JP2002037695A - Method of forming single crystal thin film - Google Patents

Method of forming single crystal thin film

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JP2002037695A
JP2002037695A JP2000223785A JP2000223785A JP2002037695A JP 2002037695 A JP2002037695 A JP 2002037695A JP 2000223785 A JP2000223785 A JP 2000223785A JP 2000223785 A JP2000223785 A JP 2000223785A JP 2002037695 A JP2002037695 A JP 2002037695A
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thin film
single crystal
crystal thin
quantum dots
forming
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Chiaki Domoto
千秋 堂本
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Original Assignee
Kyocera Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of forming a single crystal thin film in which a high quality single crystal thin film having a small dislocation density can readily be produced when growing a single crystal thin film having different quality of material on a single crystal substrate. SOLUTION: This single crystal thin film is formed by the following steps of: forming a first single crystal thin film 2 having a different latice constant on a single crystal substrate 1; forming selectively many quantum dots 3 comprising single crystals having a larger latice constant than that of the thin film 2 along a dislocation line 5 of the first single crystal thin film 2; growing continuously a second single crystal thin film 4 comprising single crystals having the same quality of the first single crystal thin film 2 on the first single crystal thin film 2 in a way that the quantum dots 3 are covered.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶基板上に、
基板とは異なる材質の単結晶薄膜を成長させる単結晶薄
膜の形成方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a single crystal substrate,
The present invention relates to a method for forming a single crystal thin film for growing a single crystal thin film of a material different from that of a substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、単結晶薄膜は、半導体レーザ
ー・フォトディテクタ・光変調器等の光デバイスやFE
T・HEMT・HBT等の電子デバイス、更にはフォニ
ック結晶・マイクロマシン等に幅広く用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, single crystal thin films have been used for optical devices such as semiconductor lasers, photodetectors, optical modulators, and FEs.
It is widely used for electronic devices such as T-HEMTs and HBTs, as well as phonic crystals and micromachines.

【0003】最近では、シリコンから成る単結晶基板上
にガリウム砒素(GaAs)の単結晶薄膜を成長させた
ものやサファイアから成る単結晶基板上に窒化ガリウム
(GaN)の単結晶薄膜を成長させたもの等、単結晶基
板上に材質の異なる単結晶薄膜を成長させるための研究
が行われており、これらが実現すると、従来、基板が無
かった材料でも単結晶薄膜を形成することが可能とな
る。
Recently, a single crystal thin film of gallium arsenide (GaAs) has been grown on a single crystal substrate of silicon, and a single crystal thin film of gallium nitride (GaN) has been grown on a single crystal substrate of sapphire. Research on growing single-crystal thin films of different materials on single-crystal substrates, such as those, has been carried out, and if these are realized, it becomes possible to form single-crystal thin films even with materials that did not have a conventional substrate .

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単結晶
基板上に異なる材質の単結晶薄膜を成長させる場合、単
結晶基板と単結晶薄膜の格子定数が僅か1%でも相違し
ていると、単結晶薄膜の転位密度が大となり、高品質な
単結晶薄膜を形成することが困難になるという欠点を有
していた。
However, when growing single-crystal thin films of different materials on a single-crystal substrate, if the lattice constant of the single-crystal substrate and the single-crystal thin film differ by only 1%, the single-crystal There is a disadvantage that the dislocation density of the thin film becomes large and it becomes difficult to form a high quality single crystal thin film.

【0005】例えば、シリコンから成る単結晶基板上に
ガリウム砒素の単結晶薄膜を成長させた場合、単結晶基
板と単結晶薄膜の格子定数の差は4%程度になり、単結
晶基板の転位密度(1〜1×102/cm2)に対して単
結晶薄膜のそれは1×105〜1×106/cm2程度と
極めて大きくなる。
For example, when a gallium arsenide single crystal thin film is grown on a silicon single crystal substrate, the difference in lattice constant between the single crystal substrate and the single crystal thin film is about 4%, and the dislocation density of the single crystal substrate is small. In contrast to (1 to 1 × 10 2 / cm 2 ), that of the single crystal thin film is extremely large, about 1 × 10 5 to 1 × 10 6 / cm 2 .

