JP2749743B2 - Iii−v族化合物半導体膜の形成方法 - Google Patents

Iii−v族化合物半導体膜の形成方法

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悌二 山本
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、段差を有するGaAs
基板の(111)A面上に、分子線エピタキシャル法
(以下、MBE法という。)を用いてIII−V族化合物
半導体膜を形成するための方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、例えばレーザなどの半導体デバイ
スを形成するために横方向のp−n結合を形成するプロ
セスにおいて、以下の手順でMBE法を用いてGaAs
層を成長させている(例えば、エイチ・ピー・マイヤー
(H.P.Meier)ほか「レーザのために、段差を
有する(100)GaAs基板上の横方向のp−n接合
の形成に関する問題点(Problems relat
ed to the formation of la
teral p−n junctions oncha
nneled substrate (100) Ga
As forlasers)」ジャーナル・オブ・バキ
ュ−ム・サイエンス・アンド・テクノロジー・ビー,V
ol.6,No.2,1988年3月/4月(以下、文
献1という。)参照)。
【0003】まず、GaAs基板の(001)面上にス
トライプ形状又は長方形状のレジストパターンを形成し
た後、ウエットエッチング処理を行って斜面部を有する
段差を形成する。次いで、SiをドープさせたGaAs
を用いてGaAsの結晶を成長させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このとき、文献1によ
れば、p型層を形成しようとする段差部分に余分な(4
11)A面のファセットが出現する。この(411)A
面のファセットは、n型になりやすく、電子を閉じ込め
る効果が大幅に低下して、所望の電気的特性を有するn
−p−n構造の半導体デバイスを形成することができな
いという問題点があった。
【0005】また、例えばレーザのために量子井戸層を
形成する場合において、MBE法を用いて量子井戸層の
AlxGa1-xAsを成長させるときに、段差を有するG
aAs基板の段差の斜面部の角度が所望の角度から変化
するとAlxGa1-xAs成長層の厚さが変化し、組成比
xが変化する。これによって、形成された量子井戸層に
おいて所望の量子効果を得ることができないという問題
点があった。
【0006】本発明の第1の目的は以上の問題点を解決
し、MBE法を用いてIII−V族化合物半導体膜の結晶
を段差を有する基板上に成長させるときに余分なファセ
ットが出現せず、しかも元の段差の傾斜部の角度を保持
して上記結晶を成長させることができるIII−V族化合物
半導体膜の形成方法を提供することにある。
【0007】また、本発明の第2の目的は、第1の目的
に加えて、電子又は正孔の閉じ込め効果を低下させず
に、III−V族化合物半導体膜を形成する方法を提供す
ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項1記
載のIII−V族化合物半導体膜の形成方法は、GaAs
基板の(111)A面上に、正三角形状のレジストマス
クパターンの1辺が上記GaAs基板の劈開面である
10)面(ここで、下線は上線を示す。)に対して
実質的に垂直な方向になるようにレジストマスクパター
ンを形成するステップと、上記レジストマスクパターン
が形成されたGaAs基板に対して選択エッチング処理
を行って、レジストマスクパターンの各辺の近傍に(1
11)A面に対して28°≦θ≦33°の範囲の傾斜角
θだけ傾斜する斜面を有する段差を形成するステップ
と、上記レジストマスクパターンを除去するステップ
と、上記GaAs基板及び上記斜面上に分子線エピタキ
シャル法を用いてIII−V族化合物半導体膜を形成する
ステップとを含むことを特徴とする。
【0009】また、請求項2記載のIII−V族化合物半
導体膜の形成方法は、請求項1記載の方法において、
(001)面から(111)A面への方向に傾斜されて
定義される面の斜面を有する段差が形成されるように上
記レジストマスクパターンを形成することを特徴とす
る。
【0010】
【作用】請求項1記載のIII−V族化合物半導体膜の形
成方法においては、傾斜角が28°≦θ≦33°の範囲
