(57)【要約】 【課題】  不純物を低減して、りん分子線を発生させることができる分子線源、分子線源使用方法および分子線源を用いた分子線結晶成長装置を提供する。【解決手段】  分子線源６は赤りん収容手段２、トラップ手段７および解離手段３を含んで構成される。赤りん収容手段２内にりん材料を収容し、加熱して気化させると、りんよりも蒸気圧が高いＨ２ＯおよびＨ３ＰＯ４は、りんに先立って気化するので、加熱開始後の初期に発生した気体を排出することによって除去され、りん材料はトラップ手段７へ移動する。トラップ手段７内の温度はＰ２Ｏ５が融解する温度よりも低く、黄りんが凝固する温度よりも高いので、気液平衡状態のりん材料がトラップ手段７を通過する際、りんよりも蒸気圧が低いＰ２Ｏ５などのりん酸化物はトラップ手段７の内壁に析出し、りん材料から除去される。その後解離手段３においてＰ４分子からＰ２分子に分解され、りん分子線が発生する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤りんを含有するりん材料を収容する赤りん収容手段と、
前記赤りん収容手段を加熱する加熱手段と、
前記赤りん収容手段と連通していて、前記赤りん収容手段よりも低い温度で、前記りん材料中の不純物を析出させ除去するトラップ手段と、
前記トラップ手段の温度を保持する温度保持手段と、
前記トラップ手段と連通していて、りんを４原子分子から２原子分子に分解する解離手段とを備えることを特徴とする分子線源。
【請求項２】
前記トラップ手段と前記解離手段との間に黄りんを液体として収容する黄りん収容手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の分子線源。
【請求項３】
前記黄りん収容手段と前記解離手段との間に、前記黄りん収容手段から前記解離手段へ移動する気体の流量を調節する第１のバルブを備えることを特徴とする請求項２に記載の分子線源。
【請求項４】
前記トラップ手段と前記黄りん収容手段との間に、前記トラップ手段から前記黄りん収容手段へ移動する気体または液体の流量を調節する第２のバルブを備えることを特徴とする請求項３に記載の分子線源。
【請求項５】
前記赤りん収容手段と前記トラップ手段との間に、前記赤りん収容手段から前記トラップ手段へ移動する気体の流量を調節する第３のバルブを備えることを特徴とする請求項４に記載の分子線源。
【請求項６】
前記トラップ手段はコイル状になっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項７】
前記トラップ手段の内壁は凹凸状になっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項８】
前記トラップ手段は、りんの進行方向に対して垂直に、１枚のトラップ板を備え、
前記トラップ板は、前記トラップ手段の内部空間を塞いでおり、
前記トラップ板には１つの貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項９】
前記トラップ手段は、りんの進行方向に対して垂直に、複数のトラップ板を備え、
前記トラップ板は、前記トラップ手段の内部空間を塞いでおり、
前記トラップ板には１つの貫通孔が設けられ、
前記貫通孔は、隣接するトラップ板どうしで互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項１０】
前記トラップ手段の内部は二重筒構造になっており、
前記トラップ手段の外筒内壁は凹凸状になっており、
前記トラップ手段の内筒は、りんの進行方向と反対側に底部を有しており、
りんは前記トラップ手段の二重筒の外筒と内筒との間を通過し、
前記温度保持手段は前記トラップ手段の外側に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項１１】
前記トラップ手段は前記トラップ手段内に存在する気体を排出する排気手段と、
トラップ手段両端にトラップ手段内部を密閉するための開閉バルブとを備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項１２】
前記トラップ手段内部の温度が８０℃以上１００℃以下であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の分子線源。
【請求項１３】
請求項１に記載の分子線源が、
前記解離手段と連通していて、りんの２原子分子を、分子線を照射するための照射材料として用いて、りん分子線を照射する照射手段を備えることを特徴とする分子線結晶成長装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の分子線源を用いて、分子線を発生させる分子線源使用方法であって、
前記赤りん収容手段に赤りんを含有するりん材料を収容する赤りん収容工程と、