【0006】このように転位密度が大きくなると、単結
晶薄膜を発光デバイスとして用いる場合には非発光再結
合が増加して発光効率を低下させる不都合があり、また
受光デバイスとして用いる場合には暗電流の増加を招い
てS/N比が低下するという不都合があり、更に電子デ
バイスとして用いる場合には電子の移動度が低下して駆
動周波数が低下するという不都合がある。
[0006] When the dislocation density is increased as described above, non-radiative recombination increases when a single crystal thin film is used as a light emitting device, and the luminous efficiency decreases. In addition, there is a disadvantage that the S / N ratio is reduced due to an increase in the S / N ratio, and further, when used as an electronic device, there is a disadvantage that the mobility of electrons is reduced and the driving frequency is reduced.

【0007】本発明は上述の不都合に鑑み案出されたも
ので、その目的は、単結晶基板上に材質の異なる単結晶
薄膜を成長させる場合に転位密度の小さな高品質の単結
晶薄膜を容易に形成することができる単結晶薄膜の形成
方法を提供するものである。
The present invention has been devised in view of the above-mentioned disadvantages, and has as its object to easily produce a high-quality single crystal thin film having a low dislocation density when growing a single crystal thin film of a different material on a single crystal substrate. It is intended to provide a method for forming a single crystal thin film which can be formed on a substrate.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶薄膜の形
成方法は、単結晶基板上に、該単結晶基板とは異なる格
子定数を有する第1の単結晶薄膜を成長させる工程と、
前記第1の単結晶薄膜の表面に、これよりも大きな格子
定数を有する単結晶から成る多数の量子ドットを第1の
単結晶薄膜の転位線に沿って選択的に形成する工程と、
前記第1の単結晶薄膜と同質の単結晶から成る第2の単結
晶薄膜を、前記量子ドットを被覆するようにして、前記
第1の単結晶薄膜上に連続的に成長させる工程と、を含
むことを特徴とするものである。
A method for forming a single crystal thin film according to the present invention comprises the steps of: growing a first single crystal thin film having a lattice constant different from that of the single crystal substrate on the single crystal substrate;
On the surface of the first single-crystal thin film, a step of selectively forming a large number of quantum dots made of a single crystal having a larger lattice constant along dislocation lines of the first single-crystal thin film,
A step of continuously growing a second single-crystal thin film made of a single crystal of the same quality as the first single-crystal thin film on the first single-crystal thin film so as to cover the quantum dots. It is characterized by including.

【0009】また本発明の単結晶薄膜の形成方法は、前
記量子ドットの形成密度が、1×106個/cm2〜1×
1010個/cm2であることを特徴とするものである。
Further, in the method for forming a single crystal thin film according to the present invention, the formation density of the quantum dots is 1 × 10 6 / cm 2 to 1 ×
It is characterized by being 10 10 pieces / cm 2 .

【0010】更に本発明の単結晶薄膜の形成方法は、前
記単結晶基板がSiから成り、第1の単結晶薄膜及び第2
の単結晶薄膜がGaAsから成り、量子ドットがInA
s、InGaAs、InAlAs、InAlGaAsの
いずれかより成ることを特徴とするものである。
Further, in the method for forming a single-crystal thin film of the present invention, the single-crystal substrate is made of Si, and the first single-crystal thin film and the second
Is made of GaAs, and the quantum dots are InA
s, InGaAs, InAlAs, or InAlGaAs.

【0011】また更に本発明の単結晶薄膜の形成方法
は、前記第1の単結晶薄膜、量子ドット及び第2の単結晶
薄膜が単一の成膜室内で連続的に形成されることを特徴
とするものである。
Further, the method of forming a single crystal thin film according to the present invention is characterized in that the first single crystal thin film, the quantum dots and the second single crystal thin film are continuously formed in a single film forming chamber. It is assumed that.

【0012】本発明の単結晶薄膜の形成方法によれば、
第1の単結晶薄膜の転位線を多数の量子ドットで被覆
し、その上に転位の少ない高品質の第2の単結晶薄膜を
形成するようにしたことから、この第2の単結晶薄膜を
用いて各種デバイスの機能素子を構成することにより、
高品質のデバイスが得られるようになる。
According to the method for forming a single crystal thin film of the present invention,
Since the dislocation lines of the first single-crystal thin film were covered with a large number of quantum dots, and a high-quality second single-crystal thin film with few dislocations was formed thereon, this second single-crystal thin film was By configuring the functional elements of various devices using
High quality devices can be obtained.

