶成長させる工程と、
を包含する結晶成長方法。2. A material selected from the group consisting of metallic Mg, MgS compound and MgSe compound,
a step of filling nS X ′ Se 1−X ′ (0 <X ′ <1) mixed crystal into separate heating evaporation sources, and heating by controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation sources. On the substrate, Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z (0 <Y
<1 and 0 <Z <1) a step of growing a single crystal thin film,
A crystal growth method comprising:
かつ0<Z'<1)混晶を加熱蒸発源に充填する工程と、 該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御することによ
って、加熱した基板上にZn1-YMgYSZSe1-Z(0<Y
<1かつ0<Z<1)単結晶薄膜を結晶成長させる工程と、
を包含する結晶成長方法。3. The method according to claim 1, wherein Zn 1-Y ′ Mg Y ′ S Z ′ Se 1-Z ′ (0 <Y ′ <1
And 0 <Z '<1) and filling a mixed crystal heating evaporation source, by controlling the temperature and the molecular beam intensity of the heating evaporation sources, the heated substrate Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z (0 <Y
<1 and 0 <Z <1) a step of growing a single crystal thin film,
A crystal growth method comprising:
≦Y'≦0.08かつ0.30≦Z'≦0.60の混晶を前記
加熱蒸発源に充填し、Zn1-YMgYSZSe1-Z(0.0
5≦Y≦0.15かつ0.10≦Z≦0.25)単結晶薄膜
を結晶成長させる請求項3に記載の結晶成長方法。4. Zn 1-Y ′ Mg Y ′ S Z ′ Se 1-Z ′ (0.02
The mixed crystal of ≦ Y '≦ 0.08 and 0.30 ≦ Z' ≦ 0.60 was charged into the heating evaporation source, Zn 1-Y Mg Y S Z Se 1-Z (0.0
5 ≦ Y ≦ 0.15 and 0.10 ≦ Z ≦ 0.25) The crystal growth method according to claim 3, wherein the single crystal thin film is grown.
々の加熱蒸発源に充填する工程と、 該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御することによ
って、加熱した基板上にZnSXSe1-X(0<X<1)単
結晶薄膜を結晶成長させる工程と、を包含する結晶成長
方法。5. A step of filling a ZnSe compound and a ZnS compound into separate heating evaporation sources, and controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation sources to form ZnS x Se 1-x ( 0 <X <1) a step of crystal growing a single crystal thin film.
熱蒸発源に充填する工程と、 該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御することによ
って、加熱した基板上にZnSXSe1-X(0<X<1)単
結晶薄膜を結晶成長させる工程と、を包含する結晶成長
方法。6. A step of filling a mixed crystal of ZnS X ′ Se 1-X ′ (0 <X ′ <1) into a heating evaporation source, and controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation source to heat the mixture. Crystal growing a ZnS x Se 1-x (0 <x <1) single crystal thin film on the substrate obtained.
0)混晶を加熱蒸発源に充填し、加熱した基板上にZn
SXSe1-X(0.03≦X≦0.10)単結晶薄膜を結晶
成長させる請求項6に記載の結晶成長方法。7. ZnS X ′ Se 1-X ′ (0.08 ≦ X ′ ≦ 0.4
0) The mixed crystal was filled in a heating evaporation source, and Zn was placed on the heated substrate.
S X Se 1-X (0.03 ≦ X ≦ 0.10) crystal growth method according to claim 6, a single crystal thin film is grown.
ら選択した何れか一つの材料と、ZnSe化合とを別々
の加熱蒸発源にそれぞれ充填する工程と、 該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御することによ
って、加熱した基板上にZn1-WCdWSe(0<W<1)
単結晶薄膜を結晶成長させる結晶成長方法。8. A step of filling any one of a material selected from the group consisting of metallic Cd and CdSe compounds and a ZnSe compound into separate heating evaporation sources, respectively; By controlling, Zn 1-W Cd W Se (0 <W <1)
A crystal growth method for growing a single crystal thin film.
加熱蒸発源に充填する工程と、 該加熱蒸発源の温度及び分子線強度を制御することによ
って、加熱した基板上にZn1-WCdWSe(0<W<1)
単結晶薄膜を結晶成長させる工程と、を包含する結晶成
長方法。9. A step of filling a mixed crystal of Zn 1-W ′ Cd W ′ Se (0 <W ′ <1) into a heating evaporation source, and controlling the temperature and molecular beam intensity of the heating evaporation source. Zn 1-W Cd W Se (0 <W <1) on the heated substrate
Crystal growing a single crystal thin film.
ら400℃の範囲内に設定する請求項1から請求項9の
何れかに記載の結晶成長方法。10. The crystal growth method according to claim 1, wherein the temperature of the heated substrate is set in a range from 100 ° C. to 400 ° C.
用いて単結晶薄膜を形成する工程を包含する半導体装置
の製造法。11. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a single-crystal thin film using the crystal growth method according to claim 1.
法を用いて、Zn1- WCdWSe(0<W<1)単結晶薄膜
からなる量子井戸層を形成し、請求項5または6に記載
の結晶成長方法を用いて、ZnSXSe1-X(0<X<1)
単結晶薄膜からなる障壁層を形成し、それによって量子
井戸活性層を形成する半導体装置の製造方法。12. A quantum well layer comprising a Zn 1- W Cd W Se (0 <W <1) single crystal thin film is formed by using the crystal growth method according to claim 8 or 9. 6, ZnS x Se 1-x (0 <X <1)
A method of manufacturing a semiconductor device in which a barrier layer made of a single crystal thin film is formed, and thereby a quantum well active layer is formed.
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