前記赤りん収容手段を前記赤りん収容手段加熱手段によって加熱して、前記りん材料を気化させる気化工程と、
前記気化工程において初期に気化した不純物を排出する第１不純物除去工程と、
前記トラップ手段で気化した赤りんを黄りんとして液化させる液化工程と、
前記トラップ手段で析出した不純物を除去する第２不純物除去工程と、
液化した黄りんを気化させて４原子分子から２原子分子に分解する解離工程とを含むことを特徴とする分子線源使用方法。
【請求項１５】
請求項２に記載の分子線源を用いて、分子線を発生させる分子線源使用方法であって、
前記赤りん収容手段に赤りんを含有するりん材料を収容する赤りん収容工程と、
前記赤りん収容手段を前記赤りん収容手段加熱手段によって加熱して、前記りん材料を気化させる気化工程と、
前記気化工程において初期に気化した不純物を排出する第１不純物除去工程と、
前記トラップ手段で気化した赤りんを黄りんとして液化させる液化工程と、
前記トラップ手段で析出した不純物を除去する第２不純物除去工程と、
液化した黄りんを黄りん収容手段に収容する黄りん収容工程と、
液化した黄りんを気化させて４原子分子から２原子分子に分解する解離工程とを特徴とする分子線源使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子線を発生させる分子線源および分子線源使用方法に関し、たとえば半導体を分子線結晶成長させる分子線結晶成長装置に用いられる分子線源に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子または発光ダイオード等の作製のために分子線結晶成長（Molecular 
Beam Epitaxy：略称ＭＢＥ）法などの薄膜成長法が用いられ、盛んに研究、開発、実用化されている。ＭＢＥ法を実現するためには、分子がビーム状に進む分子線を発生させる分子線源が用いられる。たとえば特許文献１には、有機金属を用いたＭＢＥ法に好適な有機金属供給量制御方法が開示されている。またＶ族分子線を発生させる分子線源の１つであるりん分子線源が実用化されており、たとえば非特許文献１に開示されている。
【０００３】
りん（Ｐ）を含む化合物半導体のうち、AlGaInP/GaInP系結晶は赤色発光の半導体レーザ素子あるいは赤色または橙色発光の発光ダイオードとして、またInP/InGaAsP系結晶は通信用赤外半導体レーザ素子として広く活用されており、その結晶成長の一手法としてＭＢＥ法が用いられる。ＭＢＥ法は、超高真空中で結晶を構成するりんの分子線を供給し、成長室内で基板面に結晶成長させる方法である。りんの供給源としては、図１１または図１２に示すような分子線源が用いられている。
【０００４】
図１１は、従来技術の分子線源１を簡略化して示す図である。分子線源１は、赤りん材料が収容される赤りん収容手段２と、赤りん収容手段２と連通して形成される解離手段３とを有する。ここで赤りん材料とは、赤りんを主成分とする材料を意味し、赤りんのほか、水（Ｈ２Ｏ）、りん酸（Ｈ３ＰＯ４）および五酸化二りん（Ｐ２Ｏ５）などが含まれる材料である。
【０００５】
赤りん収容手段２は図示しないヒータ等によって加熱され、赤りん材料が昇華して発生したりんは、解離手段３を通して分子線として図示しない成長室内で基板面へ供給される。この解離手段３は、図示しないヒータ等によってたとえば１０００℃に加熱されており、ここをりんが通過する際、りんの分子線は、熱エネルギーを与えられることによってＰ４分子からＰ２分子に分解される。
【０００６】
図１２は、従来技術の分子線源４を簡略化して示す図である。分子線源４は、赤りん材料が収容される赤りん収容手段２と、赤りん収容手段２に隣接する黄りん収容手段５と、黄りん収容手段５と連通して形成される解離手段３と、黄りん収容手段５および解離手段３の間にニードルバルブ１０とを有する。
【０００７】
赤りん収容手段２は図示しないヒータ等によって加熱され、赤りん材料が昇華して発生したりんは、一旦冷却されて黄りん収容手段５内で液体の黄りんとして貯蔵される。この液体黄りんと液相気相の平衡状態になっている黄りん収容手段５内のりん蒸気は、解離手段３を通して分子線として図示しない成長室内で基板面へ供給される。ニードルバルブ１０によって、図示しない成長室内に供給されるりん分子線量すなわち基板に供給されるりん分子線量を調整する。ニードルバルブ１０によって、りんの流量を調整し、また停止することなどが可能となる。また解離手段３は、図示しないヒータ等によってたとえば１０００℃に加熱されており、ここをりんが通過する際、りんの分子線は、熱エネルギーを与えられることによってＰ４分子からＰ２分子に分解される。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２７５３４９号公報
