JP2671089B2 - 量子構造作製方法 - Google Patents

量子構造作製方法

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JP2671089B2
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滋雄 五島
康彦 野村
義隆 森下
秀典 河西
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、量子細線及び量子箱等
の量子構造の作製方法に関し、特に、超真空一貫プロセ
スによる量子構造の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、量子細線及び量子箱等の量子構造
を作製する方法として選択成長法が知られている。この
選択成長法は、例えば、GaAs(111)B基板の表
面にSiO2 膜を形成して、フォトリソグラフィー等の
技術を用いてSiO2 膜のパターニングを行い、パター
ニングされたSiO2 膜をマスクとして利用して、有機
金属化学気相成長法(MOCVD法)を用いてGaAs
或いはAlGaAsを選択的にエピタキシャル成長させ
る方法である。この様な選択成長法は、例えば、アプラ
イド・フィジックス・レターズ、第57巻(199
0)、1209〜1211頁、及び同誌、第58巻(1
991)、2018〜2020頁に記載されている。
【0003】また、マスクを使用せずに量子構造を作製
する方法として、所謂ラテラルエピタキシー法を利用す
る方法が試みられている。ラテラルエピタキシー法は、
例えば、GaAs(111)B基板の表面に段差を設
け、所定の条件下で、MOCVD法を用いてGaAsを
エピタキシャル成長させると、有機金属熱分解の面指数
の依存性により、段差の側壁部のみにGaAsが成長す
ることを利用する方法である。この様なラテラルエピタ
キシー法は、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロー
ス、108巻(1991)、73頁に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、MOC
VD法は、大気圧下或いは低真空下でエピタキシャル成
長を行うものであるため、選択成長用マスクの形成、及
びパターニングを含む超高真空連続工程の実現には不向
きであるという問題点がある。
【0005】また、選択成長用マスク材として使用され
るSiO2 膜は、湿式エッチングまたはプラズマエッチ
ングを行わなければ除去することが出来ない。即ち、湿
式エッチングでは、大気中に基板を取り出さなければな
らず、超高真空連続工程を実現することができないうえ
に、基板表面が汚染されるという問題点がある。また、
プラズマエッチングでは、基板表面に損傷を与え、以後
の結晶成長に悪影響を与えてしまうという問題点があ
る。
【0006】さらに、ラテラルエピタキシー法では、基
板に段差を形成するために行われるエッチングによっ
て、段差の下端に微小面(ファセット)が形成され、こ
の微小面の影響によって、ラテラルエピタキシーによる
結晶成長層の形状の制御を不能にしてしまうという問題
点がある。
【0007】本発明は、超高真空連続工程に対応可能
で、量子細線及び量子箱のように形状が制御された量子
構造を作製する方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板の表面の所定領域に耐エッチング薄膜を形成する工
程と、前記酸化膜をマスクとして第1の半導体層を結晶
成長させて段差を形成する工程と、前記酸化膜を熱処理
によって除去する工程と、前記段差を利用してラテラル
エピタキシー法により第2の半導体層を結晶成長させる
工程とを含むことを特徴とする量子構造作製方法が得ら
れる。
【0009】
【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1に本発明の第1の実施例を示す。ここではG
aAs/AlGaAsヘテロ結晶系量子細線の作製方法
について説明する。なお、本実施例では、超高真空にそ
れぞれ対応可能な、基板表面に酸化膜を形成するための
基板処理室、微細電子ビームを発生する電子銃を備えた
エッチング室、トリメチルガリウム、金属ヒ素、金属ガ
リウム、及び金属アルミニウムを成長用原料として備え
たMOMBE室、及びこれらの室を接続して基板の室間
移動を可能にする基板交換室を有する装置を使用するも
のとする。
【0010】まず、GaAs(111)B基板11をM
OMBE室(図示せず)に導入する。基板11の表面
は、予め、硫酸系湿式エッチングされ、表面加工損傷層
は除去されている。MOMBE室に導入された基板11
は、ヒ素雰囲気下で620℃に加熱され、表面に形成さ
れた自然酸化膜が除去される。次に、基板の温度を53
0℃に下げ、固体原料(金属ヒ素及び金属ガリウム)を
使用してGaAsバッファ層12(膜厚50nm)を結晶
成長させる。
【0011】次に、基板11上にGaAsバッファ層1
2が形成された試料を、基板交換室(図示せず)を介し
て基板処理室(図示せず)に移送する。移送は、各室を
超高真空状態に保ったまま行われる。移送後、基板処理
室に高純度酸素を充満させ、試料の表面、即ち、GaA
sバッファ層12の表面にハロゲンランプの光を照射す
る。すると、GaAsバッファ層12の表面には酸化膜
13が形成される。この試料の断面図を図1(a)に示
す。
【0012】酸化膜13形成後、基板処理室を再び高真