【0013】また本発明の単結晶薄膜の形成方法によれ
ば、単結晶基板を成膜室から一度も取り出すことなく、
第1の単結晶薄膜、量子ドット及び第2の単結晶薄膜を同
じ成膜室内で連続的に形成することができるため、単結
晶薄膜の形成が容易であり、生産性を高く維持すること
ができる。
Further, according to the method for forming a single crystal thin film of the present invention, the single crystal substrate is not taken out of the film forming chamber even once,
Since the first single-crystal thin film, the quantum dots, and the second single-crystal thin film can be continuously formed in the same deposition chamber, the formation of the single-crystal thin film is easy, and high productivity can be maintained. it can.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

【0015】図1は本発明の一形態に係る形成方法によ
って製作した単結晶薄膜の断面図であり、1は単結晶基
板、2は第1の単結晶薄膜、2aは転位線、3は量子ド
ット、4は第2の単結晶薄膜、5は転位である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a single crystal thin film manufactured by a forming method according to one embodiment of the present invention, wherein 1 is a single crystal substrate, 2 is a first single crystal thin film, 2a is a dislocation line, and 3 is a quantum Dots, 4 are second single crystal thin films, and 5 are dislocations.

【0016】前記単結晶基板1は、単結晶シリコンやサ
ファイア,ガリウム砒素,インジウム燐(InP),炭
化珪素(SiC)等から成り、その上面で第1の単結晶
薄膜2や第2の単結晶薄膜4を支持するための支持母材
として機能する。
The single crystal substrate 1 is made of single crystal silicon, sapphire, gallium arsenide, indium phosphide (InP), silicon carbide (SiC), or the like, and has a first single crystal thin film 2 and a second single crystal It functions as a supporting base material for supporting the thin film 4.

【0017】前記単結晶基板1は、例えば単結晶シリコ
ンから成る場合、従来周知のチョコラルスキー法(引き
上げ法)を採用することによって単結晶シリコンのイン
ゴット(塊)を形成し、これを所定厚みにスライスした
上、表面を研磨することによって製作される。
When the single-crystal substrate 1 is made of, for example, single-crystal silicon, an ingot of single-crystal silicon is formed by adopting a conventionally known Czochralski method (pulling method), and the ingot is formed into a predetermined thickness. It is manufactured by slicing and polishing the surface.

【0018】また前記単結晶基板1の上面には第1の単
結晶薄膜2と第2の単結晶薄膜4とが順次被着されてい
る。
On the upper surface of the single crystal substrate 1, a first single crystal thin film 2 and a second single crystal thin film 4 are sequentially applied.

【0019】前記第1の単結晶薄膜2及び第2の単結晶薄
膜4は、同一の単結晶材料にて継ぎ目なく連続的に形成
されており、これら単結晶薄膜2,4は単結晶基板1を
形成する単結晶(シリコン)とは異なる格子定数をもっ
た別の単結晶により形成される。
The first single-crystal thin film 2 and the second single-crystal thin film 4 are continuously formed of the same single-crystal material without any seam. Is formed by another single crystal having a lattice constant different from that of the single crystal (silicon) that forms.

【0020】例えば単結晶基板1が単結晶シリコンから
成る場合、第1、第2の単結晶薄膜2,4としては、単結
晶シリコンの格子定数(5.43Å)に対し±3%〜±
8%だけ異なる格子定数を有した単結晶、例えばガリウ
ム砒素やガリウム燐(GaP),インジウム燐(In
P)等が用いられる。
For example, when the single crystal substrate 1 is made of single crystal silicon, the first and second single crystal thin films 2 and 4 have a lattice constant of ± 3% to ± 3% with respect to the lattice constant (5.43 °) of single crystal silicon.
Single crystals having lattice constants different by 8%, such as gallium arsenide, gallium phosphide (GaP), indium phosphide (In)
P) is used.

【0021】また前記第1の単結晶薄膜2には多数の転
位5が形成されており、第1の単結晶薄膜2と第2の単結
晶薄膜4との間には、転位線に沿って多数の量子ドット
3が介在されている。
A large number of dislocations 5 are formed in the first single crystal thin film 2, and a gap between the first single crystal thin film 2 and the second single crystal thin film 4 is formed along the dislocation line. Many quantum dots 3 are interposed.

