JP3070211B2 - Quantum box fabrication method - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体によって
形成する量子構造作製方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a quantum structure formed of a compound semiconductor.

【０００２】[0002]

【従来の技術】化合物半導体によって形成された量子構
造では、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６３，４３０
（１９８９）に見られるようにウェットエッチングによ
る面方位を利用したＶ溝上への量子箱の成長による方法
があり、量子細線の形成を検討している。2. Description of the Related Art In a quantum structure formed by a compound semiconductor, Phys. Rev .. Lett. 63,430
As shown in (1989), there is a method of growing a quantum box on a V-groove using a plane orientation by wet etching, and studies formation of a quantum wire.

【０００３】この方法は、ＧａＡｓ上に作ったレジスト
等のストライプパターンをマスクにウェットエッチング
を行い、（２１１）面によるＶ溝を作製する。この上に
ＭＢＥを用いてＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ
の順に成長を行うと、粘性の低いＧａＡｓはＶ溝の底に
溜るのでＡｌＧａＡｓで挾まれた、三角形状ＧａＡｓ量
子細線が形成される。In this method, a V-groove having a (211) plane is formed by performing wet etching using a stripe pattern of a resist or the like formed on GaAs as a mask. AlGaAs, GaAs, and AlGaAs are formed thereon using MBE.
Is grown in this order, GaAs having low viscosity accumulates at the bottom of the V-groove, so that triangular GaAs quantum wires sandwiched by AlGaAs are formed.

【０００４】また、ＭＢＥ等であらかじめ作製した量子
井戸構造をエッチングして量子細線，量子箱を作製しよ
うという試みもなされているが、エッチングによるダメ
ージ等のために顕著な量子効果は観測されていない。Attempts have also been made to fabricate quantum wires and quantum boxes by etching a quantum well structure previously fabricated by MBE or the like, but no remarkable quantum effect has been observed due to damage due to etching and the like. .

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のエッチングによ
る量子細線，量子箱作製は、先に述べたように、エッチ
ングによるダメージ等のために、形は作れても、実際の
量子細線，量子箱はできていない。一方、Ｖ溝上への量
子井戸成長によって作られた細線では、量子効果が観測
されており、実際に量子細線が形成されているものと思
われる。As described above, in the production of quantum wires and quantum boxes by the above-described etching, even if the actual quantum wires and quantum boxes can be formed due to damage due to etching, etc. Not done. On the other hand, the quantum effect is observed in the thin wire formed by the quantum well growth on the V-groove, and it is considered that the quantum wire is actually formed.

【０００６】しかし、この方法ではＶ溝の形成にウェッ
トエッチングによって現れる面方位を利用しているため
に、作製できる量子構造の形状に自由度が無く、作製で
きるのは三角形状の量子細線に限られ、量子箱は作れな
いという問題がある。However, in this method, since the plane orientation generated by wet etching is used to form the V-groove, there is no freedom in the shape of the quantum structure that can be manufactured, and only a triangular quantum wire can be manufactured. There is a problem that quantum boxes cannot be made.

【０００７】本発明の目的は、面方位に依存しない形状
の量子箱を作製する方法を提供することにある。An object of the present invention is to provide a method for producing a quantum box having a shape independent of the plane orientation.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る量子箱作製方法は、ドライエッチング
装置と結晶成長装置を高真空に結合された複合プロセス
装置を用いて真空雰囲気中で一貫した工程処理を行うも
のであって、Ａｌを含む化合物半導体基板上にＩｎまた
はＧａのドロプレットを形成した後に、フッ素を含むガ
スによって基板上のドロプレットの無い表面にフッ化ア
ルミニウムを形成する工程と、その後にドライエッチン
グによってフッ化アルミニウム層をマスクに上記ドロプ
レット及びドロプレットに覆われていた領域のみを選択
的にエッチングし、円柱状または円錐状の穴を形成する
工程と、前記工程を経た穴を持つ基板上に量子井戸構造
を成長する工程とを有するものである。In order to achieve the above object, a method for manufacturing a quantum box according to the present invention comprises dry etching.
Process in which the equipment and crystal growth equipment are combined in a high vacuum
Performs consistent process processing in a vacuum atmosphere using equipment
A step of forming an In or Ga droplet on a compound semiconductor substrate containing Al, forming aluminum fluoride on a surface of the substrate without a droplet with a gas containing fluorine, and then performing dry etching by dry etching. Selectively etching only the droplet and the region covered by the droplet using the aluminum nitride layer as a mask to form a columnar or conical hole; and forming a quantum well structure on the substrate having the hole that has undergone the above step. Growing step.

