JP3005985B2 - 超格子の形成方法 - Google Patents

超格子の形成方法

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JP3005985B2 JP63311737A JP31173788A JP3005985B2 JP 3005985 B2 JP3005985 B2 JP 3005985B2 JP 63311737 A JP63311737 A JP 63311737A JP 31173788 A JP31173788 A JP 31173788A JP 3005985 B2 JP3005985 B2 JP 3005985B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超格子の形成方法に関し、例えば多次元半
導体超格子の製造に適用して好適なものである。
〔発明の概要〕
本発明は、超格子の形成方法において、第1の原料化
合物を吸着させた基体上に荷電粒子ビームを選択的に照
射することにより上記第1の原料化合物から上記基体上
に生成される第1の物質から成る第1のパターンを形成
する工程と、上記第1の原料化合物とは異なる第2の原
料化合物を吸着させた上記基体上に荷電粒子ビームを選
択的に照射することにより上記第2の原料化合物から上
記基体上に生成される第2の物質から成る第2のパター
ンを形成する工程とを具備する。これによって、超格子
を高精度で形成することができる。
〔従来の技術〕
微細構造を有する三次元的結晶を考え、その格子点r
における元素の種類を とする。通常のリソグラフィー技術を用いてバルク基板
を加工することにより微細構造を形成した場合には、 である。すなわち、この場合には、微細構造を有すると
しても物質そのものは一様でしかない。また、超格子を
基板に用いても という原始的変調が加わるにすぎない(第6図参照)。
ここで、 は超格子ベクトル(積層方向の単位ベクトル)、m=0,
1,2,…、dは原子層の厚さ、a,bは超格子を構成する各
層の厚さである。
一方、レーザー光を用いた原子層エピタキシー(Atom
ic Layer Epitaxy,ALE)法が知られている。このALE法
を用いれば、レーザー光の走査により を任意に変化させることができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、通常得られるレーザー光の波長は数千Å以上
であるため、上述のALE法では数百Å程度以下の寸法の
極微細構造を形成することはできない。一方、レーザー
光の代わりに波長が数Å程度のX線を用いれば分解能は
向上するが、X線はコリメートが難しく、良いレンズ系
も得られないため、現時点での実用化は困難である。
また、選択成長を行う場合には、一般に原料化合物中
の化学結合にあずかる電子雲と光との相互作用を用いて
いるが、光が荷電粒子ビームと異なり中性であることか
ら、この光・電子相互作用は小さい。この欠点は、光子
数を増やすことにより補うことができるが、こうすると
光分解(photolysis)のみならず熱分解(pyrolysis)
をも引き起こす結果、分解能の低下を招いてしまう。
本発明の目的は、三次元的に任意の場所に任意の物質
から成るパターンを高分解能で形成することができ、こ
れによって超格子を高精度で形成することができる超格
子の形成方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者の知見によれば、例えばアルキルナフタレン
のような原料ガスを含む雰囲気中で基体上に例えば電子
ビームを照射することにより、この照射部における基体
上に非晶質炭化水素系の物質を生成させることができ、
これによって電子ビームのビーム径と同程度の極微細幅
のレジストパターンを形成することができる。このよう
な電子ビーム照射による物質形成法では、電子ビームの
電子と基体表面に吸着した物質中の電子雲との間の電子
・電子相互作用を用いている。この電子・電子相互作用
は大きいので、この場合には原料化合物の熱分解による
影響を抑えることができる。なお、このようにして電子
ビーム照射により形成された非晶質炭化水素系の物質か
ら成るレジストをEBIR(Electron Beam Induced Resis
t)と呼ぶ。
第4図は、基体101の表面に吸着したアルキルナフタ
レンに電子ビームを照射することにより形成されたEBIR
102を示す。第4図に示すように、このEBIR102の断面形
状は、テイル部を有するガウス分布状の形状となる。こ
の断面形状は、第5図において破線の曲線で示す、電子
ビームの後方散乱も含めた全電子分布形状と全く等し
い。なお、第5図において実線で示す曲線は、電子ビー
ムの電子分布である。第4図に示すように、このEBIR10
2は、ピーク部からテイル部に移る部分に鋭いキンク(k
ink)が存在しているのが特徴である。もしも成長が熱