【非特許文献１】著者の氏名：ＲＩＢＥＲ社、表題：「MBE SOURCES、Valved Cracking Effusion Cells、KPC Series、Handling of solid phosphorus」、PDFファイル、関連箇所：１頁、図、「on line」、掲載年月日：不明、掲載者：ＲＩＢＥＲ社、掲載場所：ＲＩＢＥＲ社  ホームページ、検索日：2006年6月12日、情報源およびアドレス：http://www.riber.com/pdf/produit/flyer_KPC.pdf
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１１または図１２に示す従来技術の分子線源を用いた分子線源使用方法では、赤りん収容手段２を加熱手段によって加熱する初期の段階で、りんの分子線によって成長したりん結晶薄膜中に不純物が検出される。その後一旦不純物は検出されなくなるが、りんの分子線量が増えるにつれて再度不純物が検出されるようになる。これによってりん材料中には、初期の加熱段階で気化する第１の不純物と、りん材料中に最後まで残留し、りんに混入して成長室内に放出される第２の不純物とが存在することがわかる。第１の不純物としては、Ｈ２ＯまたはＨ３ＰＯ４が、第２の不純物としてはＰ２Ｏ５がある。
【００１０】
成長室内で分子線発生時に、それらの不純物がりんとともに基板面に供給されると、基板面に成長する結晶薄膜の酸素濃度が高くなり、結晶薄膜の品質が低下してしまうという問題がある。たとえばＭＢＥ法を用いて半導体結晶薄膜を形成する場合、その半導体結晶薄膜の酸素濃度が高くなることに起因して、結晶の発光効率が悪くなり、その半導体結晶薄膜を有する半導体レーザ素子または発光ダイオードの特性が悪化するという問題がある。特に半導体レーザ素子においては、しきい値電流および動作電流の増加ならびに低寿命化が、発光ダイオードにおいては、発光効率の低下が問題となる。
【００１１】
また不純物が成長室内に放出されると、成長室の汚染源となるという問題もある。
本発明の目的は、不純物を低減して、りん分子線を発生させることができる分子線源、分子線源使用方法および分子線源を用いた分子線結晶成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、赤りんを含有するりん材料を収容する赤りん収容手段と、
前記赤りん収容手段を加熱する加熱手段と、
前記赤りん収容手段と連通していて、前記赤りん収容手段よりも低い温度で、前記りん材料中の不純物を析出させ除去するトラップ手段と、
前記トラップ手段の温度を保持する温度保持手段と、
前記トラップ手段と連通していて、りんを４原子分子から２原子分子に分解する解離手段とを備えることを特徴とする分子線源である。
【００１３】
また本発明は、前記トラップ手段と前記解離手段との間に黄りんを液体として収容する黄りん収容手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記黄りん収容手段と前記解離手段との間に、前記黄りん収容手段から前記解離手段へ移動する気体の流量を調節する第１のバルブを備えることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記トラップ手段と前記黄りん収容手段との間に、前記トラップ手段から前記黄りん収容手段へ移動する気体または液体の流量を調節する第２のバルブを備えることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記赤りん収容手段と前記トラップ手段との間に、前記赤りん収容手段から前記トラップ手段へ移動する気体の流量を調節する第３のバルブを備えることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記トラップ手段はコイル状になっていることを特徴とする。
また本発明は、前記トラップ手段の内壁は凹凸状になっていることを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記トラップ手段は、りんの進行方向に対して垂直に、１枚のトラップ板を備え、
前記トラップ板は、前記トラップ手段の内部空間を塞いでおり、
前記トラップ板には１つの貫通孔が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、前記トラップ手段は、りんの進行方向に対して垂直に、複数のトラップ板を備え、
前記トラップ板は、前記トラップ手段の内部空間を塞いでおり、
前記トラップ板には１つの貫通孔が設けられ、
前記貫通孔は、隣接するトラップ板どうしで互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、前記トラップ手段の内部は二重筒構造になっており、
前記トラップ手段の外筒内壁は凹凸状になっており、
