JP2008198677A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に量子ドットを利用した半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device using quantum dots.
近年、入射された光を吸収した場合に流れる電流を捕えることによって光を検知する光検知器において、量子ドット型光検知器が注目されている。従来、量子井戸型光検知器では、垂直入射光を吸収できなかったが、量子ドット型光検知器では、3次元でキャリアを閉じ込め、垂直入射光を吸収することができる。その代表的なものに、量子ドット型赤外線検知器がある。 2. Description of the Related Art In recent years, quantum dot photodetectors have attracted attention as photodetectors that detect light by capturing a current that flows when incident light is absorbed. Conventionally, quantum well photodetectors could not absorb normal incident light, but quantum dot photodetectors can confine carriers in three dimensions and absorb normal incident light. A typical example is a quantum dot infrared detector.
図7は量子ドット型赤外線検知器の基本的な構造を説明する要部図である。
量子ドット型赤外線検知器100は、i−ガリウムヒ素(GaAs)で構成された中間層101と、中間層101と同じ材質のi−ガリウムヒ素で構成された中間層102が複数積層されている。中間層102の内部には、例えば、インジウムヒ素(InAs)で構成される複数の量子ドット103が埋め込まれている。そして、複数積層された中間層101,102は、その上下をn−ガリウムヒ素で構成されるコンタクト層104によって挟まれた構造をしている。
FIG. 7 is a main part diagram for explaining the basic structure of a quantum dot infrared detector.
The quantum dot
このように量子ドット型赤外線検知器では、内部に量子ドット103を埋設した中間層102を複数積層している。そして、量子ドット103の成長は、自己組織化によって中間層101上に成長することが知られている。
Thus, in the quantum dot infrared detector, a plurality of
ところが、自己組織化によって成長させた量子ドットは、量子ドット同士が複数個結合して、その一部が巨大な量子ドットとなって成長する場合がある。
図8は巨大な量子ドットが成長した場合の中間層の構造を説明する要部図である。
However, quantum dots grown by self-organization sometimes grow as a large quantum dot by combining a plurality of quantum dots.
FIG. 8 is a main part diagram for explaining the structure of the intermediate layer when huge quantum dots are grown.
この図は、中間層101上に巨大な量子ドット105が成長し、通常に成長した量子ドット103と巨大な量子ドット105とが中間層102に被覆されている状態を示している。
This figure shows a state in which a
図示するように、巨大な量子ドット105が中間層102の内部に存在すると、巨大な量子ドット105を埋設した中間層102の平坦性が悪化しているのが分かる。また、巨大な量子ドット105の内部には、歪エネルギーの増大によって、転位等による欠陥106aが形成される場合が多く、巨大な量子ドット105上の中間層102の部分にも転位等による欠陥106bが伝播する場合が多い。
As shown in the figure, it can be seen that when the huge
このような状態のまま、中間層102上に量子ドットを成長させると、欠陥106bの位置が格子歪の変異点となって、その部分からの量子ドットの成長が起き易くなる。
その結果、中間層102上に積層する中間層においては、内部に形成させる量子ドットの密度(個/cm-2)が低下し、また、局部的に量子ドットが成長するので、量子ドットのサイズが均一にならないという問題が生じていた。更に、巨大な量子ドット105が中間層102に残存すると、欠陥106a,106bが起因して、デバイス中の暗電流が増加し、量子ドット型赤外線検知器が正常に動作しなくなるという問題が生じていた。
When quantum dots are grown on the
As a result, in the intermediate layer stacked on the
このような量子ドットの巨大化を防ぐ方法として、量子ドット同士が互いに合体し難くなるように、高温で量子ドットを成長させたり、または、低速成長プロセスによって量子ドットを成長させる方法が試された。または、量子ドット原料の供給量を制限させて量子ドットを成長させる方法が試された。しかし、このような方法によっても、量子ドットの巨大化を防止することはできず、数%の割合で下地から巨大な量子ドットが発生していた。 As a method of preventing such quantum dots from growing, a method of growing quantum dots at a high temperature or growing a quantum dot by a slow growth process was tried so that the quantum dots would not easily merge with each other. . Alternatively, a method of growing quantum dots by limiting the supply amount of the quantum dot raw material has been tried. However, even with such a method, it is not possible to prevent the quantum dots from becoming large, and huge quantum dots are generated from the ground at a rate of several percent.
これに対し、最近、フラッシング法と呼ばれる方法が提供されている(例えば、特許文献1参照)。
図9はフラッシング法の原理を説明する図である。この方法では、図9(a)に示すように、先ず、通常成長した量子ドット103、巨大な量子ドット105が成長した中間層101上に、量子ドット103及び巨大な量子ドット105の高さよりも低い中間層102を一旦、形成する。
On the other hand, a method called a flushing method has recently been provided (see, for example, Patent Document 1).
FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of the flushing method. In this method, as shown in FIG. 9A, first, on the
そして、図9(b)に示すように、中間層102の表面から突き出た量子ドットの先端部103a,105aのみを昇温保持によって解離させて、先端部103a,105aのみを中間層102の表面から除去するというものである。
Then, as shown in FIG. 9B, only the
このような方法によれば、巨大な量子ドットが一部に発生しても、熱処理によって中間層102の平坦性が保持され、このような中間層102を積層させた量子ドット型赤外線検知器の生産性が向上すると期待できる。
しかしながら、上記のフラッシング法では、量子ドット103と巨大な量子ドット105との体積が異なっているので、中間層102の表面の位置まで解離する時間が量子ドット103と巨大な量子ドット105とで異なってしまい、中間層102の平坦性を制御することが難しい。
However, in the above-described flushing method, the volume of the
また、巨大な量子ドット105に、図8に示すような欠陥106aが存在する場合、その先端部105aを蒸発させても、欠陥106aは、巨大な量子ドット105の内部に残存することになる。このような状態で、上層に中間層を積層すると、上述したように、欠陥が存在する位置から、巨大な量子ドットが発生し易くなる。従って、その中間層においては、量子ドットの密度が低下し、量子ドット自体のサイズが変わるという問題は解消できない。また、暗電流の発生についても、充分に抑制することができず、量子ドット型赤外線検知器の性能を向上させることができなかった。
In addition, when the
更に、上記のフラッシング法では、量子ドットの高さを揃えることはできるが、量子ドットの形状を均一にすることが困難であるゆえ、量子ドット型赤外線検知器の性能にばらつきが生じるという問題があった。 Furthermore, although the above-mentioned flushing method can make the heights of the quantum dots uniform, it is difficult to make the shape of the quantum dots uniform, so there is a problem that the performance of the quantum dot infrared detectors varies. there were.
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、量子ドットを利用した半導体装置の製造方法に関し、巨大な量子ドットが除去され、量子ドットの密度、形状が均一に形成される半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and relates to a method of manufacturing a semiconductor device using quantum dots. A semiconductor device in which huge quantum dots are removed and the density and shape of the quantum dots are uniformly formed. It aims at providing the manufacturing method of.
本発明では上記課題を解決するために、量子ドットが積層する構造を有した半導体装置の製造方法において、第1の半導体層上に、量子ドットの原材料を供給する工程と、供給された前記第1の半導体層上に成長した量子ドットの高さより高く、前記量子ドットの一部に発生する巨大量子ドットの高さよりも低い膜厚を有した第2の半導体層を前記第1の半導体層上に形成する工程と、形成された前記第2の半導体層から前記巨大量子ドットを熱解離によって除去する工程と、前記第2の半導体層上、及び前記巨大量子ドットが除去され、前記第2の半導体層に発生した除去部分に、第3の半導体層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。 In the present invention, in order to solve the above problems, in a method of manufacturing a semiconductor device having a structure in which quantum dots are stacked, a step of supplying a raw material of quantum dots on a first semiconductor layer, and the supplied first A second semiconductor layer having a film thickness higher than the height of quantum dots grown on one semiconductor layer and lower than the height of giant quantum dots generated in a part of the quantum dots is formed on the first semiconductor layer. A step of removing the giant quantum dots from the formed second semiconductor layer by thermal dissociation, and removing the giant quantum dots on the second semiconductor layer and the second semiconductor layer. And a step of forming a third semiconductor layer at a removed portion generated in the semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor device is provided.
このような半導体装置の製造方法は、量子ドットが積層する構造を有した半導体装置の製造方法であり、第1の半導体層上に、量子ドットの原材料が供給され、供給された第1の半導体層上に成長した量子ドットの高さより高く、量子ドットの一部に発生する巨大量子ドットの高さよりも低い膜厚を有した第2の半導体層が第1の半導体層上に形成され、形成された第2の半導体層から巨大量子ドットが熱解離によって除去され、第2の半導体層上、及び前記巨大量子ドットが除去され第2の半導体層に発生した除去部分に、第3の半導体層が形成される。 Such a method for manufacturing a semiconductor device is a method for manufacturing a semiconductor device having a structure in which quantum dots are stacked. The first semiconductor layer is supplied with a raw material of the quantum dots on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer having a film thickness higher than the height of the quantum dots grown on the layer and lower than the height of the giant quantum dots generated in a part of the quantum dots is formed on the first semiconductor layer. The giant quantum dots are removed from the formed second semiconductor layer by thermal dissociation, and the third semiconductor layer is formed on the second semiconductor layer and on the removed portion generated in the second semiconductor layer by removing the giant quantum dots. Is formed.