分解に起因するものであるならば、ピーク部直下を熱源
として、そこを頂点とする熱拡散に従ったなだらかな形
状となり、キンクが形成されることは決してないはずで
ある。このことから、電子ビーム照射によれば、熱分解
に起因するぼけのない、電子ビーム本来の分解能で決ま
る高分解能の選択成長を行うことができることがわか
る。なお、電子ビームの後方散乱はビームのエネルギー
を低くすることにより抑えることができるので、問題は
ない。また、このように電子ビームのエネルギーを低く
すると分解能が低下するが、この問題は電界放射電子銃
(field emission gun)を使用することにより解決する
ことができる。
本発明は、以上のような検討に基づいて案出されたも
のである。
すなわち、請求項1の発明は、超格子の形成方法にお
いて、第1の原料化合物を吸着させた基体(1)上に荷
電粒子ビーム(4)を選択的に照射することにより第1
の原料化合物から基体(1)上に生成される第1の物質
から成る第1のパターン(5)を形成する工程と、第1
の原料化合物とは異なる第2の原料化合物を吸着させた
基体(1)上に荷電粒子ビーム(4)を選択的に照射す
ることにより第2の原料化合物から基体(1)上に生成
される第2の物質から成る第2のパターン(6)を形成
する工程とを具備する。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、第1の
物質及び第2の物質が半導体である。
請求項3の発明は、請求項1の発明において、第1の
パターン(5)上に第2のパターン(6)を形成する工
程を繰り返す。
請求項4の発明は、請求項1の発明において、第1の
パターン(5)上に第2のパターン(6)を形成する工
程と第2のパターン(6)上に第1のパターン(5)を
形成する工程とを繰り返す。
上記荷電粒子ビーム(4)としては、電子ビームのほ
かに陽電子ビーム、ミューオンビーム等を用いることが
できる。電子ビームを用いる場合には、干渉性の良好な
電子ビームを発生させることができる電界放射電子銃を
用いるのが好ましい。
〔作用〕
荷電粒子ビーム(4)のビーム径は極めて小さくする
ことができることから、極微細幅のパターン(5,6)を
高分解能で形成することができる。しかも、荷電粒子ビ
ーム(4)の描画により、三次元的に任意の場所にこの
パターン(5,6)を形成することができる。また、原料
ガスの種類を選ぶことにより、基体(1)上に任意の物
質を形成することができる。
以上より、請求項1の発明によれば、三次元的に任意
の場所に任意の物質から成るパターンを高分解能で形成
することができ、これによって超格子を高精度で形成す
ることができる。
請求項2の発明によれば、半導体超格子を高精度で形
成することができる。
請求項3、4の発明によれば、三次元超格子を高精度
で形成することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。なお、実施例の全図において、同一機能を有す
る部分には同一の符号を付ける。
実施例I 第1図A〜第1図Dは本発明の実施例Iを示す。この
実施例Iは、ヒ化ガリウム(GaAs)/ヒ化アルミニウム
(AlAs)系二次元超格子の製造に本発明を適用した実施
例である。
この実施例Iにおいては、第1図Aに示すように、図
示省略した電子ビーム照射装置の高真空(例えば、3×
10-7Torr程度)に排気された試料室内にGaAs基板1を配
置し、この試料室内にまず例えばトリメチルヒ素((CH
33As,TM As)のようなAsの原料ガスを所定時間だけ導
入する。なお、この場合、GaAs基板1としては表面にGa
原子面が出ているものを用いる。また、試料室内におけ
る原料ガスの圧力は、例えば10-7〜10-5Torr程度であ
る。TM Asの導入により、GaAs基板1の表面にTM As分子
が吸着してTM As吸着分子層2が形成される。次に、例
えばトリメチルガリウム((CH33Ga,TMG)のようなGa
の原料ガスを所定時間だけ導入する。これによって、上
述のTM As吸着分子層2の上にTMG分子が吸着してTMG吸
着分子層3が形成される。
次に、ビーム径を例えば数十Å程度に細く絞った電子
ビーム4をGaAs基板1上で走査し、例えば市松模様状に
電子ビーム描画を行う。なお、この場合の電子ビーム11
の加速電圧は例えば0.5〜6kV程度であり、ビーム電流は
例えば10-13〜10-7A程度である。
電子ビーム4が照射された部分では、TMG分子及びTM
As分子の分解により、第1図Bに示すように、一層のGa
As層5がこの電子ビーム4と同程度の寸法で市松模様状
に形成される。なお、この場合のGaAs層5とは、Ga原子
面とAs原子面とが対になったものをいう。
次に、上述と同様にして例えばトリメチルアルミニウ
ム((CH33Al,TMA)のようなAlの原料ガスを試料室内
に導入する。これによって、GaAs層5の間の部分におけ
るGaAs基板1の表面では、TMG吸着分子層3の上にTMA吸
