JPH02137316A - 半導体量子細線の製造方法 - Google Patents

半導体量子細線の製造方法

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JPH02137316A
JPH02137316A JP29187788A JP29187788A JPH02137316A JP H02137316 A JPH02137316 A JP H02137316A JP 29187788 A JP29187788 A JP 29187788A JP 29187788 A JP29187788 A JP 29187788A JP H02137316 A JPH02137316 A JP H02137316A
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semiconductor
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growing
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JP29187788A
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English (en)
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Seigo Ando
精後 安藤
Takashi Fukui
孝志 福井
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NTT Inc
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体量子m線の製造方法に関し、とくに、超
高速の一次元電子トランジスタ、あるいは量子干渉を利
用した高変換効率の非線形素子等に利用される一次元量
子細線の製造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
材料として)JGaAa/GaAsを例にとって従来提
案されている一次元量子細線の構造を第7図に示す。
これは%AJGaAs/GaAsの多層膜の側面に変調
ドーグによって一次元電子状態を実現するものである。
図中点線で囲まれた多層膜/ AJGaAs界面の部分
が一次元電子状態になる。1は半絶縁性GaAa基板、
2はノンドープAJGaAs成長層、3はノンドープG
aA3成長層、4はノンドープAJGaAsスベ−サ層
、5はSiドープAJGaAs成長層である。
この構造の作製方法を第8図a乃至Cに示す。
まず、分子線エピタキシャル成長法あるいは、有機金属
気相成長法によって半絶縁性GaAs基板層上にノンド
ープの2のAlGaAs、  3のノンドープGaA1
mを順次成長させ、多層構造を作製する。次に、多層膜
ウェハ上にエツチングマスク6ヲ〔110〕方向に配し
く第8図a)、化学エツチングあるいはプラズマエツチ
ングによって段差を作る(第8図b)。
再び分子線エピタキシャル成長法か有機金属気相成長法
で4のノンドープAA’GaAaを10nmの厚さでエ
ツチング側面に成長させ、引き続き5の、Slドープ(
〜10” cm−”) AlGaAsを1100nの厚
さで成長させて、側面に一次元電子状態を実現する(第
8図C)。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の上記で説明した量子細線の作製方法には、次のよ
うな問題点がある。
化学エツチングによ多形成された側面(第7図の斜線部
分)は、炭素、酸素、シリコン等で汚染されておシ、こ
れらの汚染物は電子の散乱要因や再結合中心となシ、さ
らにトラップとして働くためキャリア濃度が低下すると
いう間組がある。さらに化学エツチングでは物質の種類
によってエツチング速度が異なるので、エツチングの側
面は凹凸になり、やはシミ子の散乱要因となる。一方、
プラズマエツチングによって加工する場合、加工面(第
7図の斜線部分)にダメージ層あるいは変質層ができる
。それらの層も電子の散乱要因や再結合中心となシ、こ
の量子細線を使ったデバイスの性能を著しく悪くすると
いう問題がある。第7図の構造を持つ量子細線は加工側
面を使うものであるから、界面の汚染や加工ダメージは
致命的な欠陥となる。
本発明は従来の問題点を解決し、加工ダメージや汚染か
ら完全に逃れることは勿論のこと横方向の界面の急峻性
も単原子オーダで制御可能な半導体量子細線の製造方法
を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は上記目的を達成するため、(001)化合物半
導体基板面上に絶縁膜を堆積し、[110]方向のスト
ライプ状の関口部を形成する第一の工程、前記開口部を
形成した半導体基板上に有機金属気相成長法により、メ
チル系有機金属を用いて、■/m比60以上、400以
