JPH0897152A - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法

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JPH0897152A
JPH0897152A JP22777494A JP22777494A JPH0897152A JP H0897152 A JPH0897152 A JP H0897152A JP 22777494 A JP22777494 A JP 22777494A JP 22777494 A JP22777494 A JP 22777494A JP H0897152 A JPH0897152 A JP H0897152A
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JP
Japan
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compound semiconductor
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thin film
semiconductor
compound
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JP22777494A
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English (en)
Inventor
Hisao Saito
久夫 斎藤
Naoki Kobayashi
小林  直樹
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NTT Inc
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 原子オーダーの寸法制度で汚染およびダメー
ジなど無く高品質の半導体薄膜を形成できるようにする
ことを目的とする。 【構成】 AlGaAs層2の表面は、2.8Åの段差
をもつ単分子ステップ3とAs原子で覆われた幅162
Åのテラス4とからなり、ここに、ジメチルヒドラジン
を導入することで、テラス4上のAs原子は単分子ステ
ップ3端から順次窒素原子に置き換わり、テラス4は単
分子ステップ3端より窒素原子で覆われた領域5と、A
s原子で覆われたままの領域6とに配分される。そし
て、ここにトリメチルガリウムとアルシンを導入して、
領域6上に選択的にGaAsを成長させて量子細線7を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、電子機能素子や光機
能素子を実現するための半導体薄膜の製造方法に関する
もので、より詳細には、半導体量子細線および半導体量
子箱の製造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】より高度な電子機能素子や光機能素子を
実現するためには、半導体結晶成長技術の一層の向上が
要求される。最近では、分子線ビームエピタキシ法や有
機金属気相成長法(MOCVD)の進展により、半導体
基板上に膜厚方向に単原子層程度の制御性を有する半導
体薄膜を複数形成して、その薄膜界面が急峻なヘテロ接
合面を有する結晶成長技術が確立しつつある。
【0003】また、半導体薄膜の加工技術についても、
電子ビームリソグラフィーや反応性ドライエッチング技
術により、半導体薄膜の横方向サイズをサブミクロンの
スケールで加工ができるほどに進展している。このた
め、半導体中での新しい物理現象を解明し、新しい機能
をめざして、100オングストローム以下の異種の半導
体薄膜を成長させた量子細線あるいは量子箱の研究が展
開している。
【0004】従来よりある量子細線および量子箱の製造
方法としては、以下に示すものが上げられる。まず、半
導体基板上に量子井戸や超格子の2次元構造薄膜の結晶
を気相成長法などにより形成し、この上に電子ビーム露
光によるリソグラフで形成したレジストパターンをマス
クとした反応性イオンエッチングにより不要部分を取り
除くことにより、量子細線などを形成する方法がある。
また、形成された量子井戸層などに、収束したイオンビ
ームを照射して選択的な材料改質を行うことにより、量
子細線や量子箱を形成する方法が報告されている(文
献:K.Kash et al."Optical spectroscopy of ultrasma
ll structures etched from quantum wells "Appl.Phy
s.Lett.49,1043(1986))。
【0005】また、半導体基板として、階段状に結晶が
形成されている表面を有する微傾斜基板を用いて、その
階段状のステップ部に付着原子を吸着させて結晶を成長
させることにより、縦型超格子を成長し(ステップフロ
ー成長)、それを量子細線として用いる方法がある(文
献:T.Fukui and H.Sato,J.Vac.Sci.Technol.B6,1373(1
988))。また、SiO2 膜などのマスクで覆われた基板
表面での選択成長(文献:Y.Fukui and S.Ando, Appl.P
hys.Lett.58,2018(1991))を利用して、量子細線や量子
箱を製造する方法が試みられてきた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来は以上のように量
子細線や量子箱の製造がなされていたので、以下に示す
ような問題があった。まず、電子ビームやイオンビーム
の露光を用いる方法では、任意の形状に加工できる反
面、試料が加工装置に装着するときに大気にさらされる
