JP2507329B2 - 共晶系半導体規則構造の製造方法 - Google Patents
共晶系半導体規則構造の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はヘテロ接合を有する層状または柱状の規則構
造の半導体の製造方法に関する。
造の半導体の製造方法に関する。
Ag−Ge,Al−Cuなどの金属共晶合金ではAlやCuを層状
あるいは柱状に析出させ材料の強化に利用しているが半
導体ではかかる規則形状を構成する試みは行なわれてい
ない（ジエー・クリスタル・グロース第50巻第720〜728
頁、1980年（J.Crystal Growth,Vol.50（1980）720〜72
8）参照）。本発明では明記しなかつたが超薄膜半導体
の層状構造は超格子として半導体デバイスにおける非線
形伝導や共鳴現象など種々の量子効果が期待され、MBE
やMOCVDの薄膜形成技術を利用して実験が進められてい
る（ジエー・クリスタル・グロース、第46巻、第172〜1
78頁、1979年（J.Crystal Growth,Vol.46（1979）172〜
178）およびジエー・クリスタル・グロース、第65巻、
第439〜443頁、1983年（J.Crystal Growth,Vol.65（198
3）439〜443）参照）。
あるいは柱状に析出させ材料の強化に利用しているが半
導体ではかかる規則形状を構成する試みは行なわれてい
ない（ジエー・クリスタル・グロース第50巻第720〜728
頁、1980年（J.Crystal Growth,Vol.50（1980）720〜72
8）参照）。本発明では明記しなかつたが超薄膜半導体
の層状構造は超格子として半導体デバイスにおける非線
形伝導や共鳴現象など種々の量子効果が期待され、MBE
やMOCVDの薄膜形成技術を利用して実験が進められてい
る（ジエー・クリスタル・グロース、第46巻、第172〜1
78頁、1979年（J.Crystal Growth,Vol.46（1979）172〜
178）およびジエー・クリスタル・グロース、第65巻、
第439〜443頁、1983年（J.Crystal Growth,Vol.65（198
3）439〜443）参照）。
第５図はGaAs−Ge共晶系の相図を表わす。第６図に示
したように共晶体（GaAs15モル％）とGe種結晶を接合し
共晶体の溶融温度（860℃）以上に保つた後、Ge種結晶
側から矢印60の方向に冷却してゆくとGe種結晶上にGe結
晶が析出する。さらに冷却を続けると約860℃のGe結晶
析出界面（固液界面）での液相組成は共晶点（GaAs約15
モル％）よりGaAsが多量に含まれGaAs微結晶の創成によ
りGaAsあるいはGaAsにGeが混ざつた共晶体が析出し始め
る。このGaAsあるいはGaAs−Geの一共晶組成の析出は析
出のための核となる微結晶が系の極めて小さなゆらぎに
よつてランダムに創成されることにより場所的にも不規
則な結晶析出となる。すなわちGeを種結晶とし共晶体を
一方向凝固させると第１層にGe結晶が析出しその後はGa
As、種種のGaAs−Ge共晶組成、Ge結晶が場所的にランダ
ムに析出する。また、冷却の方向によつては柱状の規則
構造を析出することができる。
したように共晶体（GaAs15モル％）とGe種結晶を接合し
共晶体の溶融温度（860℃）以上に保つた後、Ge種結晶
側から矢印60の方向に冷却してゆくとGe種結晶上にGe結
晶が析出する。さらに冷却を続けると約860℃のGe結晶
析出界面（固液界面）での液相組成は共晶点（GaAs約15
モル％）よりGaAsが多量に含まれGaAs微結晶の創成によ
りGaAsあるいはGaAsにGeが混ざつた共晶体が析出し始め
る。このGaAsあるいはGaAs−Geの一共晶組成の析出は析
出のための核となる微結晶が系の極めて小さなゆらぎに
よつてランダムに創成されることにより場所的にも不規
則な結晶析出となる。すなわちGeを種結晶とし共晶体を
一方向凝固させると第１層にGe結晶が析出しその後はGa
As、種種のGaAs−Ge共晶組成、Ge結晶が場所的にランダ
ムに析出する。また、冷却の方向によつては柱状の規則
構造を析出することができる。
本発明は結晶析出のための核形成を外的に制御し規則
形状をした結晶析出を実現するものである。
形状をした結晶析出を実現するものである。
上記目的は、原料溶融物（融液）に種結晶を接触さ
