JP2662727B2 - How to make a planar superlattice - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 第１の化合物半導体からなる基板表面に対し、所定の
周期を有するように選択的に第２の化合物半導体の構成
元素をイオン注入し、その後にアニールすることによ
り、該基板表面に該第１の化合物半導体と該第２の化合
物半導体からなる超格子を形成することで、作成工程数
を削減し、かつ均質な面方向の超格子を得る。 〔産業上の利用分野〕 MEMT（high electron mobility transistor）に関す
る技術の進歩に伴い、超格子デバイスが注目され、受光
素子やレーザなどに適用されつつある。本発明は、この
ような超格子デバイスを実現するための超格子作成方法
に関する。 〔従来の技術〕 第３図に示すように、基板上に、格子定数の違う薄い
結晶１と２を交互に重ねることで、超格子構造を作成
し、例えば多重量子井戸レーザの活性層などに適用する
ことが提案されている。活性層を量子井戸構造とするこ
とにより、活性層のバンドギャップを拡げることがで
き、発振波長を短くできる利点がある。 ところでこのような超格子構造を作成するには、第４
図のように、従来はMOCVD法（有機金属の熱分解による
気相成長法）やMBE（分子線エピタキシャル）法によ
り、基板３上にAlGaAs層４とGaAs層５を数十〜数百Åの
厚さで交互に堆積していき、多層膜にしている。活性層
をこのような多重量子井戸（MQW）構造にすると、量子
化効果によりポテンシャルの井戸が形成され、MQWに閉
じ込められた電子が量子化されて、伝導帯よりも高いエ
ネルギーを持ち、短波長化が可能となる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところが、このように格子定数の違う層を交互に積層
する手法は、工程数が増加し、作成に時間を要するこ
と、各層を均質に作成することが困難である、などの問
題がある。また、基板の厚み方向にしか超格子を形成で
きず、デバイスの構成が制限される。 本発明の技術的課題は、従来の超格子作成方法におけ
るこのような問題を解消し、少ない工程で各層が均質
で、かつ基板面方向の超格子を作成可能とすることにあ
る。 〔問題点を解決するための手段〕 第１図は本発明による超格子作成方法の基本原理を説
明する工程図である。まずマスクを使用する場合は
（ａ）のように、基板６上にレジストを塗布し、微細加
工によって、間隔およびパターン幅が数百Å以下のレジ
ストパターン７を形成する。次に（ｂ）のように、この
レジストパターン７をマスクにして、イオン注入を行な
った後、（ｃ）のようにレジストパターンを除去し、ア
ニールを行なう。 また、マスクを使用しない場合は、イオンビームによ
って直接、基板上にパターンを描画し、（ｃ）のように
イオン注入を行なった後、アニールする。 〔作用〕 基板６として、例えばGaAsを使用し、（ｂ）の工程に
おいてAlをイオン注入すれば、GaAsとAlGaAsの膜が周期
的に配置されてなる超格子が得られる。ただし、従来は
基板の厚み方向に積層した構造であるのに対しは、本発
明では、基板６の面方向に格子定数の異なる結晶61とイ
オン注入結晶８とが交互に配置された面方向超格子とな
る。なお（ｃ）の工程におけるアニールによって、結晶
が安定する。 〔実施例〕 次に本発明によるプレーナ超格子の作成方法が実際上
どのように具体化されるかを実施例で説明する。イオン
注入を行なう際にマスクを使用する場合には、レジスト
パターンを使用するが、微細なレジストパターンを作成
することが本発明にとって肝要である。微細なレジスト
パターンを作成するには、幾つかの方法がある。その一
つは、ホログラムの作成方法を応用して、遠紫外線など
のように波長の短い２つの光をレジスト上で干渉させ、
干渉縞を露光・現像する方法である。第２の手法は、レ
ジストの上に電子線またはＸ線を照射して露光を行な
い、現像する方法である。また、イオン注入を行う際に
マスクを使用しない場合は、イオンビームによって直
接、基板６上にパターンを描画し、イオン注入を行な
う。 第２図は本発明の方法によって作成された多重量子井
戸レーザの例を示す平面図と断面図である。GaAs基板６
上に、第１図の方法で、AlGaAs膜９…を一定の周期で形
成することにより、AlGaAs膜９とGaAs膜10が交互にかつ
基板６の面方向に層状に形成された超格子を構成してい
る。このように活性層を超格子で構成した多重量子井戸
レーザでは、矢印で示すように、基板面と垂直方向にレ
ーザ光を発生する面発光レーザとなる。 また超格子を基板の面方向と厚み方向の双方向に形成
できれば、三次元なデバイスを作成することも可能とな
り、本発明の基板面方向に超格子を作成する方法の用途
は極めて広い。 〔発明の効果〕 以上のように本発明によれば、極めて少ない工程数
で、結晶構造が周期的に異なる超格子を、領域を限定す
ることなく物質そのものの表面近傍に作成することがで
き、量産性に富んでいる。また１つおきの同じ格子定数
の結晶部分は総て同じ工程で形成されるので、均質な結
晶が得られる。さらに基板の面方向の超格子となるた
め、超格子の用途拡大の上でも極めて有効である。 このため、本発明をMIS型半導体装置やHEMT,HBT,半導
体レーザ等の作成に適用することができるとともに、超
格子を電極の有無と関係なく形成でき、素子性能を向上
させることができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] Ion implantation of constituent elements of a second compound semiconductor selectively into a substrate surface made of a first compound semiconductor so as to have a predetermined period, followed by annealing. By forming a superlattice composed of the first compound semiconductor and the second compound semiconductor on the surface of the substrate, the number of manufacturing steps can be reduced and a superlattice having a uniform plane direction can be obtained. [Industrial Application Field] With the advance of technology related to MEMT (high electron mobility transistor), superlattice devices have attracted attention and are being applied to light receiving elements, lasers, and the like. The present invention relates to a superlattice forming method for realizing such a superlattice device. [Prior Art] As shown in FIG. 3, a superlattice structure is formed by alternately stacking thin crystals 1 and 2 having different lattice constants on a substrate, for example, in an active layer of a multiple quantum well laser. It is proposed to apply. When the active layer has a quantum well structure, there is an advantage that the band gap of the active layer can be widened and the oscillation wavelength can be shortened. By the way, to create such a superlattice structure,