【0022】この量子ドット3とは、幅1nm〜100
nm、高さ0.5nm〜10nmの多面体もしくは半球
状を成す構造物であり、電子の状態密度が量子効果を受
けて離散化される程度に小さく形成されている。
The quantum dots 3 have a width of 1 nm to 100 nm.
It is a polyhedral or hemispherical structure having a height of 0.5 nm to 10 nm and a small density such that the density of states of electrons is discretized by the quantum effect.

【0023】前記量子ドット3は、先に述べた第1、第2
の単結晶薄膜2,4の格子定数よりも大きな格子定数を
有した高品質の単結晶により形成される。
The quantum dots 3 correspond to the first and second quantum dots described above.
Formed of a high-quality single crystal having a lattice constant larger than the lattice constant of the single crystal thin films 2 and 4.

【0024】これらの量子ドット3は、好適には、第
1、第2の単結晶薄膜2,4の格子定数に対し3%〜8%
だけ大きな格子定数を有した単結晶により形成され、量
子ドット3を形成する単結晶材料としては例えば第1、
第2の単結晶薄膜2,4がガリウム砒素から成る場合、
InAsやInGaAs、InAlAs、InAlGa
As、GaSb等が用いられる。
These quantum dots 3 are preferably
1. 3% to 8% of the lattice constant of the second single crystal thin films 2 and 4
The single crystal material formed of a single crystal having only a large lattice constant and forming the quantum dots 3 includes, for example,
When the second single crystal thin films 2 and 4 are made of gallium arsenide,
InAs, InGaAs, InAlAs, InAlGa
As, GaSb, or the like is used.

【0025】前記量子ドット3は、例えば1×106
/cm2〜1×1010個/cm2の密度で転位線付近に集
中して形成されており、これらの量子ドット3が介在さ
れている界面よりも上方の領域、即ち、第2の単結晶薄
膜4中ではその転位密度が第1の単結晶薄膜2に比し著
しく低いものとなっている。従って、この第2の単結晶
薄膜4を用いて各種デバイスの機能素子を構成すること
により、高品質のデバイスが得られ、例えば発光デバイ
スとして用いる場合には非発光再結合を減少させて発光
効率を向上させることができ、また受光デバイスとして
用いる場合には暗電流を減少させてS/N比を向上させ
ることができ、更に電子デバイスとして用いる場合には
電子の移動度、駆動周波数をそれぞれ向上させることが
できる。
The quantum dots 3 are formed near the dislocation lines at a density of, for example, 1 × 10 6 / cm 2 to 1 × 10 10 / cm 2 , and these quantum dots 3 are interposed. The dislocation density in the region above the interface, that is, in the second single crystal thin film 4 is significantly lower than that in the first single crystal thin film 2. Therefore, by constructing functional elements of various devices using the second single-crystal thin film 4, a high-quality device can be obtained. For example, when the device is used as a light-emitting device, non-radiative recombination is reduced to reduce luminous efficiency. When used as a light receiving device, the dark current can be reduced to improve the S / N ratio, and when used as an electronic device, the mobility and driving frequency of electrons can be improved. Can be done.

【0026】次に、上述した単結晶薄膜2,4の形成方
法について図2を用いて説明する。
Next, a method of forming the above-mentioned single crystal thin films 2 and 4 will be described with reference to FIG.

【0027】(1)まず、前述の製法によって製作され
た単結晶シリコンから成る単結晶基板1をアセトン等を
用いて洗浄し、これをリン酸系エッチング液に所定時間
浸漬することによって単結晶基板表面のポリッシングダ
メージ層(研磨により損傷を受けた部位)を除去する。
(1) First, the single-crystal substrate 1 made of single-crystal silicon manufactured by the above-described manufacturing method is washed with acetone or the like, and is immersed in a phosphoric acid-based etching solution for a predetermined time to prepare a single-crystal substrate. The polishing damage layer (the part damaged by polishing) on the surface is removed.

【0028】(2)次に、前記単結晶基板1を分子線単
結晶成長装置の成膜室内に配置し、単結晶基板1の表面
に形成されている酸化膜を除去する。
(2) Next, the single crystal substrate 1 is placed in a film forming chamber of a molecular beam single crystal growth apparatus, and an oxide film formed on the surface of the single crystal substrate 1 is removed.

【0029】前記酸化膜は、成膜室内を約850℃の高
温に加熱して昇華させることによって除去される。
The oxide film is removed by heating the film forming chamber to a high temperature of about 850 ° C. to cause sublimation.