下、成長温度700度C以上、850度C以下で半導体
を一層成長させる第二の工程、前記成長させた半導体層
上にV/III比150以下、5以上で750度C以下
、SOO度C以上の成長温度で少なくとも2種類以上の
低不純物濃度の半導体を順次成長させ台形状のストライ
プを形成する第三の工程、前記台形状に形成したストラ
イプの台形側面にエチル系有機金属を用いて高不純物濃
度の半導体を成長させる第四の工程からなることを特徴
とする。
〔作用〕
本発明の量子細線の製造方法は、エツチング側面の凹凸
や汚染あるいは加工によるダメージを克服するために考
えられたものであシ、予め選択マスクを配置した基板状
に、有機金属気相成長法を使って台形状の多層構造を成
長させ、引きつづく成長によってその台形状の多層構造
の側面に変調ドープによって一次元電子状態を実現し、
童子細線を作ることを、主要な特徴とした製造方法であ
る。
すなわち本発明の製造方法は、成長温度とV/IIIに
よって選択成長の成長様式が変わることを巧みに利用し
たものであり、すべて成長工程のみで量子細線を形成す
るものであるから、加工ダメージや汚染から完全に逃れ
ることは勿論のこと横方向の界面の急峻性も単原子オー
ダで制御可能である。
以下図面にもとづき実施例について説明する。
〔実施例〕
以下、材料としてAJGaAs/GaAsを例にとって
本発明の実施例に付いて詳細に説明する。
第1図は、本発明の方法によって作られた量子細線の基
本構造であり、童子細線は点線で囲まれた界面の部分に
存在する。第7図と同じ符号は同じ要素を示す。
第2図a乃至Cは、第1図の構造を作製する手順を示し
ておシ、以下順次説明する。まず、半絶縁性QaAs基
板l上に9の選択成長マスクとしてSingをスパッタ
法かCVD法で堆積させ、 [110)方向に長いスト
ライプ状の開口部を作る(第2図a)。
この基板上に有機金属気相成長法を使い、メチル系有機
金属を用いて、V/lit比90−150の範囲、80
0℃の成長温度で10のランド−1AJGaA!Iバツ
フフ層f 100 nm成長させた後、V/11比50
.650℃の成長温度で7のノンドープAJGaAs 
100 nmを成長させ、3のノンドープGaAsと2
のノンドープA4GaAsを順次10nm の厚さで成
長させ多層構造を作製し、最後に8のノンドープAJG
aAsを1100n成長させる。この時、10のノンド
ープAJGaAaバッファ層を挿入することによシ、選
択成長マスク9のSi0gマスクの揺らぎによる側面の
異常成長を防げ、第2図すに示すように成長層は台形状
になシ、その台形の側壁にはいっさい成長しない。
このノンドープAJGaAsバッファ層10の効果を第
3図a、bに示す。第3図aはノンドープAj’GaA
sバッファ層10の無い場合で、第3図すはノンドーグ
AノGJLA8バッファ層lOの有る場合である。ノン
ドープAJGaAsバッファ層lOの無い第3図aの場
合は1台形の側壁に選択成長マスク9のSi0gマスク
の揺らぎによる側面の異常成長11が生じる。
次に、エチル系有機金属を用いてSOO℃の成長温度で
この台形状の多層構造の上に4のノンドープAJGaA
sを10nm成長させ、続いて5のStドープAJGa
Asによって台形の側面は有効に変調ドープされるが、
台形状多層膜の上面は1100nの8のノンドープAJ
GaAsがあるため上側界面に電子は存在しないので、
台形側面に一次元電子状態が実現できる。ここでエチル
系有機金属を使用するのは、以下の理由による。メチル
系の成長による変調ビー1構造の作製にはAIGaAa
層へのカーボンの取シ込みによシ、移動度が低下する問
題があシ、これを防ぐために■/II!比を大きくする
が、V/III比を大きくすると側壁への成長が困難と
なる。従ってV/I比が小さくてもカーボンの取り込み
のな込エチル系が有効となる。本実施例では高周波加熱
の横型炉を用い、減圧下で成長を行なった。原料として
トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリエ
チルガリウム、トリエチルアルミニウム、アルシンを用
いて、第2図aで示した半絶縁性GaAS基板上に選択
成長させた。
また、類似の細線成長はAaaiらによシAppli−
ed Physics Letters 51巻(19
87年) 1sts −20ページに報告されているが
、[110]方向のストライプを用すてGaAs層のみ
を台形上に成長した。単にGaAs f、 AJGaA
sで覆う細線の場合はこの方向で良好な細線が得られた
。しかし、AJGaAs/GaAs多層膜を台形上に成
長する場合は、〔110〕方向ストライプでは[110
:]方向と比較して良好な台形形状は得られない。第4
図a、bは成長側壁の顕微鏡写真をトレースしたもので
、第4図aに示すようにAA’GaA31成長で[11
0]方向ストライプの場合は5皮類いた(111) B
面が鏡面成長するが、[110]方向ストライプの場合
では側面はほぼ(111) A面になるが、第4図すに
示すように鏡面は得られない。