本発明では、量子ドットが積層する構造を有した半導体装置の製造方法において、第1の半導体層上に、量子ドットの原材料を供給し、供給された第1の半導体層上に成長した量子ドットの高さより高く、量子ドットの一部に発生する巨大量子ドットの高さよりも低い膜厚を有した第2の半導体層を第1の半導体層上に形成し、形成された第2の半導体層から巨大量子ドットを熱解離によって除去し、第2の半導体層上、及び巨大量子ドットが除去され第2の半導体層に発生した除去部分に、第3の半導体層を形成するようにした。 In the present invention, in a method for manufacturing a semiconductor device having a structure in which quantum dots are stacked, a quantum dot raw material is supplied onto a first semiconductor layer, and the quantum dots grown on the supplied first semiconductor layer A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer, the second semiconductor layer having a film thickness that is higher than the height of the quantum dots and lower than the height of the giant quantum dots generated in a part of the quantum dots. The giant quantum dots were removed from the first semiconductor layer by thermal dissociation, and a third semiconductor layer was formed on the second semiconductor layer and on the removed portion where the giant quantum dots were removed and generated in the second semiconductor layer.
これにより、巨大な量子ドットが除去され、量子ドットの密度、形状が均一に形成される半導体装置の製造方法が実現される。その結果、量子ドットの欠陥が起因となって発生した半導体装置の特性不良が低減し、且つ積層構造による特性向上によって、半導体装置の性能がより向上する。 Thereby, a huge quantum dot is removed, and a method for manufacturing a semiconductor device in which the density and shape of the quantum dots are uniformly formed is realized. As a result, the defect in characteristics of the semiconductor device caused by the quantum dot defect is reduced, and the performance of the semiconductor device is further improved by the improvement in characteristics due to the stacked structure.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。この実施の形態では、量子ドットが積層する構造を有した半導体装置として、赤外線の入射量に応じて光電流を発生させる量子ドット型赤外線検知器を例示して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, as a semiconductor device having a structure in which quantum dots are stacked, a quantum dot infrared detector that generates a photocurrent according to the amount of incident infrared rays will be described as an example.
最初に、本実施形態の半導体装置の製造方法で製造された量子ドット型赤外線検知器の構成について説明する。
図1は半導体装置の要部断面模式図である。
First, the configuration of a quantum dot infrared detector manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device of this embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device.
図1に図示した半導体装置1は、一例として量子ドット型赤外線検知器であり、量子ドット型赤外線検知器の下層には、膜厚が1μm程度の下側コンタクト層10が形成されている。下側コンタクト層10の材質は、例えば、n−ガリウムヒ素である。また、下側コンタクト層10のキャリア濃度は、例えば、1×1018cm-3である。
The
下側コンタクト層10の上には、中間層である半導体層11(第1の半導体層)が形成されている。ここで、半導体層11の膜厚は30nm程度であり、その材質は、例えば、i−ガリウムヒ素である。
On the
半導体層11の上には、円錐状の複数の量子ドット20が形成されている。そして、量子ドット20を完全に被覆するように、中間層である半導体層12(第2の半導体層)が半導体層11の上に形成されている。更に、半導体層12の上には、中間層である半導体層13(第3の半導体層)が形成されている。この半導体層13は、後述する巨大な量子ドットを除去させて半導体層12に発生させた除去部分22の内部にも形成されている。図示するように、半導体層12と半導体層13との界面の平坦性が確保されている。
A plurality of conical quantum dots 20 are formed on the semiconductor layer 11. A semiconductor layer 12 (second semiconductor layer) that is an intermediate layer is formed on the semiconductor layer 11 so as to completely cover the quantum dots 20. Furthermore, a semiconductor layer 13 (third semiconductor layer), which is an intermediate layer, is formed on the
そして、半導体層12と半導体層13とは、組になり、例えば、10組(合計20層)の中間層となって半導体層11の上に積層されている。半導体層12及び半導体層13の材質は、例えば、i−ガリウムヒ素である。また、半導体層12の膜厚は、4nmであり、半導体層13の膜厚は、26nmである。即ち、半導体層12の膜厚と半導体層13の膜厚とを合計すると、半導体層11と同じ膜厚になる。
Then, the