である斜面の段差が形成されるので、本発明者の実験に
よれば、分子線エピタキシャル法を用いてIII−V族化
合物半導体膜の結晶を段差を有する基板上に成長させる
ときに余分なファセットが出現せず、しかも元の段差の
傾斜部の角度を保持して上記結晶を成長させることがで
きる。
【0011】また、請求項2記載のIII−V族化合物半
導体膜の形成方法においては、さらに、(001)面か
ら(111)A面への方向に傾斜されて定義される面の
斜面を有する段差が形成されるように上記レジストマス
クパターンを形成するので、本発明者の実験によれば、
電子又は正孔の閉じ込め効果を低下させずに、III−V
族化合物半導体膜を形成することができる。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照して本発明による一実施例
について説明する。図1乃至図7において各図面の下側
には、GaAs基板10の結晶構造を基準にした、各図
面に図示した面の方向を示している。なお、図1及び図
2において、GaAsの結晶構造を模式的に図示してい
るが、構成原子及び原子距離の大きさは、実際にはレジ
ストマスクパターン11,12及び三角錐台形状のGa
As基板21,22の大きさに比較して極めて小さいも
のである。
【0013】本実施例は、図1に示すように、GaAs
基板10の(111)A面上に、正三角形状のレジスト
マスクパターン11,12の1辺11a,12aが当該
基板10の劈開面100である(10)面(ここで、
下線は上線を示す。)に対して実質的に垂直な方向にな
るようにレジストマスクパターン11,12を形成した
後、HF+H22+H2Oからなる混合エッチング液を
用いて選択ウエットエッチング処理を行って、図2に示
すように、各レジストマスクパターン11,12の各辺
の近傍に(111)A面に対して傾斜角θだけ傾斜した
斜面21a,21b,21c,22a,22b,22c
を有する段差を形成し、次いで、上記レジストマスクパ
ターンを除去した後、MBE法を用いてGaAs成長層
13a乃至13eを成長させる場合において、上記ウエ
ットエッチング処理において上記混合エッチング液の組
成を変化することによって上記傾斜角θを28°≦θ≦
33°の範囲に制御することを特徴とする。
【0014】以下、本実施例に係る、GaAs基板10
の(111)A面に段差を形成した後GaAs成長層を
成長させる基本プロセスについて詳細に説明する。
【0015】(1)まず、図1に示すように、フォトリ
ソグラフィ法で、GaAs基板10の(111)A面上
に、マスクアライナーを用いて正三角形状のレジストマ
スクパターン11,12の1辺11a,12aが当該基
板10の劈開面100である(10)面(ここで、下
線は上線を示す。)に対して実質的に垂直な方向になる
ようにレジストマスクパターン11,12を形成する。
【0016】(2)次いで、レジストマスクパターン1
1,12が形成されたGaAs基板10の上から、HF
+H22+H2Oからなる混合エッチング液を用いて選
択ウエットエッチング処理を行って、図2に示すよう
に、各レジストマスクパターン11,12の各辺11
a,11b,11c,12a,12b,12cの近傍に
それぞれ、(111)A面に対して傾斜角θだけ傾斜し
た斜面21a,21b,21c,22a,22b,22
cを有する垂直方向の高さ3μmの段差を形成する。従
って、レジストマスクパターン11の近傍に三角錐台形
状のGaAs基板21が形成される一方、レジストマス
クパターン12の近傍に三角錐台形状のGaAs基板2
2が形成される。さらに、レジストマスクパターン1
1,12が形成されていない領域においてはGaAs基
板10がエッチングされて(111)A面10eが露出
する。なお、傾斜角θは劈開面100を基準にして走査
型電子顕微鏡で観察することにより確認した。
【0017】ここで、例えばレジストマスクパターン1
1を用いて形成された段差が傾斜角θ=55°を有する
とき、三角錐台形状のGaAs基板21の斜面21aは
(001)面であり、斜面21bは(100)面であ
り、斜面21cは(010)面であり、以下、これらの
斜面21a,21b,21cを、互いに等価である(0
01)関連の斜面という。また、レジストマスクパター
ン12を用いて形成された段差が傾斜角θ=35°を有
するとき、三角錐台形状のGaAs基板22の斜面22
aは(110)面であり、斜面22bは(101)面で
あり、斜面22cは(011)面であり、以下、これら
の斜面22a,22b,22cを、互いに等価である
(110)関連の斜面という。