【０００９】[0009]

【作用】フッ化アルミニウムは、揮発性が非常に低いの
でＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０，Ｌ８４７
（１９８１）に見られるようにＡｌを含む化合物半導体
にＦを含むガスを用いるとエッチング停止層となる。本
発明では、ＩｎまたはＧａドロプレットの付着していな
い表面部分でこのフッ化アルミニウムが形成される。The volatility of aluminum fluoride is very low, so Jpn. J. Appl. Phys. 20, L847
As shown in (1981), when a gas containing F is used for a compound semiconductor containing Al, an etching stop layer is obtained. In the present invention, this aluminum fluoride is formed on the surface portion where In or Ga droplet is not attached.

【００１０】その後にエッチングを行うと、フッ化アル
ミニウムが形成された部分はエッチングされないので、
ＩｎまたはＧａドロプレット及びその下に覆われていて
フッ化アルミニウムを形成しなかった部分のみがエッチ
ングされて円柱状、または円錐状の穴を形成する。こう
してできた穴を持つ基板上に量子井戸構造を成長するこ
とで量子箱の作製が行える。When etching is performed thereafter, the portion where aluminum fluoride is formed is not etched.
Only the In or Ga droplet and the portion covered under it and not forming aluminum fluoride are etched to form a columnar or conical hole. A quantum box can be manufactured by growing a quantum well structure on the substrate having the holes thus formed.

【００１１】[0011]

【実施例】以下実施例を挙げて量子箱作製方法を説明す
る。図２は、Ｇａドロプレットを用いたフッ化アルミ形
成層の作製を示す図である。分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）装置内でＡｌＧａＡｓ基板３にＧａ分子線を照射す
ると、Ｇａドロプレット４が形成される。ドロプレット
４の形，大きさ，形成数密度は、基板温度，ビームフラ
ックス，分子線照射時間である程度制御可能であるが、
基板温度６１０℃，ビームフラックス８×１０^-7Ｔｏｒ
ｒにおいて、半原子層分のＧａを供給すると、直径７０
０ｎｍのドロプレットが３．５×１０¹¹Ｔｏｒｒ個／ｍ
²できる。EXAMPLES A method for manufacturing a quantum box will be described below with reference to examples. FIG. 2 is a diagram showing the production of an aluminum fluoride forming layer using Ga droplet. Molecular beam epitaxy (MB
E) When the AlGaAs substrate 3 is irradiated with a Ga molecular beam in the apparatus, a Ga droplet 4 is formed. The shape, size and number density of the droplet 4 can be controlled to some extent by the substrate temperature, beam flux and molecular beam irradiation time.
Substrate temperature 610 ° C, beam flux 8 × 10 ^-7 Torr
r, a half-atom layer of Ga is supplied, resulting in a diameter of 70
3.5 × 10 ¹¹ Torr droplets / m with 0 nm
² can.

【００１２】ドロプレットが付着したＡｌＧａＡｓ基板
３を反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）装置に
移す。そこで、ＮＦ₃プラズマを立ててＦ原子をＡｌＧ
ａＡｓ基板３に到達させると、Ｇａドロプレット４で覆
われていない表面部分ではフッ化アルミニウムが形成さ
れる。The AlGaAs substrate 3 with the droplet attached is transferred to a reactive ion beam etching (RIBE) apparatus. Therefore, an NF ₃ plasma is set up to convert F atoms into AlG.
When reaching the aAs substrate 3, aluminum fluoride is formed on the surface portion not covered with the Ga droplet 4.

【００１３】図１は、こうしてできたＧａドロプレット
及びフッ化アルミニウム形成層２を有する基板３に対し
て塩素によるＲＩＢＥを行って、円錐状穴１を作製した
ところを示す図である。FIG. 1 is a view showing that a conical hole 1 is formed by performing RIBE with chlorine on a substrate 3 having a Ga droplet and an aluminum fluoride forming layer 2 formed as described above.