また、半導体層12の内部に存在する量子ドット20の材質は、例えば、インジウムヒ素である。また、その密度は、例えば、5×1010(個/cm-2)であり、同程度の密度の量子ドット20が積層された各々の半導体層12に形成されている。また、量子ドット20の平均の高さは3nmであり、平均の径は、25nmである。ここで、径とは、量子ドット20を図1の上から眺めた場合、半導体層11直上の位置での量子ドット20の外径をいう。そして、この量子ドット型赤外線検知器では、図示するように、半導体層12の内部に上述した巨大な量子ドットが存在していない。特に、量子ドット20の高さ及び径は、その高さ及び径の平均値の1.2倍以下の範囲にある。このような量子ドットの高さと径が均一に揃う製造方法については、後述する。
The material of the quantum dots 20 existing inside the
そして、上側コンタクト層14が中間層の上に形成されている。上側コンタクト層14の材質、キャリア濃度は、下側コンタクト層10と同じである。
更に、上側コンタクト層14及び下側コンタクト層10には、図1では図示しないが、例えば、金ゲルマニウム(AuGe)/金(Au)で構成される電極が設けられ、電極以外の素子表面が窒化シリコン(SiN)または酸化窒化シリコン(SiON)保護膜で被覆されている。
An
Furthermore, although not shown in FIG. 1, the
尚、上記の説明では、量子ドット20の材質としてインジウムヒ素、半導体層11、半導体層12及び半導体層13の材質としてi−ガリウムヒ素を用いたが、それぞれの材質は、これらに限らず、インジウムヒ素、ガリウムヒ素、アルミニウムヒ素(AlAs)、インジウムリン(InP)、ガリウムリン(GaP)、アルミニウムリン(AlP)、インジウムアンチモン(InSb)、ガリウムアンチモン(GaSb)、アルミニウムアンチモン(AlSb)、窒化インジウム(InN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)のいずれかであってもよく、また、これらのうち複数が混晶した材質であってもよい。尚、量子ドット20の材質と、量子ドット20を被覆する材質とは、異質な材質を選択する。
In the above description, indium arsenide is used as the material of the quantum dots 20 and i-gallium arsenide is used as the material of the semiconductor layer 11, the
更に、半導体層12については、これらの材質を組み合わせた積層構造にしてもよい(後述)。
更に、上側コンタクト層14及び下側コンタクト層10と、量子ドット20、半導体層11、半導体層12及び半導体層13との導電型(p/n型)の極性を反転させたものを用いてもよい。
Furthermore, the
Further, the
更に、上記の量子ドットの積層構造は、量子ドット型赤外線検知器だけでなく、量子ドット型レーザの量子ドット層(活性層)に用いてもよい。
次に、このような量子ドット型赤外線検知器を製造する方法について説明する。特に、以下の説明では、量子ドットを自己組織化によって成長させても、その高さと径が均一に揃う製造方法について詳細に説明する。
Furthermore, the above-described stacked structure of quantum dots may be used not only for quantum dot infrared detectors but also for quantum dot layers (active layers) of quantum dot lasers.
Next, a method for manufacturing such a quantum dot infrared detector will be described. In particular, in the following description, a manufacturing method in which the height and diameter are uniform even when quantum dots are grown by self-organization will be described in detail.
図2は量子ドット形成工程の要部断面模式図である。この工程では、GaAs基板15の上に、例えば、GaAsバッファ層16を介して、下側コンタクト層10及び半導体層11が形成された下地に、量子ドット20をMBE(Molecular Beam Epitaxy)法により形成させる工程が示されている。尚、下側コンタクト層10及び半導体層11の材質、膜厚は図1を用いて説明した値と同じである。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the main part of the quantum dot forming step. In this step, the quantum dots 20 are formed on the
具体的には、材質がインジウムヒ素である量子ドット20を半導体層11上に自己組織化により成長させる。量子ドット20の成長条件は、下地である半導体層11の温度が480〜490℃で、成長速度が0.1(ML(Mono Layer)/sec)で、インジウム及びヒ素の原料供給量が2.0〜2.3(ML)である。 Specifically, quantum dots 20 made of indium arsenic are grown on the semiconductor layer 11 by self-organization. The growth conditions of the quantum dots 20 are as follows: the temperature of the underlying semiconductor layer 11 is 480 to 490 ° C., the growth rate is 0.1 (ML (Mono Layer) / sec), and the raw material supply amount of indium and arsenic is 2. It is 0-2.3 (ML).
このような条件で、密度が5×1010cm-2(個/cm-2)、平均の高さが3nm、平均の径が25nmの量子ドット20が成長する。
但し、この成長条件では、通常成長の量子ドット20の中に、約1%の割合で巨大な量子ドット21が発生する。例えば、高さ4.5nm以上、径37.5nm以上の巨大な量子ドット21が通常成長する量子ドット20に混在して成長する。
Under such conditions, quantum dots 20 having a density of 5 × 10 10 cm −2 (pieces / cm −2 ), an average height of 3 nm, and an average diameter of 25 nm grow.
However, under this growth condition, huge quantum dots 21 are generated at a rate of about 1% in the normally grown quantum dots 20. For example, huge quantum dots 21 having a height of 4.5 nm or more and a diameter of 37.5 nm or more are mixed and grown in the normally grown quantum dots 20.