【0018】例えば気温25°Cにおいて上記基板21
において傾斜角θ=30°に設定するためには、HFと
22とH2Oの各体積を2cc、16cc、及び25
0ccに設定し、又は2cc、22cc、及び1000
ccに設定する。また、混合エッチング液として、H3
PO4+H22+H2Oを用いてもよい。この場合、気温
40°Cにおいて傾斜角θ=30°に設定するために
は、H3PO4とH22とH2Oの各体積を3cc、1c
c、及び50ccに設定する。以下同様にして、HFと
22とH2Oとの体積比、又はH3PO4とH22とH2
Oとの体積比、すなわち組成を変化することにより、上
記傾斜角θを任意の角度に設定できる。
【0019】(3)次いで、アセトン等の有機溶媒を用
いて上記レジストマスクパターン11,12を除去す
る。
【0020】(4)さらに、図3乃至図5に示すよう
に、MBE法を用いて公知の通り、基板温度620°C
で、As/Gaのフラックス比を4に設定し、かつ正孔
濃度が1×1018cm-3であるという条件でSiをドー
プしたGaAsを用いて厚さ1μmのGaAs成長層1
3a乃至13eを成長させる。
【0021】本発明者は、(a)三角錐台形状のGaA
s基板21の傾斜角θを11°から84°まで1°毎に
変化させて上述のプロセスを行う一方、(b)三角錐台
形状のGaAs基板22の傾斜角θを11°から74°
まで1°毎に変化させて上述のプロセスを行った。特
に、代表してこの場合の基板21の斜面21aとコーナ
ー部21rと、基板22のそれらに対応する部分につい
ての実験結果について以下に説明する。
【0022】(a)三角錐台形状のGaAs基板21の
場合 図3乃至図5はそれぞれ、段差の斜面の傾斜角θ=61
°、41°及び30°のときのGaAs成長後のGaA
s基板の、図2のA−A’線についての断面図である。
【0023】図3に示すように、傾斜角θ≧34°で
は、常に、斜面21aの上部に(114)A面のファセ
ット13bが出現するとともに、斜面21aの下部に他
の余分な面のファセット13dが出現する。そして、図
4に示すように、傾斜角θが33°に近づくほど、斜面
21a側に張り出してくることが観測された。従って、
傾斜角θ≧34°の範囲では均一な斜面のGaAs成長
層を形成することはできない。さらに、傾斜角が15°
≦θ≦33°の範囲では、図5に示すように、(11
4)A面のファセット13bと余分なファセット13d
が消失し、他にはなんらファセットも生じず、元のGa
As基板10のエッチングパターンを保持した均一なG
aAs成長層13a,13c,13eを実現することが
できる。さらに、傾斜角がθ≦14°の範囲では三角錐
台形状の基板21との境界付近の斜面上に(111)A
面と15°を成すステップが生じ、再び均一性が失われ
ることを観測した。従って、傾斜角を15°≦θ≦33
°の範囲に収める必要があり、以下、第1の傾斜角の条
件という。
【0024】さらには、傾斜角がθ≧54°の範囲で
は、互いに等価な斜面同士が交差する稜線にあたるコー
ナー部21rには、図6に示すように、(111)A基
板面と35°の角度を成す(110)面のファセットが
生じることが観測された。そして、傾斜角が28°≦θ
≦53°の範囲では、図7に示すように、その(11
0)面のファセットが消失し、他のファセットも生じな
かった。ところが、傾斜角がθ≦27°では、再び(1
11)A基板面と15°以下の角度を成す(110)関
連の面のファセットが出現した。これらの(110)面
や(110)関連の面のファセットはSiドープされた
GaAs成長層においてp型になるので、これらのファ
セットは正孔閉じ込めに対するリークパスとして働き閉
じ込め効果を著しく低下させる。従って、傾斜角がこれ
らのファセットが出現しない28°≦θ≦53°の範囲
に収める必要があり、以下、第2の傾斜角の条件とい
う。
【0025】従って、斜面21a乃至21c及びコーナ
ー部21rにおいて均一なGaAs成長層を形成するた
めには、上記第1の傾斜角の条件と上記第2の傾斜角の
条件を同時に満足させる必要があり、傾斜角を28°≦
θ≦33°の範囲に収める必要がある。ここで、傾斜角
θ=28°は(5 5 14)A面に対応し、傾斜角θ
=33°は(114)A面に対応する。これら(5 5
14)A面及び(114)A面は(001)面から
(111)A面への方向に傾斜されて定義される面であ
る。
【0026】なお、傾斜角が28°≦θ≦33°の範囲
で正孔が閉じ込められていることは、三角錐台形状のG
aAs基板21の頂上面の(111)A面の領域とエッ