ため、汚染を受けやすく、それらの加工によるダメージ
が入りやすいという問題があった。そして、これらの方
法では、原子オーダーの精度で量子細線や量子箱を製造
することは、加工の機構から考えて不可能であった。
【0007】一方、ステップフロー成長による製造で
は、縦型超格子を量子細線に用いる場合、大気にさらす
ことなく結晶成長することが可能なので、汚染を受け難
く、高品質の量子細線を製造できる。しかし、付着原子
の種類によるステップフローの成長様式の違いにより、
原子オーダーの精度で細線の大きさを制御するには限界
があった。
【0008】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、原子オーダーの寸法制度
で汚染およびダメージなど無く高品質の半導体薄膜を形
成できるようにすることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明の半導体薄膜の
製造方法は、まず、主表面が面方位(001)面より傾
斜している第1のIII−V族化合物半導体からなる化
合物半導体基体を加熱しながら、この主表面上部に窒素
原子を含む化合物気体を導入して、化合物半導体基体表
面が窒素原子で置き換わった領域を形成する。次いで、
第1のIII−V族化合物半導体よりも狭い禁制帯幅を
有する第2のIII−V族化合物半導体を構成する元素
を含む2種類以上の化合物気体を化合物半導体基体主表
面上部に導入し、前述の領域以外に選択的に第2のII
I−V族化合物半導体からなる半導体層を形成するよう
にしたことを特徴とする。
【0010】また、第2のIII−V族化合物半導体よ
りも広い禁制帯幅を有する第3のIII−V族化合物半
導体を構成する元素を含む2種類以上の化合物気体を化
合物半導体基体主表面上部に導入し、半導体層を第3の
III−V族化合物半導体で埋め込むようにしたことを
特徴とする。また、第3のIII−V族化合物半導体で
埋め込む前に、前述の領域の窒素原子を解離させ化合物
半導体基体の構成原子を露出させるようにしたことを特
徴とする。
【0011】
【作用】窒素原子で覆われた領域上には、第2のIII
−V族化合物半導体が成長しない。
【0012】
【実施例】以下この発明の1実施例を図を参照して説明
する。 実施例1.図1は、この発明の1実施例である量子細線
を製造する工程を示す断面図である。以下、この図1を
用いて、この実施例1における量子細線の製造方法につ
いて説明する。まず、(001)面より[−110]方
向に1度傾斜させた面を主表面とするGaAsからなる
基板1上に、AlGaAs混晶からなるAlGaAs層
2(化合物半導体基体)を成長させる(図1(a))。
なお、以下に示す図1(b)〜(e)においては、基板
1を省略してあるが、図1(b)〜(e)においても基
板1上にAlGaAs層2は形成されているものであ
る。
【0013】この成長は、基板1を加熱できる支持台
と、この支持台上部領域に原料ガスを供給することがで
きる有機金属気相成長法(MOCVD)による半導体薄
膜成長装置を用い、基板1の温度を600℃とし、原料
ガスとしてトリメチルガリウム,トリメチルアルミニウ
ムおよびアルシンを供給することで行う。成長したAl
GaAs層2の表面は、階段状となっている基板1表面
の状態を反映しており、2.8Åの段差をもつ単分子ス
テップ3と、As原子で覆われた幅162Åのテラス4
からなる。
【0014】次に、基板1の温度を500〜600℃と
して、ジメチルヒドラジンを分圧10-3〜10-2Pa,
1秒から10分の範囲で導入する。このことにより、テ
ラス4上のAs原子は、単分子ステップ3端から順次窒
素原子に置き換わり、テラス4は単分子ステップ3端よ
り窒素原子で覆われた領域5と、As原子で覆われたま
まの領域6とに配分される(図1(b))。この配分の
割合は、基板温度,供給するジメチルヒドラジンの分圧
と供給時間によって制御される。
【0015】次に、基板1の温度を500〜600℃と
して、トリメチルガリウムを例えば分圧1Pa,アルシ
ンを分圧70Pa供給する。このことにより、基板1上
にGaAsが成長するが、窒素原子で覆われている領域
5上にはGaAsは成長せず、領域6上に選択的にGa
Asが成長していき、図1(c)に示すように、基板1
上には量子細線7(半導体層)が形成される。この量子
細線7の縦方向のサイズは、GaAsの成長時間で制御
される。また、量子細線7の幅は、上述した窒素で覆わ
れている領域5の配分の状態により制御される。
【0016】次に、トリメチルガリウムの供給を停止し
てアルシンだけを供給し、基板1の温度を650〜70
0℃とする。このことにより、領域5を覆っている窒素
原子は解離して蒸発していき(図1(d))、代わりに
As原子が領域5を覆うようになる。引き続いて、基板
1の温度を500〜600℃とし、トリメチルガリウ
ム,トリメチルアルミニウムおよびアルシンを供給し、
基板1表面の全面にAlGaAsを成長させる。
【0017】このことにより、図1(e)に示すよう
に、量子細線7の構造がAlGaAsからなる障壁層8
(第3のIII−V族化合物半導体)で埋め込まれるこ
とになる。なお、上述した領域5の窒素原子の除去は行
わなくても障壁層8は形成できるが、窒素原子を除去し
ておいた方が、形成された素子がより安定する。
【0018】図2は、上述したことにより形成した量子
細線の劈開断面を、透過電子顕微鏡で観察した状態を示
す断面図である。同図において、21は主表面が(00
1)面より[−110]方向に1度傾斜させた面である
GaAsからなる基板、22は基板21上にMOCVD
法により形成したAl0.3Ga0.7AsからなるAlGa
As層、23はGaAsからなる量子細線、24はAl