【００１４】穴１の形状は、化学反応性とイオンスパッ
タリング性とのバランスで決まり、塩素分圧，イオンエ
ネルギー，基板温度によって制御できる。The shape of the hole 1 is determined by the balance between chemical reactivity and ion sputtering, and can be controlled by the chlorine partial pressure, ion energy, and substrate temperature.

【００１５】円錐状の穴を作るには、化学反応性が低い
条件でエッチングを行い、円柱状の穴を作るには、化学
反応性を少し増せば良い。塩素分圧１×１０^-4Ｔｏｒ
ｒ，イオンエネルギー５００ｅＶ，室温でエッチングを
行うと円錐状穴ができ、塩素分圧８×１０^-4Ｔｏｒｒ，
イオンエネルギー５００ｅＶ，室温でエッチングを行う
と円柱状穴ができる。また基板成長前に、フッ化アルミ
形成層２を除去する必要がある場合は、塩素ＲＩＢＥを
長く行ってとるか、電子ビーム照射，水素クリーニン
グ，熱クリーニングなどの方法がある。In order to form a conical hole, etching is performed under conditions of low chemical reactivity, and in order to form a cylindrical hole, the chemical reactivity may be slightly increased. Chlorine partial pressure 1 × 10 ^-4 Torr
r, ion energy of 500 eV, etching at room temperature produces a conical hole, chlorine partial pressure of 8 × 10 ^-4 Torr,
When etching is performed at an ion energy of 500 eV and room temperature, a cylindrical hole is formed. If it is necessary to remove the aluminum fluoride forming layer 2 before the substrate is grown, there are methods such as long chlorine RIBE or electron beam irradiation, hydrogen cleaning, and heat cleaning.

【００１６】図３は、上記方法で形成した円錐状穴１
に、ＧａＡｓ量子箱６を形成したところを示す図であ
る。まず、上記方法で形成した円錐状穴１をもつ基板３
をＭＢＥ装置内に移し、ＡｌＧａＡｓバッファー層５を
円錐状穴１の形状に沿って成長する。その上からＧａＡ
ｓを成長すると、ＧａＡｓは円錐状穴１の底に溜るよう
な形で成長し、上からＡｌＧａＡｓキャップ層７を成長
すればＧａＡｓ量子箱６が形成される。FIG. 3 shows a conical hole 1 formed by the above method.
FIG. 2 is a view showing a state where a GaAs quantum box 6 is formed. First, a substrate 3 having a conical hole 1 formed by the above method
Is transferred into the MBE apparatus, and the AlGaAs buffer layer 5 is grown along the shape of the conical hole 1. GaA from above
When s is grown, GaAs grows so as to collect at the bottom of the conical hole 1, and when the AlGaAs cap layer 7 is grown from above, a GaAs quantum box 6 is formed.

【００１７】また図４に示すＭＢＥ装置１１とＲＩＢＥ
装置９を超高真空トンネル１０で結んだ複合装置を用い
れば、上記の量子箱作製は、ＡｌＧａＡｓ基板の成長以
降のすべての作業が真空中で行えるので、表面を空気に
晒すことがなく、酸素や炭素等の汚染のない良好な素子
が得られる。The MBE device 11 and the RIBE shown in FIG.
If a composite device in which the device 9 is connected by an ultra-high vacuum tunnel 10 is used, the above quantum box fabrication can be performed in a vacuum since all the operations after the growth of the AlGaAs substrate can be performed. A good device free of contamination such as carbon and carbon can be obtained.