チングされた(111)A面10eとにそれぞれオーム
性電極を形成し、各電極間の電流−電圧特性を測定する
ことによって確認した。この測定では、±10Vまで電
流が流れない良好な電流ブロッキング効果が現れてい
る。これにより、斜面はn型となっておりかつコーナー
部21rで全くリークがないことが確認され、正孔閉じ
込め効果が低下していないことを観測した。
【0027】(b)三角錐台形状のGaAs基板22の
場合 傾斜角がθ≧35°では、常に、斜面22aの上部に
(110)面のファセットが出現するが、傾斜角15°
≦θ≦34°では当該余分なファセットが消失し、他に
はなんらファセットも生じず、元のGaAs基板10の
エッチングパターンを保持した均一なGaAs成長層を
形成することができる。さらに、傾斜角がθ≦14°の
範囲では、三角錐台形状の基板22との境界付近の斜面
上に(111)A面と15°の角度を成すステップが生
じ、再び均一性が失われた。なお、三角錐台形状のGa
As基板22の場合、傾斜角θを11°から74°まで
の範囲で変化しても、上記基板21の場合のようにコー
ナー部に余分なファセットを観測できなかった。なお、
この場合、斜面22aは(110)面から(111)A
面への方向に傾斜されて定義される面である。
【0028】従って、この場合において、斜面22a乃
至22c及びコーナー部において均一なGaAs成長層
を形成するためには傾斜角を15°≦θ≦34°の範囲
に設定すればよい。従って、三角錐台形状のGaAs基
板21における傾斜角範囲28°≦θ≦33°に設定す
れば、自然に三角錐台形状のGaAs基板22の傾斜角
の必要条件も満足することになる。しかしながら、三角
錐台形状のGaAs基板22の場合においては各斜面2
2a乃至22cはSiがドープされたGaAs成長層は
p型になるので、正孔閉じ込め効果を得ることはできな
いことを観測した。
【0029】以上説明した上記の実験結果をまとめると
以下のようになる。 (1)上述のようにGaAs基板10の(111)A面
上に三角錐台形状のGaAs基板21,22の段差の斜
面を形成するとき、傾斜角を28°≦θ≦33°の範囲
に収めれば、段差の傾斜角を保持して均一なGaAs成
長層を形成することができる。 (2)さらに、例えば横方向のp−n接合などを形成す
る場合において、正孔の閉じ込め又は電子の閉じ込めを
行う場合は、上記(1)の条件に加えて、三角錐台形状
のGaAs基板21の斜面21a,21b,21cのみ
を使用すればよい。すなわち、レジストマスクパターン
11のみを形成してウエットエッチングすることによ
り、(001)面から(111)A面に対する方向に傾
斜して定義される(114)A面乃至(5 5 14)
A面の斜面を形成すればよい。これによって、正孔の閉
じ込め効果又は電子の閉じ込め効果が低下しない横方向
のp−n接合を常に実現することができる。
【0030】以上の実施例においては、GaAs成長層
を形成しているが、本発明はこれに限らず、AlxGa
1-xAsなどのIII−V族化合物半導体膜を形成する場合
に適用することができる。また、GaAs基板を用いて
いるが、InP基板を用いてもよい。
【0031】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る請求
項1記載のIII−V族化合物半導体膜の形成方法によれ
ば、GaAs基板の(111)A面上に、正三角形状の
レジストマスクパターンの1辺が上記GaAs基板の劈
開面である(10)面(ここで、下線は上線を示
す。)に対して実質的に垂直な方向になるようにレジス
トマスクパターンを形成するステップと、上記レジスト
マスクパターンが形成されたGaAs基板に対して選択
エッチング処理を行って、レジストマスクパターンの各
辺の近傍に(111)A面に対して28°≦θ≦33°
の範囲の傾斜角θだけ傾斜する斜面を有する段差を形成
するステップと、上記レジストマスクパターンを除去す
るステップと、上記GaAs基板及び上記斜面上に分子
線エピタキシャル法を用いてIII−V族化合物半導体膜
を形成するステップとを含む。従って、傾斜角が28°
≦θ≦33°の範囲である斜面の段差が形成されるの
で、分子線エピタキシャル法を用いてIII−V族化合物
半導体膜の結晶を段差を有する基板上に成長させるとき
に余分なファセットが出現せず、しかも元の段差の傾斜
部の角度を保持して上記結晶を成長させることができ
る。
【0032】また、請求項2記載のIII−V族化合物半
導体膜の形成方法によれば、さらに、(001)面から