As shown in the figure, conventionally, an AlGaAs layer 4 and a GaAs layer 5 are formed on a substrate 3 by several tens to several hundreds of square meters by MOCVD (vapor phase growth by thermal decomposition of an organic metal) or MBE (molecular beam epitaxy). The layers are alternately deposited by thickness to form a multilayer film. When the active layer has such a multiple quantum well (MQW) structure, a potential well is formed by a quantization effect, electrons confined in the MQW are quantized, and have higher energy than the conduction band and a short wavelength. Is possible. [Problems to be Solved by the Invention] However, such a method of alternately stacking layers having different lattice constants increases the number of processes, takes time to make, and it is difficult to make each layer uniformly. And so on. Further, a superlattice can be formed only in the thickness direction of the substrate, and the configuration of the device is limited. A technical problem of the present invention is to solve such a problem in the conventional superlattice forming method, and to make it possible to form a superlattice in which the layers are uniform and in the substrate plane direction in a small number of steps. [Means for Solving the Problems] FIG. 1 is a process chart for explaining the basic principle of the superlattice forming method according to the present invention. First, when a mask is used, a resist is applied on the substrate 6 as shown in (a), and a resist pattern 7 having an interval and a pattern width of several hundred mm or less is formed by fine processing. Next, as shown in FIG. 2B, ion implantation is performed using the resist pattern 7 as a mask, and then the resist pattern is removed and annealing is performed as shown in FIG. When a mask is not used, a pattern is directly drawn on the substrate by an ion beam, ion implantation is performed as shown in FIG. [Operation] If, for example, GaAs is used as the substrate 6 and Al is ion-implanted in the step (b), a superlattice in which films of GaAs and AlGaAs are periodically arranged can be obtained. However, in contrast to the conventional structure in which the layers are stacked in the thickness direction of the substrate, in the present invention, the crystal 61 having a different lattice constant and the ion-implanted crystal 8 are alternately arranged in the plane direction of the substrate 6. It becomes a lattice. The crystal is stabilized by annealing in the step (c). [Example] Next, how the method for producing a planar superlattice according to the present invention is actually embodied will be described with reference to examples. When a mask is used when performing ion implantation, a resist pattern is used. However, it is important for the present invention to create a fine resist pattern. There are several methods for creating a fine resist pattern. One is to apply a hologram creation method to cause two light beams with short wavelengths, such as far ultraviolet rays, to interfere on the resist,
This is a method of exposing and developing interference fringes. The second method is a method of irradiating an electron beam or an X-ray onto a resist to perform exposure and development. If a mask is not used when performing ion implantation, a pattern is drawn directly on the substrate 6 by an ion beam, and ion implantation is performed. FIG. 2 is a plan view and a sectional view showing an example of a multiple quantum well laser produced by the method of the present invention. GaAs substrate 6