ここで、通常成長の量子ドット(巨大な量子ドット以外の量子ドット)20と巨大な量子ドット21の形状について説明する。
図3は量子ドットの高さと径の比較図である。この比較図は、半導体層11上に成長した任意の位置の量子ドットを原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope)で、測定し、その高さと径の相関をプロットしたものである。
Here, the shapes of the normally grown quantum dots (quantum dots other than the giant quantum dots) 20 and the giant quantum dots 21 will be described.
FIG. 3 is a comparative diagram of the height and diameter of the quantum dots. In this comparative diagram, quantum dots at arbitrary positions grown on the semiconductor layer 11 are measured with an atomic force microscope, and the correlation between the height and the diameter is plotted.
図の横軸は、量子ドットの高さを表し、通常成長の量子ドット20の高さの平均値(3nm)を1としたときの高さの相対値を示している。また、縦軸は、量子ドットの径を表し、通常成長する量子ドット20の径の平均値(25nm)を1としたときの径の相対値が示されている。 The horizontal axis of the figure represents the height of the quantum dot, and shows the relative value of the height when the average value (3 nm) of the normally grown quantum dots 20 is 1. The vertical axis represents the diameter of the quantum dot, and the relative value of the diameter when the average value (25 nm) of the diameter of the normally grown quantum dot 20 is 1 is shown.
この結果からも、高さ及び径が1付近に集中する、通常成長の量子ドット20の群と、高さ及び径が通常成長の量子ドット20の1.5倍以上になる巨大な量子ドット21の群の2つに分かれて量子ドットが下地に成長することが分かる。 Also from this result, a group of normally grown quantum dots 20 whose height and diameter are concentrated in the vicinity of 1, and a huge quantum dot 21 whose height and diameter are 1.5 times or more that of the normally grown quantum dots 20. It can be seen that the quantum dots grow on the base by being divided into two groups.
尚、高さ及び径が1付近に集中する通常成長の量子ドット20の高さは、0.6(1.8nm)以上、1.2(3.6nm)以下の範囲にあり、径は、0.8(20nm)以上、1.2(30nm)以下であることが分かった。 The height of the normally grown quantum dots 20 whose height and diameter are concentrated in the vicinity of 1 is in the range of 0.6 (1.8 nm) to 1.2 (3.6 nm), and the diameter is It was found to be 0.8 (20 nm) or more and 1.2 (30 nm) or less.
尚、上記の量子ドット20は、MBE法によって成長させたが、これに代えてMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法で成長させてもよい。
図4は中間層形成工程の要部断面模式図である。
Although the quantum dots 20 are grown by the MBE method, they may be grown by the MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method instead.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the relevant part in the intermediate layer forming step.
通常成長の量子ドット20と巨大な量子ドット21が成長した半導体層11上に、通常成長の量子ドット20の高さより高く、巨大な量子ドット21の高さより低い膜厚を有した半導体層12を形成する。例えば、通常成長の量子ドット20の1.3倍の高さである、膜厚が4nmの半導体層12を形成する。半導体層12の材質は、例えば、i−ガリウムヒ素である。
On the semiconductor layer 11 on which the normally grown quantum dots 20 and the huge quantum dots 21 are grown, the
この状態で、巨大な量子ドット21の先端が半導体層12の表面から突出し、通常成長した量子ドット20の周囲は、半導体層12によって完全に被覆される。即ち、量子ドット20のみを埋設する半導体層12を半導体層11上に形成する。
In this state, the tip of the huge quantum dot 21 protrudes from the surface of the
図5は加熱工程の要部断面模式図である。
前工程で成長させた巨大な量子ドット21のみを加熱によって解離させ、巨大な量子ドット21のみを半導体層12から選択的に除去し、半導体層12に除去部分22を形成する。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the main part of the heating process.
Only the giant quantum dots 21 grown in the previous step are dissociated by heating, and only the giant quantum dots 21 are selectively removed from the
ここで、巨大な量子ドット21の材質であるインジウムヒ素の解離速度R(ML/sec)は、予め予備実験(例えば、RHEED観察)またはシミュレーションによって求めることができる。そして、例えば、インジウムヒ素層が量子ドットに遷移するインジウムヒ素の供給量が温度によらず一定と仮定して計算する。具体的には、ヒ素(As)の飽和領域(ヒ素が充分な量で供給している状態)では、例えば、R=2×1030×exp(−60716/T)である。ここで、T(K)は温度である。 Here, the dissociation rate R (ML / sec) of indium arsenide, which is the material of the huge quantum dot 21, can be obtained in advance by a preliminary experiment (for example, RHEED observation) or a simulation. For example, the calculation is performed on the assumption that the supply amount of indium arsenic in which the indium arsenic layer transitions to quantum dots is constant regardless of the temperature. Specifically, in the saturation region of arsenic (As) (when arsenic is supplied in a sufficient amount), for example, R = 2 × 10 30 × exp (−60716 / T). Here, T (K) is temperature.