【0030】(3)次に、図2(a)に示す如く、単結
晶基板1の上面に単結晶基板1とは異なる格子定数を有
する第1の単結晶薄膜2を形成する。
(3) Next, as shown in FIG. 2A, a first single crystal thin film 2 having a lattice constant different from that of the single crystal substrate 1 is formed on the upper surface of the single crystal substrate 1.

【0031】前記第1の単結晶薄膜2は、従来周知の分
子線エピタキシー(MBE)法を採用することによって
1nm〜100nmの厚みに形成される。このとき、単
結晶基板1は先に述べた(2)の工程に引き続き同じ成
膜室内に配置され、成膜室内は超高真空、高温(約40
0℃以上)に保たれる。
The first single crystal thin film 2 is formed to a thickness of 1 nm to 100 nm by employing a conventionally known molecular beam epitaxy (MBE) method. At this time, the single crystal substrate 1 is placed in the same film formation chamber following the above-described step (2), and the inside of the film formation chamber is ultra-high vacuum, high temperature (about 40
0 ° C. or higher).

【0032】そして、原材料を成膜室内に分子の形で供
給しながら、該供給された分子によって所定の単結晶を
形成し、これを単結晶基板1上に堆積させることによっ
て結晶が成長する。
Then, a predetermined single crystal is formed by the supplied molecules while supplying the raw material into the film formation chamber in the form of a molecule, and the crystal is grown by depositing the single crystal on the single crystal substrate 1.

【0033】例えば第1の単結晶薄膜2をガリウム砒素
により形成する場合は、ガリウムと砒素の分子線を単結
晶基板1上に照射し、ガリウム分子と砒素分子を単結晶
基板1の表面で結合させることによってガリウム砒素か
ら成る第1の単結晶薄膜2が単結晶基板1上に形成され
る。
For example, when the first single crystal thin film 2 is formed of gallium arsenide, a molecular beam of gallium and arsenic is irradiated on the single crystal substrate 1 to couple gallium molecules and arsenic molecules on the surface of the single crystal substrate 1. By doing so, a first single crystal thin film 2 made of gallium arsenide is formed on the single crystal substrate 1.

【0034】この場合、ガリウム砒素は単結晶基板1を
形成するシリコン分子の配列に合わせて成長するが、両
者の格子定数は約4%程度異なっているため、第1の単
結晶薄膜2中には1×108/cm2程度の密度で転位5
が発生する。
In this case, gallium arsenide grows in accordance with the arrangement of the silicon molecules forming the single crystal substrate 1, but the lattice constants of the two are different by about 4%. Is dislocation 5 at a density of about 1 × 10 8 / cm 2
Occurs.

【0035】(4)次に、図2(b)に示す如く、第1
の単結晶薄膜2の表面に、これよりも大きな格子定数を
有した単結晶から成る多数の量子ドット3を第1の単結
晶薄膜2の転位線5aに沿って選択的に形成する。
(4) Next, as shown in FIG.
A large number of quantum dots 3 made of a single crystal having a larger lattice constant are selectively formed on the surface of the single crystal thin film 2 along dislocation lines 5a of the first single crystal thin film 2.

【0036】前記量子ドッド3は、先に述べた第1の単
結晶薄膜2と同様に、従来周知の分子線エピタキシー法
を採用することによって、各々が幅100nm以下、高
さ10nm以下の多面体もしくは半球状を成すように形
成される。
As in the case of the first single crystal thin film 2 described above, each of the quantum dots 3 employs a conventionally well-known molecular beam epitaxy method to form a polyhedron having a width of 100 nm or less and a height of 10 nm or less. It is formed so as to form a hemisphere.

【0037】これらの量子ドット3を形成する際も、単
結晶基板1は先に述べた(2)(3)の工程に引き続き
同じ成膜室内に配置されており、この間、成膜室内は超
高真空、高温(約400℃以上)に保たれる。
When these quantum dots 3 are formed, the single crystal substrate 1 is placed in the same film forming chamber following the steps (2) and (3) described above. High vacuum and high temperature (above about 400 ° C).

