JPH05152206A - Manufacture of quantum box - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To manufacture a quantum box having a shape-independing upon any plane orientation by a method wherein the droplet of In or Ga is formed, aluminum fluoride is formed, only a region covered with the droplet is etched selectively through dry etching, and a columnar or conical hole is formed. CONSTITUTION:An AlGaAs substrate 3 is irradiated with Ga molecular beams in a molecular-beam epitaxy device, thus shaping a Ga droplet 14. The AlGaAs substrate 3, on which a droplet adheres, is transferred to a reactive ion-beam etching (RIBE) device. When NF 3 plasma is generated and F atoms are made to reach the AlGaAs substrate 3 at that time, aluminum fluoride is formed on a surface section not covered with the Ga droplet 4. Consequently, RIBE by chlorine is conducted to the substrate 3 with the Ga droplet formed and aluminum fluoride forming layer 2, thus preparing a conical hole 1. Accordingly, a quantum box having a shape independing upon any plane orientation can be manufactured.

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 of 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 formation of a quantum wire is being studied.

【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, wet etching is performed by using a stripe pattern such as a resist formed on GaAs as a mask to form a V groove having a (211) plane. MBE on top of this using AlGaAs, GaAs, AlGaAs
When GaAs is grown in this order, GaAs, which has a low viscosity, collects at the bottom of the V groove, so that a triangular GaAs quantum wire sandwiched by AlGaAs is 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 produced by MBE or the like, but no remarkable quantum effect has been observed due to damage due to etching or 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 etching, the actual quantum wires and quantum boxes are 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 that appears by wet etching is used to form the V groove, there is no degree of freedom in the shape of the quantum structure that can be formed, and only quantum quantum wires having a triangular shape can be formed. However, 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 of manufacturing a quantum box having a shape that does not depend on the plane orientation.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による量子箱作製方法においては、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、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工程とを有
するものである。In order to achieve the above object, in the quantum box manufacturing method according to the present invention, after forming In or Ga droplets on a compound semiconductor substrate containing Al, the substrate is treated with a gas containing fluorine. A step of forming aluminum fluoride on the upper surface without droplets, followed by dry etching to selectively etch only the droplets and the area covered by the droplets using the aluminum fluoride layer as a mask to form a columnar or conical shape. And forming a quantum well structure on the substrate having the holes thus formed.

【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。[Function] Aluminum fluoride has a very low volatility, so that it can be used in Jpn. J. Appl. Phys. 20, L847
As seen in (1981), when a gas containing F is used for a compound semiconductor containing Al, an etching stop layer is formed. In the present invention, this aluminum fluoride is formed on the surface portion to which In or Ga droplets are 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 droplets and the portion covered thereunder and not forming aluminum fluoride are etched to form cylindrical or conical holes. A quantum box can be manufactured by growing a quantum well structure on a substrate having 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 quantum box manufacturing method will be described below with reference to Examples. FIG. 2 is a diagram showing the production of an aluminum fluoride forming layer using Ga droplets. Molecular beam epitaxy (MB
E) When the AlGaAs substrate 3 is irradiated with Ga molecular beams in the apparatus, Ga droplets 4 are formed. The shape, size, and formation number density of the droplet 4 can be controlled to some extent by the substrate temperature, the beam flux, and the molecular beam irradiation time.
Substrate temperature 610 ° C, beam flux 8 × 10 ^-7 Tor
At r, if Ga for half atomic layer is supplied, the diameter becomes 70
3.5 × 10 ¹¹ Torr droplets / m of 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 to which the droplets are attached is transferred to a reactive ion beam etching (RIBE) device. Therefore, an NF ₃ plasma is set up so that the F atoms are replaced with 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 diagram showing a conical hole 1 produced by performing RIBE with chlorine on the substrate 3 having the Ga droplets and the aluminum fluoride forming layer 2 thus formed.

【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 property, and can be controlled by 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 the condition that the chemical reactivity is low, and in order to form a cylindrical hole, the chemical reactivity may be slightly increased. Chlorine partial pressure 1 × 10 ^-4 Tor
r, ion energy 500 eV, etching at room temperature creates a conical hole with a chlorine partial pressure of 8 × 10 ⁻⁴ Torr,
A columnar hole is formed by etching at an ion energy of 500 eV and room temperature. If it is necessary to remove the aluminum fluoride forming layer 2 before growing the substrate, chlorine RIBE may be carried out for a long time, or electron beam irradiation, hydrogen cleaning, heat cleaning or the like may be used.

【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. 6 is a diagram showing a GaAs quantum box 6 formed in FIG. First, the substrate 3 having the 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 accumulate at the bottom of the conical hole 1, and when the AlGaAs cap layer 7 is grown from above, the 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 RIBE shown in FIG.
If the compound device in which the device 9 is connected by the ultra-high vacuum tunnel 10 is used, all the work after the growth of the AlGaAs substrate can be performed in vacuum in the above-mentioned quantum box production, so that the surface is not exposed to air and oxygen It is possible to obtain a good element free from contamination such as carbon and carbon.

【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 a compound semiconductor substrate containing Al such as AlInAs and AlAs. The droplet is not limited to Ga and may be In. The gas used for forming aluminum fluoride is not limited to NF ₃ , and any gas containing fluorine such as SF ₆ and CF ₄ may be used. The etching method is also RIBE
However, other reactive etching such as RIE or IBAE may be used. The etchant gas is not limited to chlorine, but SiC
It may be l ₄ , CH _4, etc.

【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 the quantum box is formed on the conical or cylindrical hole by crystal growth, there is no damage such as etching. In addition, since quantum boxes can be manufactured by an integrated vacuum process, it has the effect of producing good devices that are not affected by contamination due to exposure to air such as carbon or oxygen.

【図面の簡単な説明】[Brief description of 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 diagram 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 diagram 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 diagram showing a vacuum consistent quantum box manufacturing apparatus.

【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 1 Conical Hole 2 Aluminum Fluoride Forming Layer 3 AlGaAs Substrate 4 Ga Droplet 5 AlGaAs Buffer Layer 6 GaAs Quantum Box 7 AlGaAs Cap Layer 8 Substrate Introduction Chamber 9 RIBE Device 10 Ultra High Vacuum Tunnel 11 MBE Device

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 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、こうしてできた穴を持つ基板上に量子井戸構
造を成長する工程とを有することを特徴とする量子箱作
製方法。1. A step of forming a droplet of In or Ga on a compound semiconductor substrate containing Al, and then forming aluminum fluoride on a surface without a droplet on the substrate by a gas containing fluorine, and then performing dry etching. Using the aluminum fluoride layer as a mask, the step of selectively etching only the droplet and the area covered by the droplet to form a cylindrical or conical hole, and a quantum well structure on a substrate having the hole thus formed And a step of growing the quantum box.