前記トラップ手段の内筒は、りんの進行方向と反対側に底部を有しており、
りんは前記トラップ手段の二重筒の外筒と内筒との間を通過し、
前記温度保持手段は前記トラップ手段の外側に設けられていることを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、前記トラップ手段は前記トラップ手段内に存在する気体を排出する排気手段と、
トラップ手段両端にトラップ手段内部を密閉するための開閉バルブとを備えることを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、前記トラップ手段内部の温度が８０℃以上１００℃以下であることを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、前記分子線源が、
前記解離手段と連通していて、りんの２原子分子を、分子線を照射するための照射材料として用いて、りん分子線を照射する照射手段を備えることを特徴とする分子線結晶成長装置である。
【００２４】
また本発明は、前記分子線源を用いて、分子線を発生させる分子線源使用方法であって、
前記赤りん収容手段に赤りんを含有するりん材料を収容する赤りん収容工程と、
前記赤りん収容手段を前記赤りん収容手段加熱手段によって加熱して、前記りん材料を気化させる気化工程と、
前記気化工程において初期に気化した不純物を排出する第１不純物除去工程と、
前記トラップ手段で気化した赤りんを黄りんとして液化させる液化工程と、
前記トラップ手段で析出した不純物を除去する第２不純物除去工程と、
液化した黄りんを気化させて４原子分子から２原子分子に分解する解離工程とを含むことを特徴とする分子線源使用方法である。
【００２５】
また本発明は、前記分子線源を用いて、分子線を発生させる分子線源使用方法であって、
前記赤りん収容手段に赤りんを含有するりん材料を収容する赤りん収容工程と、
前記赤りん収容手段を前記赤りん収容手段加熱手段によって加熱して、前記りん材料を気化させる気化工程と、
前記気化工程において初期に気化した不純物を排出する第１不純物除去工程と、
前記トラップ手段で気化した赤りんを黄りんとして液化させる液化工程と、
前記トラップ手段で析出した不純物を除去する第２不純物除去工程と、
液化した黄りんを黄りん収容手段に収容する黄りん収容工程と、
液化した黄りんを気化させて４原子分子から２原子分子に分解する解離工程とを特徴とする分子線源使用方法である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、赤りん収容手段と連通してトラップ手段が設けられており、トラップ手段内の温度は赤りん収容手段内の温度よりも低く保持されている。赤りん収容手段を加熱手段によって加熱すると、りんが気化するが、りんよりも蒸気圧が低いＰ２Ｏ５などのりん酸化物は気化せずに原料中に残留し、原料のりん材料が気化して減っていくほど濃縮される。りん材料中に混入するＰ２Ｏ５の割合が増加すると、Ｐ２Ｏ５はりんに混入してトラップ手段内に放出されるが、トラップ手段内の温度を赤りん収容手段内の温度よりも低くしてＰ２Ｏ５を析出させることによって、りんよりも蒸気圧が低いＰ２Ｏ５などのりん酸化物を、気化したりん材料から除去することができる。
【００２７】
また本発明によれば、分子線源には、トラップ手段と解離手段との間に、黄りんを液体として収容する黄りん収容手段が備えられる。
【００２８】
液体として黄りんを貯蔵することによって、発生させる分子線の量を調整することが容易になる。
【００２９】
また本発明によれば、黄りん収容手段と解離手段との間に第１のバルブが備えられる。
第１のバルブを閉じた状態で、トラップ手段から黄りん収容手段にりんを移動させることによって、トラップ手段内に存在する気化したりんが解離手段に直接移動することができない。これによってトラップ手段内に存在する気化したりんが直接解離手段に漏れることを防ぎ、黄りん収容手段に確実に収容されるので、発生させる分子線の量を調整することが容易になる。
【００３０】
また本発明によれば、トラップ手段と黄りん収容手段との間に第２のバルブが備えられる。
【００３１】
トラップ手段と黄りん収容手段との間で気体を移動させるときに第２のバルブを開き、それ以外のときに閉じることによって、赤りん収容手段からトラップ手段へりんが移動する場合と、黄りん収容手段から解離手段へりんが移動する場合とに、いずれか他方の空間への影響を防ぐことができる。
【００３２】
また本発明によれば、赤りん収容手段とトラップ手段との間に第３のバルブが備えられる。
【００３３】
第３のバルブを閉じた状態で、トラップ手段から黄りん収容手段にりんを移動させることによって、トラップ手段内に存在する気化したりんが赤りん収容手段に戻ることを防ぐことができる。これによってりんが赤りん収容手段とトラップ手段とを往復することを防ぎ、効率的にりんを黄りん収容手段へ移動させることができる。