【0038】この工程では、量子ドット3を構成するた
めの分子が成膜室内に供給され、これらは第1の単結晶
薄膜2上で結合して一旦は厚み6nm程度の膜状に堆積
されるものの、その後、応力の作用によって自然に多数
の多面体もしくは半球状体に分離・変形し、第1の単結
晶薄膜2の転位線5aを被覆するようにして形成され
る。
In this step, molecules for constituting the quantum dots 3 are supplied into the film forming chamber, and these are combined on the first single-crystal thin film 2 to be temporarily deposited in a film having a thickness of about 6 nm. However, after that, it is naturally separated and deformed into a large number of polyhedrons or hemispheres by the action of stress, and is formed so as to cover the dislocation lines 5 a of the first single crystal thin film 2.

【0039】このような量子ドット3の成長はSK(St
ranski-krastanow)モード成長と呼ばれており、表面自
由エネルギーの低い部分、即ち、転位5の発生箇所等に
例えば1×106個/cm2〜1×1010個/cm2の密
度で多数形成される。
The growth of such quantum dots 3 is based on SK (St.
This is called “ranski-krastanow” mode growth, and many portions are formed at a portion having a low surface free energy, that is, a dislocation 5 or the like at a density of, for example, 1 × 10 6 / cm 2 to 1 × 10 10 / cm 2. It is formed.

【0040】例えば量子ドット3をインジウム砒素によ
り形成する場合は、インジウムと砒素の分子線を単結晶
基板1上に照射し、インジウム分子と砒素分子を単結晶
基板1の表面で結合させることによってインジウム砒素
から成る多数の量子ドット3が形成される。この場合、
量子ドット3を形成するインジウム砒素と第1の単結晶
薄膜2を形成するガリウム砒素とは、格子定数が7%程
度異なっているため、SKモード成長を起こすのに必要
な応力がインジウム砒素に対して有効に作用し、多数の
量子ドット3を第1の単結晶薄膜表面の転位線5aに沿
って形成することができる。かかる形成法によれば、量
子ドット3は1度の成長だけで作られ、成長前の基板加
工や成長後の形状加工等を一切必要としない。
For example, when the quantum dots 3 are formed of indium arsenide, a molecular beam of indium and arsenic is irradiated onto the single crystal substrate 1 so that the indium molecules and the arsenic molecules are combined on the surface of the single crystal substrate 1. A large number of quantum dots 3 made of arsenic are formed. in this case,
Since the lattice constant of indium arsenide forming the quantum dots 3 and gallium arsenide forming the first single crystal thin film 2 are different from each other by about 7%, the stress required to cause the SK mode growth is less than that of indium arsenide. And effectively act to form a large number of quantum dots 3 along the dislocation lines 5a on the surface of the first single crystal thin film. According to such a formation method, the quantum dots 3 are formed only by one growth, and do not require any substrate processing before growth or shape processing after growth.

【0041】(5)そして最後に、図2(c)に示す如
く、第1の単結晶薄膜2と同質の単結晶から成る第2の単
結晶薄膜4を、前述した多数の量子ドット3が被覆され
るようにして、第1の単結晶薄膜2上に連続的に成長さ
せる。
(5) Finally, as shown in FIG. 2 (c), a second single crystal thin film 4 made of a single crystal of the same quality as the first single crystal thin film 2 is replaced with a plurality of quantum dots 3 described above. It is grown continuously on the first single crystal thin film 2 so as to be covered.

【0042】前記第2の単結晶薄膜4もまた、従来周知
の分子線エピタキシー法を採用することによって量子ド
ット3の存在しない第1の単結晶薄膜2の上面に継ぎ目
なく形成される。
The second single-crystal thin film 4 is also formed seamlessly on the upper surface of the first single-crystal thin film 2 where no quantum dots 3 exist by employing a conventionally known molecular beam epitaxy method.

【0043】この工程でも、単結晶基板1は先に述べた
(2)〜(4)の工程に引き続き同じ成膜室内に配置さ
れ、成膜室内は超高真空、高温(約400℃以上)に保
たれる。
Also in this step, the single crystal substrate 1 is placed in the same film forming chamber following the above-mentioned steps (2) to (4), and the film forming chamber is in an ultra-high vacuum and high temperature (about 400 ° C. or higher). Is kept.