この式を基に、半導体層12の厚さと、除去部分22の入り口の面積を考慮して、巨大な量子ドット21が完全に半導体層12から除去する温度と時間を制御する。
例えば、温度が600℃の雰囲気では、R=1.26(ML/sec)となるので、20秒間保持すれば、約6nm(1ML:0.303nm)のインジウムヒ素が解離する。
Based on this equation, the temperature and time at which the huge quantum dots 21 are completely removed from the
For example, in an atmosphere at a temperature of 600 ° C., R = 1.26 (ML / sec). Therefore, if held for 20 seconds, indium arsenic of about 6 nm (1 ML: 0.303 nm) is dissociated.
従って、この工程では、雰囲気温度を600℃とし、20秒間以上保持すれば、巨大な量子ドット21のみを半導体層12から選択的に除去することができる。
このように、巨大な量子ドット21を除去する工程においては、巨大な量子ドット21の熱解離速度及び加熱時間を制御することにより、半導体層12から巨大な量子ドット21を選択的に除去することができる。
Therefore, in this step, if the atmospheric temperature is set to 600 ° C. and held for 20 seconds or more, only the huge quantum dots 21 can be selectively removed from the
As described above, in the process of removing the giant quantum dots 21, the giant quantum dots 21 are selectively removed from the
また、ヒ素が不足すると解離速度Rは、更に増加するが、このような要因もデータベースに組み込むことにより確実に、巨大な量子ドット21のみを半導体層12から除去することができる。
In addition, when the amount of arsenic is insufficient, the dissociation rate R further increases. However, by incorporating such factors into the database, only the huge quantum dots 21 can be reliably removed from the
尚、上記の例では、雰囲気温度を600℃としたが、半導体層12の解離が無視できる温度条件下では、巨大な量子ドット21を除去する加熱時間は、上記の保持時間よりも充分に長くしてよい。
In the above example, the atmospheric temperature is set to 600 ° C. However, under a temperature condition where dissociation of the
また、加熱時には、半導体層12が巨大な量子ドット21と同時に蒸発するのを防止するために、半導体層12を構成する元素の一つで、且つ平衡蒸気圧の高い元素を照射させながら加熱してもよい。例えば、図5に示す例では、半導体層12の材質がi−ガリウムヒ素であるので、ヒ素を半導体層12に照射させながら加熱してもよい。これにより、半導体層12が巨大な量子ドット21と同時に蒸発するのを防止することができ、より確実に、巨大な量子ドット21のみを半導体層12から選択的に除去することができる。
Further, during heating, in order to prevent the
また、上記に示した解離速度Rの式は、一例であり、この式のみによって、温度及び時間が決定されるものではない。例えば、巨大な量子ドット21が熱解離する温度と時間の関係は、他の材質の半導体、化合物半導体についてもデータベース化され、これらのデータから種々の材質の巨大な量子ドット21の熱解離速度と、半導体層12から完全に除去される時間とが制御される。
Moreover, the equation of the dissociation rate R shown above is an example, and the temperature and time are not determined only by this equation. For example, the relationship between the temperature and time at which the giant quantum dots 21 are thermally dissociated is databased for semiconductors and compound semiconductors of other materials. From these data, the thermal dissociation rate of the giant quantum dots 21 of various materials can be calculated. The time for complete removal from the
図6は中間層形成工程の要部断面模式図である。
巨大な量子ドット21を除去し、除去部分22を形成した半導体層12の上に、膜厚が26nmである半導体層13を形成する。ここで、半導体層13の面内方向(図に向かって左右の方向)の成長を促進させることにより、除去部分22の内部まで半導体層13を構成する材料が充分に埋め込み、表面凹凸のない平坦な半導体層13を形成する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the relevant part in the intermediate layer forming step.