せ、その少なくとも界面を冷却して結晶を析出させる際
に、結晶析出面（またはその垂直面）に沿つて熱的，弾
性的変動を外的に加えることにより達成される。これは
自然発生的，部分的に生ずる結晶核形成を防止するとと
もに、結晶析出面に沿つて同時に結晶核の形成さらに結
晶析出を促進することによつて達成される。この熱的，
弾性的な変動を必要時にパルスとして加えてもその効果
は得られるが、通常結晶核創成の時期は観測し得ないた
め規則的な変動として周期的に印加しておくのが実用的
である。
せ、その少なくとも界面を冷却して結晶を析出させる際
に、結晶析出面（またはその垂直面）に沿つて熱的，弾
性的変動を外的に加えることにより達成される。これは
自然発生的，部分的に生ずる結晶核形成を防止するとと
もに、結晶析出面に沿つて同時に結晶核の形成さらに結
晶析出を促進することによつて達成される。この熱的，
弾性的な変動を必要時にパルスとして加えてもその効果
は得られるが、通常結晶核創成の時期は観測し得ないた
め規則的な変動として周期的に印加しておくのが実用的
である。
本発明に用いられる変動としては超音波による弾性振
動や、また熱的にはフラツシユランプの点滅による熱振
動などが有効である。
動や、また熱的にはフラツシユランプの点滅による熱振
動などが有効である。
また、種結晶を、析出結晶の規則形状に対応した凹凸
を有するものによつて、上記目的は達成され、その際、
上述の熱的，弾性的変動を加えてその効果を増大するこ
ともできる。
を有するものによつて、上記目的は達成され、その際、
上述の熱的，弾性的変動を加えてその効果を増大するこ
ともできる。
上記熱的振動と弾性的振動では結晶核形成に及ぼす物
理作用は異なるが基本概念と得られる効果は同様なので
以下熱的振動について本発明が提示する技術の作用内容
を明らかにする。
理作用は異なるが基本概念と得られる効果は同様なので
以下熱的振動について本発明が提示する技術の作用内容
を明らかにする。
第６図において通常のごとくGe種結晶側から冷却した
ときのようすはすでに述べた通りである。このとき熱的
周期パルスを種結晶側から加えると結晶析出部分では温
度の高低の変動に応じて、微視的には結晶の溶融・析出
が周期的にくり返される。これは一定温度の場合であ
る。いく分速く方向性凝固を行ないながら温度の高低変
動を与えると、結晶析出面は凝固方向に速くなつたり遅
くなつたりしながら移動する。ここで結晶析出部分と液
相の境界にある液相の共晶組成はGe結晶が析出したため
GaAs濃度が高くなる。GaAs濃度が臨界点に達し、かつ温
度の高低振動により急速に低温になつたとき、直ちに結
晶析出面全体にGaAs結晶あるいはGaAsにGeが混在した共
晶体の析出が始まる。同様に次いでGe結晶あるいはGe−
GaAs共晶体が析出し層状構造が形成される。以上のよう
に温度の高低振動は結晶析出のための臨界状態を強制的
に作り出し、ランダムな結晶析出を抑止する作用をす
る。
ときのようすはすでに述べた通りである。このとき熱的
周期パルスを種結晶側から加えると結晶析出部分では温
度の高低の変動に応じて、微視的には結晶の溶融・析出
が周期的にくり返される。これは一定温度の場合であ
る。いく分速く方向性凝固を行ないながら温度の高低変
動を与えると、結晶析出面は凝固方向に速くなつたり遅
くなつたりしながら移動する。ここで結晶析出部分と液
相の境界にある液相の共晶組成はGe結晶が析出したため
GaAs濃度が高くなる。GaAs濃度が臨界点に達し、かつ温
度の高低振動により急速に低温になつたとき、直ちに結
晶析出面全体にGaAs結晶あるいはGaAsにGeが混在した共
晶体の析出が始まる。同様に次いでGe結晶あるいはGe−
GaAs共晶体が析出し層状構造が形成される。以上のよう
に温度の高低振動は結晶析出のための臨界状態を強制的
に作り出し、ランダムな結晶析出を抑止する作用をす
る。
以上の原理からわかるように熱的，弾性的振動の印加
方向は得られる規則構造と無関係ではなく、層状の場合
は層に垂直な方向にまた柱状の場合は柱状方向に垂直な
方向から印加するのを基本とする。
方向は得られる規則構造と無関係ではなく、層状の場合
は層に垂直な方向にまた柱状の場合は柱状方向に垂直な
方向から印加するのを基本とする。
以下本発明の実施例を図面により詳細に説明する。
実施例１ 第１図は石英製真空アンプル37内に封入したGaAs種結