【００３４】
また本発明によれば、トラップ手段はコイル状になっている。
これによって気化したりんが通過する距離が長くなるので、効率的にりん酸化物などの不純物を析出させることができる。
【００３５】
また本発明によれば、トラップ手段の内壁は凹凸状になっている。
これによって内壁の面積が増加し、りん酸化物は内壁に析出するので、効率的にりん酸化物を析出させることができる。
【００３６】
また本発明によれば、トラップ手段には、りんの進行方向に対して垂直に、１枚のトラップ板が備えられ、トラップ板はトラップ手段の内部空間を塞いでおり、トラップ板には１つの貫通孔が設けられている。
【００３７】
トラップ手段に移動してきたりん材料がトラップ板に衝突する際に、りん酸化物がトラップ板上に析出し、りんは貫通孔を通過するので、効率的にりん酸化物を析出させ除去することができる。
【００３８】
また本発明によれば、トラップ手段には、りんの進行方向に対して垂直に、複数のトラップ板が備えられ、トラップ板はトラップ手段の内部空間を塞いでおり、トラップ板は１つの貫通孔を備え、トラップ板が複数の場合は、穴の位置は隣接するトラップ板どうしで互いに異なる。
【００３９】
トラップ手段に移動してきたりん材料がトラップ板に衝突する際に、りん酸化物がトラップ板上に析出し、りんは貫通孔を通過するので、効率的にりん酸化物を析出させることができる。また隣接するトラップ板どうしで貫通孔の位置が異なるので、りん材料がトラップ板に衝突する回数が増えるので、より効率的にりん酸化物を析出させ除去することができる。
【００４０】
また本発明によれば、トラップ手段の内部は二重筒構造に、外筒内壁は凹凸状になっており、また内筒はりんの進行方向と反対側に底部を有している。りんは内筒の底部にさえぎられ進行方向を変え、二重筒の外筒と内筒との間を通過する。また温度保持手段はトラップ手段の外側に設けられている。
【００４１】
二重筒構造となっていることおよび外筒内壁が凹凸状になっていることによって、外筒内壁の表面積が増加する。またトラップ手段は外部から加熱されているので、二重筒の外筒と内筒との間を通過することによって、より効率的に加熱手段の影響を受ける。
【００４２】
また本発明によれば、トラップ手段にはトラップ手段内に存在する気体を排出する排気手段と、トラップ手段両端にバルブとが備えられている。
【００４３】
一定量のりんを通過させた後に、トラップ手段の両端のバルブを閉じ、トラップ手段の温度を高くして、トラップ手段に付着したりん酸化物を気化させ、排気口から外部へ排気することができる。これによって、トラップ効率の改善と、トラップしたりん酸化物が再度気化することによる汚染を防ぐことができる。
【００４４】
また本発明によれば、トラップ手段の温度は８０℃以上１００℃以下である。
８０℃以上とするのは、黄りん収容手段の温度である約７０℃よりも低いと、黄りん収容手段にりんが貯蔵されないためである。
【００４５】
１００℃以下とするのは、トラップ手段によって除去すべきりん酸化物などの不純物が１００℃を超えると析出しにくくなり、不純物除去の効率が低下するためである。
【００４６】
また本発明によれば、分子線結晶成長装置によって、分子線源から発生した分子線を成長室内で基板面に照射する。
【００４７】
この装置によって照射される分子線に含まれる不純物は低減されているので、成長室内で分子線を発生させて、高品質の結晶薄膜を形成することができる。
【００４８】
また本発明によれば、赤りん収容手段に赤りんを含有するりん材料を収容したあと、赤りん収容手段を加熱して、りん材料を気化させ、この際りんよりも先に気化した不純物をあらかじめ排出して除去する。次にトラップ手段に存在する気化した赤りんを黄りんとして液化させ、この際温度を低くすることによって不純物を析出させ除去する。液化した黄りんを気化して４原子分子から２原子分子に分解する。
【００４９】
りん材料が赤りん収容手段において気化する際に、りんよりも蒸気圧が高いＨ２ＯおよびＨ３ＰＯ４等の不純物は、りんよりも早く気化するので、加熱開始後の初期に気化した気体を、先に排出することによって除去することができ、りんよりも蒸気圧の低いＰ２Ｏ５などの不純物は、トラップ手段において析出させて除去することができる。このようにりん材料に含有される不純物を除去して、分子線に含まれる酸素濃度を低減することができる。このような本発明の分子線源使用方法を行うことによって、分子線結晶層に不純物が混入することが抑えられ、結晶の品質を向上させることができる。
【００５０】
また本発明によれば、赤りん収容手段に赤りんを含有するりん材料を収容したあと、赤りん収容手段を加熱して、りん材料を気化させ、この際りんよりも先に気化した不純物をあらかじめ排出して除去する。次にトラップ手段内に存在する気化した赤りんを黄りんとして液化させ、この際温度を低くすることによって不純物を析出させ除去する。次に液化した黄りんを黄りん収容手段に収容する。液化した黄りんを気化して４原子分子から２原子分子に分解する。