(111)A面への方向に傾斜されて定義される面の斜
面を有する段差が形成されるように上記レジストマスク
パターンを形成するので、電子又は正孔の閉じ込め効果
を低下させずに、III−V族化合物半導体膜を形成する
ことができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例であるGaAs基板の(1
11)A面上にMBE法によってGaAsの結晶を成長
させる方法における第1のプロセスを示す、レジストパ
ターンを形成したGaAs基板の平面図である。
【図2】 上記実施例の方法における第2のプロセスを
示す、ウエットエッチング後のGaAs基板の平面図で
ある。
【図3】 比較例である段差の斜面の傾斜角θ=61°
のときのGaAs成長後のGaAs基板の、図2のA−
A’線についての断面図である。
【図4】 比較例である段差の斜面の傾斜角θ=41°
のときのGaAs成長後のGaAs基板の、図2のA−
A’線についての断面図である。
【図5】 上記実施例における段差の斜面の傾斜角θ=
30°のときのGaAs成長後のGaAs基板の、図2
のA−A’線についての断面図である。
【図6】 比較例である段差の斜面の傾斜角θ=61°
のときのGaAs成長後のGaAs基板の、図2の段差
の正三角形のコーナー部21rにおける平面図である。
【図7】 上記実施例における段差の斜面の傾斜角θ=
30°のときのGaAs成長後のGaAs基板の、図2
の段差の正三角形のコーナー部21rにおける平面図で
ある。
【符号の説明】
10…GsAs基板、 10e…エッチングされたGaAs基板の[111]A
面、 11,12…レジストパターン、 11a,11b,11c,12a,12b,12c…レ
ジストパターンの正三角形の1辺、 13a,13b,13c,13d,13e…GaAs成
長層、 21,22…三角錐台形状のGaAs基板、 21a,21b,21c,22a,22b,22c…三
角錐台形状のGaAs基板の斜面、 100…劈開面、 θ…傾斜角。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 悌二 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 5番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (72)発明者 藤田 和久 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 5番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (72)発明者 小林 規矩男 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 5番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 GaAs基板の(111)A面上に、正
    三角形状のレジストマスクパターンの1辺が上記GaA
    s基板の劈開面である(10)面(ここで、下線は上
    線を示す。)に対して実質的に垂直な方向になるように
    レジストマスクパターンを形成するステップと、 上記レジストマスクパターンが形成されたGaAs基板
    に対して選択エッチング処理を行って、レジストマスク
    パターンの各辺の近傍に(111)A面に対して28°
    ≦θ≦33°の範囲の傾斜角θだけ傾斜する斜面を有す
    る段差を形成するステップと、 上記レジストマスクパターンを除去するステップと、 上記GaAs基板及び上記斜面上に分子線エピタキシャ
    ル法を用いてIII−V族化合物半導体膜を形成するステ
    ップとを含むことを特徴とするIII−V族化合物半導体
    膜の形成方法。
  2. 【請求項2】 (001)面から(111)A面への方
    向に傾斜されて定義される面の斜面を有する段差が形成
    されるように上記レジストマスクパターンを形成するこ
    とを特徴とする請求項1記載のIII−V族化合物半導体
    膜の形成方法。
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JP4110416B2 (ja) 2005-03-18 2008-07-02 セイコーエプソン株式会社 面発光型装置及びその製造方法
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