【００１８】上記において用いる基板はＡｌＧａＡｓに
限らず、ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓ等Ａｌを含む化合物半
導体基板であればかまわない。ドロプレットもＧａに限
らずＩｎでもかまわない。フッ化アルミニウム形成に用
いるガスもＮＦ₃に限らず、ＳＦ₆，ＣＦ₄等フッ素を含
むガスであればかまわない。エッチング方式もＲＩＢＥ
に限らず、ＲＩＥ，ＩＢＡＥ等他の反応性エッチングで
もかまわない。エッチャントガスも塩素に限らずＳｉＣ
ｌ₄，ＣＨ₄等でもかまわない。The substrate used in the above is not limited to AlGaAs, but may be any compound semiconductor substrate containing Al, such as AlInAs or AlAs. The droplet is not limited to Ga, but may be In. The gas used for forming aluminum fluoride is not limited to NF ₃ but may be any gas containing fluorine, such as SF ₆ or CF ₄ . Etching method is also RIBE
However, other reactive etching such as RIE and IBAE may be used. Etchant gas is not limited to chlorine but SiC
l ₄ , CH ₄ or the like may be used.

【００１９】[0019]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、面方位に
依存しない形状の量子箱を作製できる。また円錐状また
は円柱状の穴の上に、結晶成長によって量子箱を形成す
るのでエッチング等のダメージが無い。さらに真空一貫
プロセスで量子箱作製可能なので炭素，酸素などの空気
に晒すことによる汚染の影響のない良好な素子が作製で
きる効果を有する。As described above, according to the present invention, a quantum box having a shape independent of the plane orientation can be manufactured. Further, since a quantum box is formed on the conical or cylindrical hole by crystal growth, there is no damage such as etching. Further, since the quantum box can be manufactured by a vacuum integrated process, there is an effect that a good device free from the influence of contamination due to exposure to air such as carbon or oxygen can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】ＡｌＧａＡｓ基板上のＧａドロプレット及びフ
ッ化アルミ形成層を示す図である。FIG. 1 is a view showing a Ga droplet and an aluminum fluoride forming layer on an AlGaAs substrate.

【図２】フッ化アルミ形成層を用いたエッチングによる
円錐状穴を示す図である。FIG. 2 is a view showing a conical hole formed by etching using an aluminum fluoride forming layer.

【図３】円錐状穴への量子井戸の成長によって形成した
量子箱を示す図である。FIG. 3 shows a quantum box formed by growing a quantum well in a conical hole.

【図４】真空一貫量子箱作製装置を示す図である。FIG. 4 is a view showing an apparatus for manufacturing a consistent vacuum quantum box.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 円錐状穴 ２ フッ化アルミニウム形成層 ３ ＡｌＧａＡｓ基板 ４ Ｇａドロプレット ５ ＡｌＧａＡｓバッファー層 ６ ＧａＡｓ量子箱 ７ ＡｌＧａＡｓキャップ層 ８ 基板導入室 ９ ＲＩＢＥ装置 １０ 超高真空トンネル １１ ＭＢＥ装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conical hole 2 Aluminum fluoride formation layer 3 AlGaAs substrate 4 Ga droplet 5 AlGaAs buffer layer 6 GaAs quantum box 7 AlGaAs cap layer 8 Substrate introduction room 9 RIBE apparatus 10 Ultrahigh vacuum tunnel 11 MBE apparatus

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 ドライエッチング装置と結晶成長装置を
高真空に結合された複合プロセス装置を用いて真空雰囲
気中で一貫した工程処理を行うものであって、 Ａｌを含む化合物半導体基板上にＩｎまたはＧａのドロ
プレットを形成した後に、フッ素を含むガスによって基
板上のドロプレットの無い表面にフッ化アルミニウムを
形成する工程と、 その後にドライエッチングによってフッ化アルミニウム
層をマスクに上記ドロプレット及びドロプレットに覆わ
れていた領域のみを選択的にエッチングし、円柱状また
は円錐状の穴を形成する工程と、前記工程を経た 穴を持つ基板上に量子井戸構造を成長す
る工程とを有することを特徴とする量子箱作製方法。1. A dry etching apparatus and a crystal growth apparatus.
Vacuum atmosphere using multi-process equipment coupled to high vacuum
A process that performs consistent process processing in the air . After forming a droplet of In or Ga on a compound semiconductor substrate containing Al, an aluminum fluoride is formed on a surface of the substrate without a droplet on the substrate with a gas containing fluorine. a step of, subsequent to selectively etch only the region covered with the Doropuretto and Doropuretto aluminum fluoride layer as a mask by dry etching, forming a cylindrical or conical bore, said step Growing a quantum well structure on a substrate having a via hole.