【００５１】
りん材料が赤りん収容手段において気化する際に、りんよりも蒸気圧が高いＨ２ＯおよびＨ３ＰＯ４等の不純物は、りんよりも早く気化するので、加熱開始後の初期に気化した気体を、先に排出することによって除去することができ、りんよりも蒸気圧の低いＰ２Ｏ５などの不純物は、トラップ手段において析出させて除去することができる。また一旦黄りん収容手段に収容することによって、発生させる分子線量を調整することが容易になる。このようにりん材料に含有される不純物を除去して、分子線に含まれる酸素濃度を低減することができる。このような本発明の分子線源使用方法を行うことによって、分子線結晶層に不純物が混入することが抑えられ、結晶の品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
単体のりんには、１０種以上の同素体がある。主な同素体は黄りん（精製した無色のものは白りんともよばれる。）であり、黄りんを約３００℃に加熱して得られる無定形の赤りん、黄りんに圧力を加えると得られる非晶質および結晶質の黒りんなどがある。熱力学的に最も安定な同素体は黒りんであるが、通常黄りんが熱力学的基準とされている。融点は同素体の種類によってかなり大きく異なるが、融解状態は同じＰ４分子からなる。気化してもＰ４分子として存在するが、１気圧下において８００℃以上になるとＰ２分子との平衡となり、１８００℃で５０％のＰ４がＰ２となる。さらに高温では単原子のＰも存在する。
【００５３】
分子線源は、分子がビーム状に進む分子線を発生させる装置であって、ＭＢＥ法を行う分子線結晶成長装置に用いられる。たとえば分子線結晶成長装置において、基板面に供給されるＶ族分子であるりん分子線に対して、適当な条件でＩＩＩ族分子を基板面に供給することによって、基板面にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を結晶成長させることができる。
【００５４】
ＩＩＩ族分子は、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）などである。またＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜として、ガリウムインジウムりん（ＧａＩＰ）、アルミニウムガリウムインジウムりん（ＡｌＧＩｎＰ）、インジウムりん（ＩｎＰ）などがある。たとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜は、半導体レーザ素子などを形成する。
【００５５】
図１は、本発明の実施の第１形態である分子線源６の構成を簡略化して示す図である。以下図２に示すフロー図と合わせて本発明の実施形態を説明する。
【００５６】
分子線源６は、赤りん収容手段２、トラップ手段７および解離手段３を含んで構成される。赤りん収容手段２とトラップ手段７、およびトラップ手段７と解離手段３とはそれぞれ連通している。りん分子線を発生させるときは、赤りん収容手段２内に赤りんを収容し（ステップＳ１）、赤りん収容手段２内でりん材料を必要なりん分子線量が得られる約３５０℃に加熱して、りん材料を気化させる。このとき赤りん収容手段２内の圧力は１０−２Ｐａ程度の真空度である。りんよりも蒸気圧が高いＨ２ＯおよびＨ３ＰＯ４は、りんに先立って気化するので、加熱開始後の初期に発生した気体を排出することによって、Ｈ２ＯおよびＨ３ＰＯ４を除去することができる（ステップＳ２）。
【００５７】
ここで図３はりん、水、りん酸および五酸化二りんの飽和蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。グラフの縦軸は蒸気圧を、横軸は温度を示す。ばつ印のプロットは水、四角印のプロットはりん酸、ひし形印のプロットはりん、白抜き三角印のプロットは準安定状態の五酸化二りんおよび黒抜き三角印のプロットは五酸化二りんにおける飽和蒸気圧と温度との関係を示す。同一温度においては、りんの飽和蒸気圧は、水およびりん酸の飽和蒸気圧よりも低い。たとえば０℃〜１００℃においては、りんの飽和蒸気圧は、りん酸の飽和蒸気圧の約１／１０となる。また同一温度においては、五酸化二りんの飽和蒸気圧は、りんの飽和蒸気圧よりも極めて低い。したがってりんは、水およびりん酸よりも蒸発しにくく、五酸化二りんよりも蒸発しやすい。
【００５８】