空状態にする。そして、試料を、再び試料交換室を介し
てエッチング室(図示せず)へ移送する。そして、試料
を70℃に加熱し、塩素照射(Cl2 :7×1016分子/
cm2 s )しながら電子ビーム(e- :ビーム径20nm)
で基板上の所定領域を走査する。すると第1図(b)に
示すように、電子ビームを走査させた領域の酸化膜が選
択的にエッチングされ、GaAsバッファ層12が露出
する開口部14が形成される。
【0013】次に、試料をMOMBE室に移送する。そ
して、試料をAs4 雰囲気中におき、450℃に加熱し
て、トリメチルガリウム(TMG)を照射する。ここ
で、As4 圧を1×10-5Torr、TMGの流量を1.0
sccmとし、この状態を10分間保持すると、図1(c)
に示すように、膜厚30nmのGaAs層15が、開口部
14にのみ成長した。この後、TMGの照射を停止し、
As4 雰囲気中で試料の温度を630℃に加熱すると、
図1(d)に示すように、酸化膜13が除去される。こ
うして、GaAsバッファ層12とGaAs層15とに
よって、段差が形成される。
【0014】続いて、同じくMOMBE室において、金
属ヒ素、金属ガリウム、及び金属アルミニウムをそれぞ
れクヌードセンセルを用いて蒸発させ、所謂固体ソース
の分子線エピタキシー法(MBE)を用いて、図1
(e)に示すように、Alx Ga1-x As層16(膜厚
10nm、x=0.3)を結晶成長させる。また、金属ヒ
素及び金属ガリウムのみを蒸発させて、GaAs層17
を1原子層結晶成長させる。ここで、GaAs層15を
結晶成長させることにより形成された段差は、GaAs
層17の表面で新たな段差を形成する。
【0015】次に、同じくMOMBE室において、試料
の温度を530℃に下げ、As4 圧4×10-5Torr、T
MG流量1.0sccmで、GaAs層を結晶成長させた。
この成長条件下では、GaAs(111)B面上では結
晶成長が起こらない。即ち、図1(f)に示すように、
GaAs層17の表面であって、図の上方に向かう面に
は結晶成長が起こらず、図の側方に向かう面にのみGa
As層18が結晶成長する。換言すれば、GaAs層1
7の段差の側面にのみGaAs層18が結晶成長する。
これがラテラルエピタキシー法と呼ばれる方法である。
この結晶成長により、GaAs層18は、12分間で3
0nmの膜厚となった。この試料の平面図を図2に示す。
図1(f)及び図2より明らかなように、上記工程によ
り、断面形状が30nm×30nmの正方形のGaAs細線
を形成することができた。
【0016】次に、MBE法により、図1(f)に示す
ように、GaAs層17及びGaAs層18の表面にA
x Ga1-x As層19を結晶成長させ、GaAs層1
8を埋め込む。これにより、GaAs層18が、周囲を
Alx Ga1-x As層16及び19によって囲まれた量
子細線を実現できる。
【0017】次に、図3を参照して本発明の第2の実施
例を説明する。本実施例においても、第1の実施例で使
用した装置と同じ装置を使用するものとする。
【0018】まず、第1の実施例と同様、GaAs(1
11)B基板31をMOMBE室に導入する。そして、
第3図(a)に示すように、GaAs(111)B基板
31上にGaAsバッファ層32を結晶成長させる。
【0019】次に基板31上にGaAsバッファ層32
を形成した試料をエッチング室に移送する。そして、G
aAsバッファ層32の表面に酸素分子を照射しなが
ら、電子ビーム(e- :ビーム径10nm)を走査する。
GaAsバッファ層32の表面に照射された酸素分子
は、電子ビームによって励起され、GaAsバッファ層
32の表面と反応して酸化膜を形成する。電子ビームを
直径50nmの円形に走査すると、図3(b)に示すよう
に、GaAsバッファ層32の表面中央にのみ酸化膜3
3を形成することができる。続いて、酸素分子を十分排
気し、塩素ガスをエッチング室に導入する。塩素ガス
は、GaAsバッファ層32の表面であって、電子ビー
ムが走査されなかった領域に吸着した酸素を脱離させ
る。
【0020】次に、試料を再びMOMBE室に移送す
る。そして、第1の実施例と同様に、TMG及びAs4
を用いてGaAs層34を結晶成長させる。酸化膜33
が、マスクとして作用するので、GaAs層34は、図
3(c)に示すように選択的に成長する。続いて、As
4 雰囲気下で、熱処理を施して酸化膜33を除去し、図
3(d)に示すように、GaAsバッファ層32を露出
させる。こうして、GaAsバッファ層32とGaAs
層34とで段差が形成される。
【0021】次に、第1の実施例と同様に条件で、図3
(e)に示すようにGaAs層34の側面にGaAs層
35を横方向成長させる。これにより新たな段差が形成
されることになる。本実施例では、4分間の結晶成長を
行い、膜厚10nmとした。続いて、MBE法を用い、図
3(f)に示すようにAlx Ga1-x As層36(膜厚
10nm、x=0.3)及びGaAs層37(1原子層)
を試料表面全体に結晶成長させる。このときの試料の平
面図を図4に示す。新たな段差は、さらに別の段差を形
成し、開口部38を構成する。なお、開口部38の直径
は、主にGaAs層35の膜厚により制御され、本実施
例では10nmとした。
【0022】次に、TMG及びAs4 を用いて、図3
(g)に示すように、開口部38内にGaAs層39を
結晶成長させる。このときも、GaAs層35を結晶成
長させたときと同じ用に横方向成長させることにより、
GaAs層39は、GaAs層37の上面には結晶成長