従って、本発明の主張点は、(110)方向のストライ
プによシ良好な多層膜を成長したこと、10のノンドー
プAI!VGaAaバッファ層を導入したこと、多層構
造のファセット成長全メチル系有機金属で行い、側面へ
の成長をエチル系有機金属で行ったことにある。第5図
には、このようにして作製した細線の一例として@70
 nmの量子a線の顕微鏡写真をトレースしたものを示
す。なお斜めの界面に一次元電子1− DECが存在す
ることは磁気抵抗の磁場方位依存性から確認している。
本実施例は■/Il比90−150の範囲、800℃の
成長温度でノンドープAlGaA3バッファ層を、V/
III比50.650℃の成長温度でノンドープAlG
aAs層を成長させた例について説明したが、前者のバ
ッファ層成長条件はV1m比60以上、400以下、成
長温度700℃以上、850℃以下、後者のノンドープ
AA’GaAa層成長条件はV/III比150以下、
5以上、成長温度750℃以下、500℃以上のそれぞ
れの範囲で本発明の製造方法は適用できることを確認し
した。なお、これらの条件範囲外において製造を試みた
ところ、マスクの揺らぎによる異常成長を取シ除くこと
ができなかった。また不純物濃度の増加によυ台形状の
多層構造内にパラレル伝導を生ずるのが認められ好まし
くない。
以上説明したように、本実施例の作製方法によれば、す
べて成長工程だけで作製可能なので、エツチング汚染や
加工ダメージがなく、側面も単原子オーダで平坦な量子
細線となる。
本発明の実施例では、AlGaAs/GaAa系材料で
説明したが、GaInP/GaAs、 GaInAs/
InP等のm−■族生導体及びその混晶系、Zn5e/
GaAa等の■−■族半導体とその混晶系材料でも実現
できる。
また、同一の手法を用いて第6図に示すような逆構造の
作製も可能である。第1図と同じ符号は同じ要素を示す
。この構造を用いれば、V/m ?下げて3のノンドー
プQaAs成長層をメチル系有機金属で行うことができ
る。また、ノンドープAA’GaAsバッファ層の効果
は、AJGaAs 7アセツト成長だけでなく、G&A
Bファセット成長でも有効である。
〔発明の効果〕
本発明の製造方法は、成長工程のみで量子細線を形成す
るものであるから、加工ダメージや汚染から完全に逃れ
ることはもちろんのこと横方向の界面の急峻性も単原子
オーダで制御可能である。
本発明を用いることによフ、従来のプレーナ型FETと
比較して高いトランスコンダクタンスをもつ一次元FE
Tが得られた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の製造方法で作製される量子細線構造、 第2図a”−cは本発明の製造方法による量子細線構造
の作製手順を説明する図、 第3図a、bはAJGaAsファセット成長のバッファ
層の効果を説明する図、 第4図a、bは(110)方向ストライブおよび〔11
0〕方向ストライブ上のAJGaAs成長を示す図、第
5図はAJGaAa/GaAs−次元量子細線、第6図
は本発明の製造方法で作成される量子細線構造の他の実
施例、 第7図は従来提案されている一次元量子MB線構造断面
図、 第8図a−cは従来の作製法を説明する図である。 l・・・半絶縁性GaAs基板 2.7.8・・・ノンドープAJGaAs成長層3・・
・ノンドーグGaAa成長層 4・・・ノンドー7°AIGaAaスペーサ層5 ”−
SiドープAJGaAs成長層6・・・エツチングマス
ク 9・・・選択成長マスク 10・・・ノンドーグAlGaAsバッファ層11・・
・異常成長 特許出願人 日本電信電話株式会社 代理人 弁理士 玉 蟲 久方部 (外1名) [1101 [110) 本発明の製造方法による量子細線構造の作製手順を説明
する図第 図 第 図 第 図 GaAs A桑らAs/GaAs−次元電子細線 第 図 本発明の製造方法で作製される量子線構造の他の実施例
第 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (001)化合物半導体基板面上に絶縁膜を堆積し、〔
    110〕方向のストライプ状の開口部を形成する第一の
    工程、 前記開口部を形成した半導体基板上に有機金属気相成長
    法により、メチル系有機金属を用いて、V/III比60
    以上、400以下、成長温度700度C以上、850度
    C以下で半導体を一層成長させる第二の工程、 前記成長させた半導体層上にV/III比150以下、5
    以上で750度C以下、500度C以上の成長温度で少
    なくとも2種類以上の低不純物濃度の半導体を順次成長
    させ台形状のストライプを形成する第三の工程、 前記台形状に形成したストライプの台形、側面にエチル
    系有機金属を用いて高不純物濃度の半導体を成長させる
    第四の工程からなる ことを特徴とする半導体量子細線の製造方法。
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