0.3Ga0.7Asからなる障壁層である。量子細線23
は、幅5nm高さ5nmに形成されており、所望の量子
細線構造が形成されていることが確かめられた。
【0019】実施例2.なお、上記実施例では、(00
1)面より[−110]方向に1度傾斜させた面を主表
面とするGaAsからなる基板を用いるようにしたが、
これに限るものではない。図3に示すように、(00
1)面より[010]方向に約1度傾斜させた面を主表
面とするGaAsからなる基板31を用いるようにして
も良い。この場合、基板31表面は、2方向に階段状の
段差が形成され、この上に形成するAlGaAsからな
るAlGaAs層32表面も、この表面状態を反映した
ものとなる。
【0020】この状態の上に、実施例1と同様にして、
ジメチルヒドラジンを供給するなどのことにより、Al
GaAs層32表面に窒素原子で覆われた領域35を形
成する。そして、単分子ステップ33端より窒素原子で
覆われた領域35と、As原子で覆われたままの領域3
6とに配分し、この状態の上にGaAsを成長させる。
GaAsは、領域36上のみに選択的に成長し、この実
施例においては、成長するGaAsは島状に形成され、
量子箱となる。
【0021】なお上記実施例では、AlGaAs層上に
GaAsからなる細線を形成し、この上にAlGaAs
からなる障壁層を形成するようにしたが、これに限るも
のではない。例えば、障壁層としてはAlAsを用いる
ようにしてもよく、他のIII−V族化合物半導体を用
い、上記構成としても、本発明の主旨を損なうものでは
ない。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、まず、主表面が面方位(001)面より傾斜してい
る化合物半導体基体を用い、この上にジメチルヒドラジ
ンなど窒素原子を含む化合物気体を導入することで、化
合物半導体基体表面を部分的に窒素原子で覆われた状態
とする。そして、この状態に引き続いて、加熱した化合
物半導体基体上に化合物気体を供給してIII−V族化
合物半導体からなる半導体層を成長させるようにした。
このため、窒素原子で覆われた領域にはその半導体層は
成長せず、窒素原子で覆われていない領域のみに半導体
層が成長し、これが量子細線や量子箱となる。
【0023】以上の結果、途中で大気に接触すること無
く、原子オーダーの精度で半導体薄膜を形成できるとい
う効果がある。そして、汚染やダメージの少ない半導体
薄膜が形成でき、高品質な量子細線や量子箱を形成する
ことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施例1における量子細線あるい
は量子箱を製造する工程を説明するための断面図であ
る。
【図2】 実施例1における量子細線の劈開断面を透過
電子顕微鏡で観察した状態を示す断面図である。
【図3】 この発明における第2の実施例を説明するた
めの斜視図である。
【符号の説明】
1…基板、2…AlGaAs層、3…ステップ単分子、
4…テラス、5,6…領域、7…量子細線、8…障壁
層。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主表面が面方位(001)面より傾斜し
    ている第1のIII−V族化合物半導体からなる化合物
    半導体基体を加熱しながら、この主表面上部に窒素原子
    を含む化合物気体を導入して、前記化合物半導体基体表
    面が窒素原子で置き換わった領域を形成する第1の工程
    と、 前記第1のIII−V族化合物半導体よりも狭い禁制帯
    幅を有する第2のIII−V族化合物半導体を構成する
    元素を含む2種類以上の化合物気体を前記化合物半導体
    基体主表面上部に導入し、前記領域以外に選択的に前記
    第2のIII−V族化合物半導体からなる半導体層を形
    成する第2の工程とを有することを特徴とする半導体薄
    膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体薄膜の製造方法に
    おいて、 前記第2の工程の後に、前記第2のIII−V族化合物
    半導体よりも広い禁制帯幅を有する第3のIII−V族
    化合物半導体を構成する元素を含む2種類以上の化合物
    気体を前記化合物半導体基体主表面上部に導入し、前記
    半導体層を前記第3のIII−V族化合物半導体で埋め
    込む第3の工程を有することを特徴とする半導体薄膜の
    製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の半導体薄膜の製造方法に
    おいて、 前記第2の工程の後、前記第3の工程の前に、前記領域
    の窒素原子を解離させ前記化合物半導体基体の構成原子
    を露出させる工程を有することを特徴とする半導体薄膜
    の製造方法。
JP22777494A 1994-09-22 1994-09-22 半導体薄膜の製造方法 Pending JPH0897152A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100319389B1 (ko) * 1999-06-15 2002-01-09 김충섭 유기갈륨 화합물, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 질화갈륨 박막의 제조 방법
JP2004165344A (ja) * 2002-11-12 2004-06-10 Japan Science & Technology Agency 結晶成長方法

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