By forming the AlGaAs films 9 at regular intervals by the method shown in FIG. 1, a superlattice in which the AlGaAs films 9 and the GaAs films 10 are alternately formed in layers in the surface direction of the substrate 6 is formed. doing. The multiple quantum well laser in which the active layer is formed of a superlattice is a surface emitting laser that generates laser light in a direction perpendicular to the substrate surface, as indicated by arrows. In addition, if the superlattice can be formed in both the plane direction and the thickness direction of the substrate, a three-dimensional device can be produced, and the method of the present invention for producing a superlattice in the substrate plane direction is extremely wide. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, with a very small number of steps, a superlattice having a periodically different crystal structure can be formed near the surface of the substance itself without limiting the region, Rich in mass production. Also, every other crystal part having the same lattice constant is formed in the same step, so that a homogeneous crystal can be obtained. Furthermore, since the superlattice is formed in the plane direction of the substrate, it is extremely effective in expanding the use of the superlattice. For this reason, the present invention can be applied to the production of MIS type semiconductor devices, HEMTs, HBTs, semiconductor lasers, and the like, and a superlattice can be formed regardless of the presence or absence of electrodes, and element performance can be improved.

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明によるプレーナ超格子の作成方法の基本
原理を工程順に示す断面図、第２図は本発明の方法で作
成される多重量子井戸レーザの活性層部分を示す平面図
と断面図、第３図は超格子の原理を示す断面図、第４図
は従来の方法で作成された超格子の例を示す断面図であ
る。 図において、６は基板、７……はレジストパターン、８
はイオン注入結晶、９……はAlGaAs膜、10……はGaAs膜
をそれぞれ示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view showing the basic principle of a method for producing a planar superlattice according to the present invention in the order of steps, and FIG. 2 is an active layer portion of a multiple quantum well laser produced by the method of the present invention. FIG. 3 is a sectional view showing the principle of a superlattice, and FIG. 4 is a sectional view showing an example of a superlattice formed by a conventional method. In the figure, 6 is a substrate, 7 is a resist pattern, 8
Indicates an ion-implanted crystal, 9 indicates an AlGaAs film, and 10 indicates a GaAs film.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 １．第１の化合物半導体からなる基板表面に対し、所定
の周期を有するように選択的に第２の化合物半導体の構
成元素をイオン注入し、その後にアニールすることによ
り、該基板表面に該第１の化合物半導体と該第２の化合
物半導体からなる超格子を形成することを特徴とするプ
レーナ超格子の作成方法。 ２．前記基板表面にレジスト膜を形成し、２光束による
干渉露光法を利用して該レジスト膜を露光し、次いで該
レジスト膜を現像して所定の周期を有するレジストパタ
ーンを形成し、その上から前記イオン注入を行うことを
特徴とする請求項（１）記載のプレーナ超格子の作成方
法。 ３．前記基板表面にレジスト膜を形成し、電子線露光法
またはＸ線露光法を利用して該レジスト膜を露光し、次
いで該レジスト膜を現像して所定の周期を有するレジス
トパターンを形成し、その上から前記イオン注入を行う
ことを特徴とする請求項（１）記載のプレーナ超格子の
作成方法。 ４．前記のイオン注入は、マスクレスイオンビーム描画
法で行うことを特徴とする請求項（１）記載のプレーナ
超格子の作成方法。(57) [Claims] The constituent elements of the second compound semiconductor are selectively ion-implanted into the surface of the substrate made of the first compound semiconductor so as to have a predetermined period, and thereafter the first compound semiconductor is annealed, so that the first surface of the substrate is made of the first compound semiconductor. A method of forming a planar superlattice, comprising forming a superlattice comprising a compound semiconductor and the second compound semiconductor. 2. Forming a resist film on the surface of the substrate, exposing the resist film using an interference exposure method using two light beams, and then developing the resist film to form a resist pattern having a predetermined period; 3. The method according to claim 1, wherein ion implantation is performed. 3. Forming a resist film on the substrate surface, exposing the resist film using an electron beam exposure method or an X-ray exposure method, and then developing the resist film to form a resist pattern having a predetermined period, 3. The method according to claim 1, wherein the ion implantation is performed from above. 4. 2. The method according to claim 1, wherein the ion implantation is performed by a maskless ion beam writing method.