【0044】そして、(3)の工程と同様に、原材料を
成膜室内に分子の形で供給しながら、該供給された分子
によって所定の単結晶を形成し、これを量子ドット3が
被覆されるようにして第1の単結晶薄膜2上に堆積させ
ることによって転位の少ない結晶が成長する。
Then, in the same manner as in the step (3), while supplying the raw material in the form of molecules into the film forming chamber, a predetermined single crystal is formed by the supplied molecules, and this is covered with the quantum dots 3. By depositing on the first single-crystal thin film 2 in such a manner, a crystal having few dislocations grows.

【0045】例えば第1の単結晶薄膜2がガリウム砒素
から成る場合、第2の単結晶薄膜4もガリウム砒素によ
り形成され、この場合、第2の単結晶薄膜4の転位密度
は例えば1×104/cm2程度と、第1の単結晶薄膜2
のそれに比し大幅に低減され、高品質の単結晶薄膜が得
られる。
For example, when the first single crystal thin film 2 is made of gallium arsenide, the second single crystal thin film 4 is also made of gallium arsenide. In this case, the dislocation density of the second single crystal thin film 4 is, for example, 1 × 10 About 4 / cm 2 and the first single crystal thin film 2
And a high quality single crystal thin film can be obtained.

【0046】従って、この第2の単結晶薄膜4を用いて
各種デバイスの機能素子を構成することにより、高品質
のデバイスが得られ、例えば発光デバイスとして用いる
場合には非発光再結合を減少させて発光効率を向上させ
ることができ、また受光デバイスとして用いる場合には
暗電流を減少させてS/N比を向上させることができ、
更に電子デバイスとして用いる場合には電子の移動度、
駆動周波数をそれぞれ向上させることができるようにな
る。
Therefore, by forming functional elements of various devices using the second single-crystal thin film 4, a high-quality device can be obtained. For example, when the device is used as a light-emitting device, non-radiative recombination is reduced. In the case where the device is used as a light receiving device, the dark current can be reduced and the S / N ratio can be improved.
Further, when used as an electronic device, the mobility of electrons,
Driving frequencies can be respectively improved.

【0047】またこの場合、単結晶基板1を成膜室から
一度も取り出すことなく、第1の単結晶薄膜2、量子ド
ット3及び第2の単結晶薄膜4を同じ成膜室内で連続的
に形成することができるため、単結晶薄膜2,4の形成
が容易であり、生産性を高く維持することが可能であ
る。
In this case, the first single crystal thin film 2, the quantum dots 3 and the second single crystal thin film 4 are continuously taken in the same film forming chamber without taking out the single crystal substrate 1 from the film forming chamber. Since the single crystal thin films 2 and 4 can be formed, the single crystal thin films 2 and 4 can be easily formed, and high productivity can be maintained.

【0048】尚、本発明は上述の形態に限定されるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々
の変更、改良等が可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements can be made without departing from the gist of the present invention.

【0049】例えば上述の形態において、第2の単結晶
薄膜4上に多数の量子ドットと単結晶薄膜を交互に複数
回、積層するようにしても良い。このような積層構造を
10層程度繰り返した場合、最上層となる単結晶薄膜の
転位密度は1×104/cm2程度となり、転位密度が著
しく低減される。
For example, in the above embodiment, a large number of quantum dots and single crystal thin films may be alternately stacked on the second single crystal thin film 4 a plurality of times. When such a laminated structure is repeated about 10 layers, the dislocation density of the single crystal thin film as the uppermost layer becomes about 1 × 10 4 / cm 2 , and the dislocation density is remarkably reduced.

【0050】また上述の形態では第1、第2の単結晶薄膜
2,4や量子ドット3を分子線エピタキシー法により形
成するようにしたが、これに代えてMOCVD法やホッ
トウォール法,電子線蒸着法,スパッタリング法等によ
って形成するようにしても構わない。
In the above-described embodiment, the first and second single-crystal thin films 2 and 4 and the quantum dots 3 are formed by the molecular beam epitaxy method. Instead, the MOCVD method, the hot wall method, and the electron beam method are used. It may be formed by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明によれば、第1の単結晶薄膜の転
位線を多数の量子ドットで被覆し、その上に転位の少な
い高品質の第2の単結晶薄膜を形成するようにしたこと
から、この第2の単結晶薄膜を用いて各種デバイスの機
能素子を構成することにより、高品質のデバイスが得ら
れるようになる。
According to the present invention, the dislocation lines of the first single-crystal thin film are covered with a large number of quantum dots, and a high-quality second single-crystal thin film with few dislocations is formed thereon. Therefore, high-quality devices can be obtained by forming functional elements of various devices using the second single-crystal thin film.