せず、開口部38内にのみ成長する。
【0023】最後に、MBE法を用いて、Alx Ga
1-x As層40を試料表面全面に結晶成長させて、図3
(h)に示すように、GaAs層39を埋め込む。これ
により、GaAs層39が、周囲をAlx Ga1-x As
層36及び40で囲まれた量子箱が得られる。なお、G
aAs層の形状は、直径10nm、高さ30nmの円柱状で
ある。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、選択成長により段差を
形成するようにしたので、段差の下端に微小面が形成さ
れず、ラテラルエピタキシー法によって、その形状及び
サイズが制御された量子構造を作製することができる。
【0025】また、酸化膜を選択成長用マスクとして使
用するので、超高真空連続工程で、量子細線及び量子箱
を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の作製工程図である。
【図2】図1(f)に示す試料の平面図である。
【図3】本発明の第2の実施例の作製工程図である。
【図4】図2(f)に示す試料の平面図である。
【符号の説明】
11 GaAs(111)B基板 12 GaAsバッファ層 13 酸化膜 14 開口部 15 GaAs層 16 Alx Ga1-x As層 17 GaAs層 18 GaAs層 19 Alx Ga1-x As層 31 GaAs(111)B基板 32 GaAsバッファ層 33 酸化膜 34 GaAs層 35 GaAs層 36 Alx Ga1-x As層 37 GaAs層 38 開口部 39 GaAs層 40 Alx Ga1-x As層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河西 秀典 茨城県つくば市二の宮4−8−3 パー クベルデつくば二の宮1−304 (72)発明者 井須 俊郎 大阪府豊中市北緑丘3丁目1−24−201 (56)参考文献 特開 平5−48077(JP,A) 特開 平4−88628(JP,A)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の表面の所定領域に耐エッチ
    ング薄膜を形成する工程と、前記耐エッチング薄膜をマ
    スクとして第1の半導体層を結晶成長させて段差を形成
    する工程と、前記耐エッチング薄膜を除去する工程と、
    前記段差を利用しラテラルエピタキシー法を用いて第2
    の半導体層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴と
    する量子構造作製方法。
  2. 【請求項2】 前記半導体基板の表面の所定領域に耐エ
    ッチング薄膜を形成する工程が、前記半導体基板の表面
    に全面にわたって酸化膜を形成する工程と、前記所定領
    域を除く領域に電子線を照射することにより前記所定領
    域を除く領域に形成された前記酸化膜を除去する工程を
    含むことを特徴とする請求項1の量子構造作製方法。
  3. 【請求項3】 前記半導体基板の表面の所定領域に耐エ
    ッチング薄膜を形成する工程が、前記所定領域を除く領
    域に電子線を照射しながら前記酸化膜形成を行うことに
    より前記所定領域にのみ前記酸化膜を形成するようにし
    たことを特徴とする請求項1の量子構造作製方法。
  4. 【請求項4】 半導体基板の表面の所定領域に酸化膜を
    形成する工程と、前記酸化膜をマスクとして第1の半導
    体層を結晶成長させて段差を形成する工程と、前記酸化
    膜を熱処理によって除去する工程と、前記半導体基板及
    び前記第1の半導体層の表面に第2の半導体層を結晶成
    長させて前記段差に基づく新たな段差を形成する工程
    と、ラテラルエピタキシー法を用いて前記新たな段差の
    側面に第3の半導体層を結晶成長させる工程と、前記第
    2及び第3の半導体層の表面に第4の半導体層を結晶成
    長させる工程とを含むことを特徴とする量子構造作製方
    法。
  5. 【請求項5】 半導体基板の表面の所定領域に酸化膜を
    形成する工程と、前記酸化膜をマスクとして第1の半導
    体層を結晶成長させ第1の段差を形成する工程と、前記
    酸化膜を熱処理によって除去する工程と、ラテラルエピ
    タキシー法を用いて前記第1の段差の側面に第2の半導
    体層を結晶成長させ第2の段差を形成する工程と、前記
    半導体基板、前記第1の半導体層、及び前記第2の半導
    体層の表面に第3の半導体層を結晶成長させて前記第2
    の段差に基づく第3の段差を形成する工程と、ラテラル
    エピタキシー法を用いて前記第3の段差の側面に第4の
    半導体層を結晶成長させる工程と、前記第3及び第4の
    半導体層の表面に第5の半導体層を結晶成長させる工程
    とを含むことを特徴とする量子構造作製方法。
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EP1879221A4 (en) * 2005-04-25 2011-08-03 Riber METHOD FOR MASKING AND METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL MICROFABRICATION

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