Ｈ２ＯおよびＨ３ＰＯ４が除去されたりん材料は、トラップ手段７へ移動する。トラップ手段７はコイル状になっており、外部から図示しないマントルヒータまたはランプヒータによって８０℃〜１００℃に保温されている。どちらのヒータを用いても構わないが、ランプヒータのほうが温度制御が容易で均一に加熱できるので好ましい。この温度はＰ２Ｏ５が融解する温度よりも低く、黄りんが凝固する温度よりも高いので、気液平衡状態のりんがトラップ手段７を通過する際、りんよりも蒸気圧が低いＰ２Ｏ５などのりん酸化物はトラップ手段７の内壁に析出し、りん材料から除去される（ステップＳ３）。このときトラップ手段７内の圧力は１０−２Ｐａ程度の真空度である。その後で解離手段３においてＰ４分子からＰ２分子に分解され、りん分子線が発生する（ステップＳ４）。発生したりん分子線は、図示しない成長室内で基板面に照射される（ステップＳ５）。成長終了時などには、図示しない成長室内のセルシャッタを閉めることによって、りん分子線の基板への供給は遮られる。
【００５９】
図４は、本発明の実施の第２形態である分子線源８の構成を簡略化して示す図である。以下図５に示すフロー図と合わせて本発明の実施形態を説明する。
【００６０】
分子線源８は、赤りん収容手段２、トラップ手段７、黄りん収容手段５、ニードルバルブ１０および解離手段３を含んで構成される。赤りん収容手段２とトラップ手段９、トラップ手段９と黄りん収容手段５、および黄りん収容手段５と解離手段３とはそれぞれ連通していて、ニードルバルブ１０は黄りん収容手段５と解離手段３との間に設けられている。
【００６１】
本発明の実施の第１形態である分子線源６とほぼ同じ構成であるが、黄りん収容手段５およびニードルバルブ１０が設けられている構成が異なる。また工程については、ステップ６〜ステップ８およびステップ１０〜ステップ１１は、本発明の実施の第１形態のステップ１〜ステップ３およびステップ４〜ステップ５と同じ構成である。
【００６２】
トラップ手段７を通過したりんは、７０℃に調整された黄りん収容手段５に一旦液体状態の黄りんとして貯蔵される（ステップＳ９）。黄りん収容手段５内の温度によって、液体状態の黄りんが気化する量を調整し、さらにニードルバルブ１０によって、図示しない成長室内に供給されるりん分子線量すなわち基板に供給されるりん分子線量を調整する。ニードルバルブ１０によって、りんの流量を調整し、また停止することなどが可能となり、黄りん収容手段５およびニードルバルブ１０が設けられていない場合よりもりん材料の利用効率が向上する。黄りん収容手段５内では気化したりんの量を過剰にしておくのが好ましく、７０℃程度の温度が適している。ニードルバルブ１０によってりんの供給量を調整するために、黄りん収容手段５内の圧力は、気化したりんによって過剰な圧力、たとえば１０−２Ｐａ以上にしておくことが好ましい。なお黄りん収容手段５内の圧力は１０−２Ｐａ程度の真空度となっているので、８０℃以上になるとりんは液体状態で貯蔵されない。
【００６３】
図６は、本発明の実施の第３形態である分子線源１２の構成を簡略化して示す図である。
【００６４】
分子線源１２は、赤りん収容手段２、トラップ手段７、黄りん収容手段５、および解離手段３を含んで構成される。赤りん収容手段２とトラップ手段７、トラップ手段７と黄りん収容手段５、および黄りん収容手段５と解離手段３とはそれぞれ連通していて、バルブ１４はトラップ手段７と黄りん収容手段５との間に、ニードルバルブ１０は黄りん収容手段５と解離手段３との間に設けられている。
【００６５】
本発明の実施の第２形態である分子線源８とほぼ同じ構成であるが、バルブ１４がトラップ手段７と黄りん収容手段５との間に設けられている構成が異なる。
【００６６】
一定量の黄りんを黄りん収容手段５に貯蔵した後で、黄りん収容手段５とトラップ手段７との間のバルブ１４を閉じることによって、微量のＰ２Ｏ５などのりん酸化物がトラップ手段７から再度気化して、黄りん収容手段５に貯蔵された黄りんが汚染されることを防ぎ、バルブ１４が設けられていない場合よりも酸素混入の少ないりん分子線の供給が可能となる。
【００６７】
図７は、本発明の実施の第４形態である分子線源１７の構成を簡略化して示す図である。
【００６８】
分子線源１７は、赤りん収容手段２、トラップ手段７、黄りん収容手段５、ニードルバルブ１０および解離手段３を含んで構成される。赤りん収容手段２とトラップ手段７、トラップ手段７と黄りん収容手段５、および黄りん収容手段５と解離手段３とはそれぞれ連通していて、ニードルバルブ１０は黄りん収容手段５と解離手段３との間に設けられている。トラップ手段７の両側にはバルブ１９およびバルブ２０が、さらにトラップ手段７内のみの排気が可能なバルブ付きの排気口２１が設けられている。
【００６９】
本発明の実施の第２形態である分子線源８とほぼ同じ構成であるが、トラップ手段７の両側にバルブ１９およびバルブ２０が、トラップ手段７には排気口２１が設けられている構成が異なる。排気口２１を設ける位置は、図７では中央部であるが、中央部に限定されるものではなく前端部または後端部でもよい。
【００７０】