晶32とGaAs−Ge共晶体33（GaAs15モル％）の接合試料を
温度勾配を有する電気炉31（種結晶から共晶合金の方へ
温度が高くなる）で接合部分が860℃以上になるように
加熱し、共晶体33を溶融する。溶融10分後に130℃/cmの
温度勾配を保ちながら370℃／分の速度で種結晶32側か
ら冷却すると同時に500Wのアークランプ34からの光を60
0回転／分で回転する光チヨツパ35でパルス化し集光レ
ンズ36を通して種結晶側から投入した。得られた析出結
晶は接合面に平行なきれいな層状構造をしておりGe結晶
層約10μｍ、GaAs結晶層約２μｍであつた。
晶32とGaAs−Ge共晶体33（GaAs15モル％）の接合試料を
温度勾配を有する電気炉31（種結晶から共晶合金の方へ
温度が高くなる）で接合部分が860℃以上になるように
加熱し、共晶体33を溶融する。溶融10分後に130℃/cmの
温度勾配を保ちながら370℃／分の速度で種結晶32側か
ら冷却すると同時に500Wのアークランプ34からの光を60
0回転／分で回転する光チヨツパ35でパルス化し集光レ
ンズ36を通して種結晶側から投入した。得られた析出結
晶は接合面に平行なきれいな層状構造をしておりGe結晶
層約10μｍ、GaAs結晶層約２μｍであつた。
つぎにさらに薄い層状構造を得るため温度勾配とチヨ
ツパの回転数をそのままにして冷却速度を小さくしたと
ころ冷却速度に比例して厚さの薄い周期性の良い層状構
造がGe結晶層2000Å、GaAs結晶層400Åまで得られた。
この条件でチヨツパからの熱的周期振動のない試料を作
製したところ、数十〜数百μｍの不規則な構造となつ
た。これは以下のように説明される。冷却速度を小さく
すると（その極限では平衡状態が出現することから分る
ように）結晶析出界面での現象が平衡状態に近づくた
め、例えばGaAs結晶が析出している場合においても液相
にある共晶合金の組成はGeの拡散散いつによつて極端な
Geリツチ領域を形成せず、明確なGe析出の臨界状態が出
現しない。そのため外的じよう乱の影響に結晶析出現象
が支配され易くなるためと考えられる。一方熱的周期振
動を加えるとこの臨界状態が強制的に実現されるため規
則構造ができ易くなる。すなわち本発明は通常の手法で
は実現困難な超格子状の層状構造を安定に製造すること
を可能にしていることがわかる。
ツパの回転数をそのままにして冷却速度を小さくしたと
ころ冷却速度に比例して厚さの薄い周期性の良い層状構
造がGe結晶層2000Å、GaAs結晶層400Åまで得られた。
この条件でチヨツパからの熱的周期振動のない試料を作
製したところ、数十〜数百μｍの不規則な構造となつ
た。これは以下のように説明される。冷却速度を小さく
すると（その極限では平衡状態が出現することから分る
ように）結晶析出界面での現象が平衡状態に近づくた
め、例えばGaAs結晶が析出している場合においても液相
にある共晶合金の組成はGeの拡散散いつによつて極端な
Geリツチ領域を形成せず、明確なGe析出の臨界状態が出
現しない。そのため外的じよう乱の影響に結晶析出現象
が支配され易くなるためと考えられる。一方熱的周期振
動を加えるとこの臨界状態が強制的に実現されるため規
則構造ができ易くなる。すなわち本発明は通常の手法で
は実現困難な超格子状の層状構造を安定に製造すること
を可能にしていることがわかる。
なお、本実施例は、温度勾配が10〜450℃/cm、冷却速
度が10〜3000℃／分においても適用できた。
度が10〜3000℃／分においても適用できた。
実施例２ 第２図は種結晶と共晶体を実施例１とは異なり凝固方
向に平行に配置した場合の例である。
向に平行に配置した場合の例である。
石英製真空アンプル47内に封入したGe種結晶42とGaAs
−Ge共晶体43（GaAs15モル％）の接合試料を温度勾配を
有する電気炉41で加熱溶融し、一端から冷却する。この
とき側面から光チヨツパ45を通して光パルスを照射し共
晶体43に周期的な温度変動を加えると種結晶43に平行な
層状結晶が得られる。このようにして層状構造が形成さ
れた後は冷却とともに層状の端部を種として第３図のよ
うに結晶層が成長する。実施例１の場合と異なりこの場
合の結晶成長ではGeとGaAsの結晶成長方位や成長速度の
違いにもよるが急温度勾配、小さな冷却速度で（言い換
えると平衡に近い状態で）形成するのが規則構造形成に
は望ましい。また温度周期振動は初期に形成された層周