The huge quantum dots 21 are removed, and the
ここで、半導体層13の面内方向の成長を促進する方法としては、半導体層13の成長速度を、半導体層12の成長速度より小さくさせる。具体的には、半導体層13の成長速度を、半導体層12の成長速度の1/2以下にする。
Here, as a method of promoting the growth in the in-plane direction of the
これにより、半導体層13を成長させるときのマイグレーション効果が促進され、除去部分22の内部まで半導体層13が埋め込まれ、表面凹凸のない平坦な半導体層13が形成する。
As a result, the migration effect when the
一例として、半導体層12の成長速度を1μm/hr、半導体層13の成長速度を0.2μm/hrで成長させると平坦な半導体層13が形成される。なお、半導体層13が平坦となった時点で成長速度を上げて(例えば1μm/hr)、半導体層13の形成時間を短縮してもよい。
As an example, when the growth rate of the
また、半導体層13の材質は、半導体層12と同じ材質であれば、面内方向の成長が促進され、除去部分22の内部まで半導体層13が埋め込まれ、表面凹凸のない平坦な半導体層13を形成させることができる。
Further, if the material of the
尚、上記の説明では、量子ドット20の材質としてインジウムヒ素、半導体層11、半導体層12及び半導体層13の材質としてi−ガリウムヒ素を用いたが、それぞれの材質は、これらに限らず、インジウムヒ素、ガリウムヒ素、アルミニウムヒ素、インジウムリン、ガリウムリン、アルミニウムリン、インジウムアンチモン、ガリウムアンチモン、アルミニウムアンチモン、窒化インジウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムのいずれかであってもよく、また、これらのうち複数が混晶した材質であってもよい。尚、量子ドット20の材質と、量子ドット20を被覆する材質とは、異質な材質を選択する。
In the above description, indium arsenide is used as the material of the quantum dots 20 and i-gallium arsenide is used as the material of the semiconductor layer 11, the
更に、半導体層12については、これらの材質を組み合わせた積層構造にしてもよい。
例えば、半導体層12の材質として、アルミニウムヒ素を選択した場合は、アルミニウムヒ素層上にガリウムヒ素層を設け、半導体層12を例えば、アルミニウムヒ素層/ガリウムヒ素層で構成する2層構造とし、半導体層13の材質をガリウムヒ素としてもよい。
Furthermore, the
For example, when aluminum arsenic is selected as the material of the
このような構造にすれば、半導体層13直下の半導体層12の材質が半導体層13の材質と同じになり、面内方向の成長が促進され、除去部分22の内部まで半導体層13が埋め込まれ、表面凹凸のない平坦な半導体層13が形成する。
With such a structure, the material of the
また、半導体層12において、インジウムガリウムヒ素(InGaAs)層を挿入して応答波長調整等をする場合には、半導体層12をインジウムガリウムヒ素層/ガリウムヒ素層の2層構造とし、半導体層13をガリウムヒ素層としてもよく、またはアルミニウムガリウムヒ素層としてもよい。
In addition, in the
続いて、図示はしないが、このような半導体層12及び半導体層13を組にして、例えば、10組の半導体層12及び半導体層13で構成される中間層を半導体層11の上に形成し、積層した中間層の上に、図1に示す上側コンタクト層14を形成する。
Subsequently, although not shown, the
そして、素子パターン以外をエッチングによって除去し、下側コンタクト層10を露出させた後、上側コンタクト層14及び下側コンタクト層10に、例えば、金ゲルマニウム/金で構成される電極を設け、更に電極以外の素子表面を窒化シリコンまたは酸化窒化シリコン保護膜で被覆する。このような方法で、図1に示す量子ドット型赤外線検知器が製造される。
Then, other than the element pattern is removed by etching to expose the
このように上記の製造方法によれば、巨大な量子ドット21が中間層から確実に除去され、量子ドットを含有する中間層を積層しても、各中間層の量子ドットの形状、密度が均一に維持された半導体装置を製造することができる。特に、量子ドット型赤外線検知器では、巨大な量子ドットの欠陥が起因となって発生した暗電流を低減させることができる。 As described above, according to the above manufacturing method, even if the huge quantum dots 21 are reliably removed from the intermediate layer, and the intermediate layers containing the quantum dots are stacked, the shape and density of the quantum dots in each intermediate layer are uniform. It is possible to manufacture a semiconductor device maintained in the above-described manner. In particular, in the quantum dot infrared detector, dark current generated due to a huge quantum dot defect can be reduced.
また、量子ドットの積層構造によって光電流が増加し、量子ドット型赤外線検知器としての特性を向上させることができる。
また、上記の半導体装置の製造方法は、量子ドット型赤外線検知器の製造方法に限らず、量子ドット型レーザの製造方法にも容易に転用することができる。
Further, the photocurrent is increased by the stacked structure of the quantum dots, and the characteristics as the quantum dot infrared detector can be improved.
The semiconductor device manufacturing method is not limited to the quantum dot infrared detector manufacturing method, but can be easily transferred to a quantum dot laser manufacturing method.