一定量の黄りんを貯蔵した後で、黄りん収容手段５内の黄りんを気化させて分子線を発生させている間に、トラップ手段７の両側に設けられているバルブ１９およびバルブ２０を閉じて、トラップ手段７内の温度を図示しない温度保持手段によってたとえば３５０℃まで上げて、トラップ手段７の内壁に付着したＰ２Ｏ５などのりん酸化物を気化させ、排気口２１を開放して外部へ排気する。付着した不純物が増えると、さらに不純物を析出させる際の効率が低下するが、付着した不純物を一旦外部へ排気することによって効率は改善され、さらにトラップしたＰ２Ｏ５などのりん酸化物がトラップ手段７から再度気化することによって分子線が汚染されることを防ぐことができる。
【００７１】
トラップ手段７の代わりに、以下図８〜図１０に示すトラップ手段９、１３または１８を用いてもよい。
【００７２】
図８（ａ）は、トラップ手段９の概略図である。トラップ手段９の壁内にはランプヒータ１１が埋め込まれており、ランプヒータ１１によってトラップ手段９内の温度調整が可能である。
【００７３】
図８（ｂ）は、図８（ａ）の切断面線Ａ−Ａからみた断面図である。トラップ手段９の内壁は凹凸状になっており、内壁の面積が増えるので、効率的にＰ２Ｏ５などのりん酸化物を内壁面に析出させて除去することができる。また外部からの加熱に壁内に埋め込まれているランプヒータ１１を使用することで、トラップ手段９内を効率的にかつ均一に所定の温度に保持することができる。
【００７４】
図９は、トラップ手段１３の概略図である。トラップ手段１３は内部にりん材料の進行方向に対して垂直に３枚のトラップ板１５を備え、トラップ板１５はトラップ手段１３の内部空間を塞いでいる。トラップ板１５にはトラップ板１５の中心部を除くいずれかの場所に１つの貫通孔１６が設けられ、貫通孔１６は、隣接するトラップ板１５どうしでトラップ板１５の中心を対称点として１８０°点対称となる位置に設けられている。貫通孔１６の位置は、トラップ板の端部であるほどりん材料の進行距離が長くなるので効率的にＰ２Ｏ５などのりん酸化物をトラップ板１５上に析出させて除去することができる。なおトラップ板１５の枚数は３枚に限られず、１枚であっても複数枚であっても構わない。
【００７５】
図１０（ａ）は、トラップ手段１８の概略図である。トラップ手段１８は二重筒構造であり、内筒はりんの進行方向と反対側に底部を有しており、りんは内筒の底部にさえぎられ進行方向を変え、二重筒の外筒と内筒との間を通過する。トラップ手段は外部から図示しないランプヒータによって温度調整が可能である。りんが二重筒の外筒と内筒との間を通過するので、効率的にりんの温度を保持することができ、効率的にりん酸化物を内壁面に析出させて除去することができる。
【００７６】
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の切断面線Ａ−Ａからみた断面図である。トラップ手段１８は外筒内壁が凹凸状になっており、内壁の面積が増えるので、効率的にＰ２Ｏ５などのりん酸化物を内壁面に析出させて除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の第１形態である分子線源６の構成を簡略化して示す概略図である。
【図２】本発明の実施の一形態を説明するフロー図である。
【図３】りん、水、りん酸および五酸化二りんの飽和蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の第２形態である分子線源８の構成を簡略化して示す概略図である。
【図５】本発明の実施の一形態を説明するフロー図である。
【図６】本発明の実施の第３形態である分子線源１２の構成を簡略化して示す概略図である。
【図７】本発明の実施の第４形態である分子線源１７の構成を簡略化して示す概略図である。
【図８】トラップ手段９の構成を簡略化して示す図である。
【図９】トラップ手段１３の構成を簡略化して示す図である。
【図１０】トラップ手段１８の構成を簡略化して示す図である。
【図１１】従来の分子線源１の構成を簡略化して示す図である。
【図１２】従来の分子線源４の構成を簡略化して示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１，４，６，８，１２，１７  分子線源
２  赤りん収容手段
３  解離手段
５  黄りん収容手段
７，９，１３，１８  トラップ手段
１０  ニードルバルブ
１１  ランプヒータ
１４，１９，２０  バルブ
１５  トラップ板
１６  貫通孔
２１  排気口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008053656.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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