期に温度高低の周期が合うように印加するのが良い。こ
のように本実施例の場合には初期に形成された層構造が
重要であるため、これを規定する方法の１つとして第４
図に示したような、規則構造に対応した凹凸パターンを
形成した種結晶を第３図のGe種結晶とは垂直配置し並用
したものでは大きな効果が得られた。
−Ge共晶体43（GaAs15モル％）の接合試料を温度勾配を
有する電気炉41で加熱溶融し、一端から冷却する。この
とき側面から光チヨツパ45を通して光パルスを照射し共
晶体43に周期的な温度変動を加えると種結晶43に平行な
層状結晶が得られる。このようにして層状構造が形成さ
れた後は冷却とともに層状の端部を種として第３図のよ
うに結晶層が成長する。実施例１の場合と異なりこの場
合の結晶成長ではGeとGaAsの結晶成長方位や成長速度の
違いにもよるが急温度勾配、小さな冷却速度で（言い換
えると平衡に近い状態で）形成するのが規則構造形成に
は望ましい。また温度周期振動は初期に形成された層周
期に温度高低の周期が合うように印加するのが良い。こ
のように本実施例の場合には初期に形成された層構造が
重要であるため、これを規定する方法の１つとして第４
図に示したような、規則構造に対応した凹凸パターンを
形成した種結晶を第３図のGe種結晶とは垂直配置し並用
したものでは大きな効果が得られた。
この場合、周期的変動を加えなくても層状結晶が得ら
れた。
れた。
なお、本実施例は、温度勾配が５〜450℃/cm、冷却速
度が５〜3000℃／分においても適用できた。
度が５〜3000℃／分においても適用できた。
以上GaAs−Ge系を例に本発明を開示したが、本発明の
効果はこの系に限定されず、Si−GaAs,Si−GaP,GaAs−Z
nSe,Ge−AlAs等格子定数の近いIV,III−V,II−VI半導体
相互の共晶系材料に適用できることを確認した。
効果はこの系に限定されず、Si−GaAs,Si−GaP,GaAs−Z
nSe,Ge−AlAs等格子定数の近いIV,III−V,II−VI半導体
相互の共晶系材料に適用できることを確認した。
本発明に含まれる半導体規則形状構造は従来のエピタ
キシヤル成長層を一層ずつ多層に重畳した層状構造と比
べ （１）多層を一度の操作で積層できるため生産性が高
い。
キシヤル成長層を一層ずつ多層に重畳した層状構造と比
べ （１）多層を一度の操作で積層できるため生産性が高
い。
（２）液相からの結晶成長であるため結晶性が良い。
などの特徴を有し、本発明は上記効果を有する規則構
造を制御性良く高精度に作製するための主要技術であ
る。
造を制御性良く高精度に作製するための主要技術であ
る。
第１図，第２図は本発明による規則構造半導体の作製方
法の説明図、第３図は第２図の方法で形成される規則構
造の模式図、第４図（ａ）は第２図に示した規則構造半
導体の製造方法に適用したGe種結晶の構造図、同図
（ｂ）は同様にGaAs種結晶の場合の構造図、第５図はGa
As−Ge系の平衡状態図、第６図は規則構造半導体の従来
の作製方法の１例を示した図である。 21……Ge種結晶、22……析出Ge結晶、23……Ge結晶、24
……GaAs−Ge共晶体、31,41……温度勾配炉、32,42……
GaAs種結晶、33,43……GaAs−Ge共晶体、34,44……アー
クランプ、35,45……光チヨツパ、36……集光レンズ、3
7,47……アンプル、46……ミラー、51……Ge結晶層、52
……GaAs結晶層、60……冷却方向。
法の説明図、第３図は第２図の方法で形成される規則構
造の模式図、第４図（ａ）は第２図に示した規則構造半
導体の製造方法に適用したGe種結晶の構造図、同図
（ｂ）は同様にGaAs種結晶の場合の構造図、第５図はGa
As−Ge系の平衡状態図、第６図は規則構造半導体の従来
の作製方法の１例を示した図である。 21……Ge種結晶、22……析出Ge結晶、23……Ge結晶、24
……GaAs−Ge共晶体、31,41……温度勾配炉、32,42……
GaAs種結晶、33,43……GaAs−Ge共晶体、34,44……アー
クランプ、35,45……光チヨツパ、36……集光レンズ、3
7,47……アンプル、46……ミラー、51……Ge結晶層、52