(付記1) 量子ドットが積層する構造を有した半導体装置の製造方法において、
第1の半導体層上に、量子ドットの原材料を供給する工程と、
供給された前記第1の半導体層上に成長した量子ドットの高さより高く、前記量子ドットの一部に発生する巨大量子ドットの高さよりも低い膜厚を有した第2の半導体層を前記第1の半導体層上に形成する工程と、
形成された前記第2の半導体層から前記巨大量子ドットを熱解離によって除去する工程と、
前記第2の半導体層上、及び前記巨大量子ドットが除去され、前記第2の半導体層に発生した除去部分に、第3の半導体層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 1) In a method for manufacturing a semiconductor device having a structure in which quantum dots are stacked,
Supplying a raw material of quantum dots on the first semiconductor layer;
A second semiconductor layer having a thickness higher than the height of the quantum dots grown on the supplied first semiconductor layer and lower than the height of the giant quantum dots generated in a part of the quantum dots; Forming on one semiconductor layer;
Removing the giant quantum dots from the formed second semiconductor layer by thermal dissociation;
Forming a third semiconductor layer on the second semiconductor layer and on the removed portion generated in the second semiconductor layer after the giant quantum dots are removed;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(付記2) 前記巨大量子ドットを除去する工程においては、前記巨大量子ドットの熱解離速度及び加熱時間を制御することにより前記第2の半導体層から前記巨大量子ドットを除去することを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 2) In the step of removing the giant quantum dots, the giant quantum dots are removed from the second semiconductor layer by controlling a thermal dissociation rate and a heating time of the giant quantum dots. A method for manufacturing a semiconductor device according to
(付記3) 前記巨大量子ドットを除去する工程においては、前記第2の半導体層を構成する元素の少なくともひとつを前記第2の半導体層に照射させながら、前記第2の半導体層から前記巨大量子ドットを除去することを特徴とする付記1または2記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 3) In the step of removing the giant quantum dots, the giant quantum dots are irradiated from the second semiconductor layer while irradiating the second semiconductor layer with at least one of the elements constituting the second semiconductor layer. The method of manufacturing a semiconductor device according to
(付記4) 前記第3の半導体層の成膜速度が前記第2の半導体層の成膜速度の1/2以下であることを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記5) 前記第3の半導体層の材質と前記第2の半導体層の材質が同じ材質であることを特徴とする付記1または4記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 4) The manufacturing method of the semiconductor device of
(Additional remark 5) The manufacturing method of the semiconductor device of
(付記6) 前記第2の半導体層が複数の半導体を積層した構造であることを特徴とする付記1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 前記量子ドット及び前記巨大量子ドットの材質がインジウムヒ素(InAs)、ガリウムヒ素(GaAs)、アルミニウムヒ素(AlAs)、インジウムリン(InP)、ガリウムリン(GaP)、アルミニウムリン(AlP)、インジウムアンチモン(InSb)、ガリウムアンチモン(GaSb)、アルミニウムアンチモン(AlSb)、窒化インジウム(InN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)のいずれか、またはこれらのうち複数が混晶した材質であることを特徴とする付記1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 6) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of
(Supplementary note 7) The material of the quantum dots and the giant quantum dots is indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs), aluminum arsenic (AlAs), indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP), aluminum phosphide (AlP) , Indium antimony (InSb), gallium antimony (GaSb), aluminum antimony (AlSb), indium nitride (InN), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), or a material in which a plurality of these are mixed crystals The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(付記8) 前記第1の半導体層、前記第2の半導体層または前記第3の半導体層の材質がインジウムヒ素(InAs)、ガリウムヒ素(GaAs)、アルミニウムヒ素(AlAs)、インジウムリン(InP)、ガリウムリン(GaP)、アルミニウムリン(AlP)、インジウムアンチモン(InSb)、ガリウムアンチモン(GaSb)、アルミニウムアンチモン(AlSb)、窒化インジウム(InN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)のいずれか、またはこれらのうち複数が混晶した材質であることを特徴とする付記1乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 8) The material of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, or the third semiconductor layer is indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs), aluminum arsenic (AlAs), or indium phosphide (InP). Gallium phosphide (GaP), aluminum phosphide (AlP), indium antimony (InSb), gallium antimony (GaSb), aluminum antimony (AlSb), indium nitride (InN), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN) Or a semiconductor device manufacturing method according to any one of
1 半導体装置
10 下側コンタクト層
11,12,13 半導体層
14 上側コンタクト層
15 GaAs基板
16 GaAsバッファ層
20 量子ドット
21 巨大な量子ドット
22 除去部分
DESCRIPTION OF
Claims (4)
第1の半導体層上に、量子ドットの原材料を供給する工程と、
供給された前記第1の半導体層上に成長した量子ドットの高さより高く、前記量子ドットの一部に発生する巨大量子ドットの高さよりも低い膜厚を有した第2の半導体層を前記第1の半導体層上に形成する工程と、
形成された前記第2の半導体層から前記巨大量子ドットを熱解離によって除去する工程と、
前記第2の半導体層上、及び前記巨大量子ドットが除去され、前記第2の半導体層に発生した除去部分に、第3の半導体層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a structure in which quantum dots are stacked,
Supplying a raw material of quantum dots on the first semiconductor layer;
A second semiconductor layer having a thickness higher than the height of the quantum dots grown on the supplied first semiconductor layer and lower than the height of the giant quantum dots generated in a part of the quantum dots; Forming on one semiconductor layer;
Removing the giant quantum dots from the formed second semiconductor layer by thermal dissociation;
Forming a third semiconductor layer on the second semiconductor layer and on the removed portion generated in the second semiconductor layer after the giant quantum dots are removed;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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