【0052】しかも本発明によれば、単結晶基板を成膜
室から一度も取り出すことなく、第1の単結晶薄膜、量
子ドット及び第2の単結晶薄膜を同じ成膜室内で連続的
に形成することができるため、単結晶薄膜の形成が容易
であり、生産性を高く維持することができる。
Further, according to the present invention, the first single crystal thin film, the quantum dots, and the second single crystal thin film are continuously formed in the same film formation chamber without taking out the single crystal substrate from the film formation chamber. Therefore, it is easy to form a single crystal thin film, and high productivity can be maintained.

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

【図1】本発明の一形態に係る形成方法によって製作し
た単結晶薄膜の断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a single crystal thin film manufactured by a formation method according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一形態に係る単結晶薄膜の形成方法を
説明するための工程毎の断面図である。
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views for explaining steps of a method for forming a single crystal thin film according to one embodiment of the present invention. FIGS.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・単結晶基板、2・・・第1の単結晶薄膜、3・
・・量子ドット、4・・・第2の単結晶薄膜、5・・・
転位
1 ... single-crystal substrate, 2 ... first single-crystal thin film, 3 ...
..Quantum dots, 4 ... second single-crystal thin film, 5 ...
Dislocation

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 31/10 H01S 5/343 H01S 5/343 H01L 31/10 A ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 31/10 H01S 5/343 H01S 5/343 H01L 31/10 A

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単結晶基板上に、該単結晶基板とは異なる
格子定数を有する第1の単結晶薄膜を成長させる工程
と、 前記第1の単結晶薄膜の表面に、これよりも大きな格子
定数を有する単結晶から成る多数の量子ドットを第1の
単結晶薄膜の転位線に沿って選択的に形成する工程と、 前記第1の単結晶薄膜と同質の単結晶から成る第2の単結
晶薄膜を、前記量子ドットを被覆するようにして、前記
第1の単結晶薄膜上に連続的に成長させる工程と、を含
むことを特徴とする単結晶薄膜の形成方法。
A step of growing a first single-crystal thin film having a lattice constant different from that of the single-crystal substrate on the single-crystal substrate; and forming a larger lattice on the surface of the first single-crystal thin film. Selectively forming a large number of quantum dots made of a single crystal having a constant along dislocation lines of the first single crystal thin film; and forming a second single crystal made of a single crystal having the same quality as the first single crystal thin film. Continuously growing the crystal thin film on the first single crystal thin film so as to cover the quantum dots.
【請求項2】前記量子ドットの形成密度が、1×106
個/cm2〜1×1010個/cm2であることを特徴とす
る請求項1に記載の単結晶薄膜の形成方法。
2. The formation density of said quantum dots is 1 × 10 6
The method for forming a single-crystal thin film according to claim 1, wherein the number is 1 / cm 2 to 1 × 10 10 pieces / cm 2 .
【請求項3】前記単結晶基板がSiから成り、第1の単
結晶薄膜及び第2の単結晶薄膜がGaAsから成り、量
子ドットがInAs、InGaAs、InAlAs、I
nAlGaAsのいずれかより成ることを特徴とする請
求項1または請求項2に記載の単結晶薄膜の形成方法。
3. The single crystal substrate is made of Si, the first single crystal thin film and the second single crystal thin film are made of GaAs, and the quantum dots are made of InAs, InGaAs, InAlAs, I
The method for forming a single crystal thin film according to claim 1, wherein the method comprises one of nAlGaAs.
【請求項4】前記第1の単結晶薄膜、量子ドット及び第2
の単結晶薄膜が単一の成膜室内で連続的に形成されるこ
とを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載
の単結晶薄膜の形成方法。
4. The first single-crystal thin film, the quantum dot, and the second
The method for forming a single crystal thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the single crystal thin film is formed continuously in a single deposition chamber.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006278860A (en) * 2005-03-30 2006-10-12 Advanced Telecommunication Research Institute International Semiconductor light-emitting element, manufacturing method thereof, and semiconductor laser gyro using the same
CN102254800A (en) * 2011-06-21 2011-11-23 清华大学 Epitaxial growth method for gallium nitride (GaN)-based quantum dots
JP2015065312A (en) * 2013-09-25 2015-04-09 京セラ株式会社 Quantum dot and solar cell

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