……GaAs結晶層、60……冷却方向。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 窪田 重雄 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 加藤 重雄 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−297294（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】種結晶と原料溶融物との接触工程および冷
却工程を少なくとも含む、互いに全率固溶し合わない少
なくとも２種以上の半導体物質が該各半導体物質１種ま
たは２種以上の共晶組成で層状または柱状に規則配列し
た共晶系半導体規則構造の製造方法において該共晶系半
導体の均一溶融物の温度を徐々に下げて方向性凝固をさ
せるとともに、機械的周期振動および熱的周期変動の両
者もしくはいずれかを加えることを特徴とする共晶系半
導体規則構造の製造方法。 - 【請求項２】前記機械的周期振動を超音波弾性振動で、
また前記熱的周期変動をフラツシユランプの光エネルギ
ーで加えることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の共晶系半導体規則構造の製造方法。 - 【請求項３】種結晶と原料溶融物との接触工程および冷
却工程を少なくとも含む、互いに全率固溶し合わない少
なくとも２種以上の半導体物質１種または２種以上の共
晶組成で層状または柱状に規則配列した共晶系半導体規
則構造の製造方法において、前記種結晶が前記規則構造
に対応する凹凸を有するものか、もしくは当該凹凸を有
する種結晶を含むものであることを特徴とする共晶系半
導体規則構造の製造方法。 - 【請求項４】前記冷却工程において、前記原料溶融物の
温度を徐々に下げて方向性凝固をさせるとともに、機械
的振動および熱的振動の両者もしくはいずれかを加える
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の共晶系半
導体規則構造の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14950886A JP2507329B2 (ja) | 1986-06-27 | 1986-06-27 | 共晶系半導体規則構造の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14950886A JP2507329B2 (ja) | 1986-06-27 | 1986-06-27 | 共晶系半導体規則構造の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS636829A JPS636829A (ja) | 1988-01-12 |
| JP2507329B2 true JP2507329B2 (ja) | 1996-06-12 |
Family
ID=15476673
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14950886A Expired - Lifetime JP2507329B2 (ja) | 1986-06-27 | 1986-06-27 | 共晶系半導体規則構造の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2507329B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04355347A (ja) * | 1991-05-31 | 1992-12-09 | Shimadzu Corp | 原子吸光分光光度計 |
| FR3032287B1 (fr) | 2015-02-04 | 2018-03-09 | Quickstep Technologies Llc | Dispositif de detection capacitif multicouches, et appareil comprenant le dispositif |
-
1986
- 1986-06-27 JP JP14950886A patent/JP2507329B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS636829A (ja) | 1988-01-12 |
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