着分子層(図示せず)が形成された状態となる。この場
合、ある程度の時間が経過した後には、TMA吸着分子層
中のAlとTMG吸着分子層3中のGaとの入れ替えが起き、G
aが表面に出てくる。そして、その後Gaは再蒸発してな
くなる。この結果、一定時間経過後には、GaAs層5の間
の部分におけるGaAs基板1の表面には、TM As吸着分子
層及びTMA吸着分子層だけが存在する。この状態でGaAs
層5の間の部分におけるGaAs基板1上に電子ビームを照
射する。これによって、TMA分子及びTM As分子の分解に
より、第1図Cに示すように、GaAs層5の間にAlAs層6
が形成される。
この後、上述と同様な工程を繰り返して、第1D図に示
すように、目的とする厚さのGaAs層5及びAlAs層6が市
松模様状に配置されたGaAs/AlAs系二次元超格子が完成
される。
以上のように、この実施例Iによれば、GaAs基板1上
に原料化合物を吸着させ、電子ビーム4による描画を行
うことによりGaAs層5及びAlAs層6を形成しているの
で、電子ビーム4の分解能と同程度の高分解能でこれら
のGaAs層5及びAlAs層6のパターンを形成することがで
きる。また、これらのGaAs層5及びAlAs層6の厚さは、
数Åの精度で制御することができる。これによって、二
次元超格子を高精度で製造することができる。この場
合、電子ビーム4の典型的な照射条件である加速電圧6k
V、ビーム電流10-11Aの条件では、この電子ビーム4の
エネルギーは6×10-11=6×10-8Wであるが、このエネ
ルギーは既に述べたALE法のようにレーザー光を用いる
場合のエネルギー(10-1W程度)に比べてはるかに小さ
い。従って、この実施例Iの場合には、ALE法のような
原料化合物の熱分解による影響はほとんど生じないと考
えることができる。
実施例II 第2図は本発明の実施例IIを示す。この実施例IIは、
GaAs/AlAs系三次元超格子の製造に本発明を適用した実
施例である。
この実施例IIにおいては、まず第1図Dに示すと同様
な二次元超格子を形成した後、実施例Iと同様な方法で
GaAs層5の上にはAlAs層6を形成し、AlAs層6の上には
GaAs層5を形成する。そして、この工程を繰り返すこと
によって、第2図に示すように、GaAs/AlAs系三次元超
格子を完成させる。
この実施例IIによれば、三次元超格子を高精度で製造
することができる。この三次元超格子の状態密度関数は
δ関数列となるので、例えば半導体レーザーの活性層に
この三次元超格子を用いることにより、発光効率が高
く、しかも発振波長がシャープな半導体レーザーを得る
ことができる。
実施例III 第3図は本発明の実施例IIIを示す。この実施例III
は、読み出し専用メモリー(ROM)の製造に本発明を適
用した実施例である。
この実施例IIIにおいては、第3図に示すように、実
施例Iと同様な方法でGaAs基板1上にGaAs層5及びAlAs
層6を書き込むべきデータに応じた配置で形成し、これ
によってROMを完成させる。このROMのデータの読み出し
は次のようにして行うことができる。すなわち、GaAs層
5とAlAs層6とは電子ビームが当たった時に発生する二
次電子の発生数が異なるため、電子ビーム4をGaAs層5
及びAlAs層6の配列方向に沿って第3図の矢印で示すよ
うに走査すれば、二次電子の発生数を検出することによ
り、データの読み出しを行うことができる。
この実施例IIIによれば、各GaAs層5及びAlAs層6に
よりメモリセルが構成されるので、メモリセル一個の面
積を極めて小さくすることができ、従って超高集積密度
かつ大容量のROMを実現することができる。
以上、本発明の実施例につき具体的に説明したが、本
発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発
明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施例Iにおいては、GaAs層5及びAl
As層6を一層ずつ交互に形成しているが、例えばまずGa
As層5を必要な厚さだけ形成した後、このGaAs層5と同
じ厚さだけAlAs層6を形成することも可能である。ま
た、上述の実施例I〜IIIにおいては、GaAs/AlAs系の超
格子またはROMに本発明を適用した場合について説明し
たが、本発明は、例えばGaAs/AlAs系以外の超格子また
はROMに適用することが可能である。
〔発明の効果〕
本発明は、以上説明したように構成されているので、
次のような効果がある。
請求項1の発明によれば、超格子を高精度で形成する
ことができる。
請求項2の発明によれば、半導体超格子を高精度で形
成することができる。
請求項3、4の発明によれば、三次元超格子を高精度
で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図A〜第1図Dは本発明の実施例Iを工程順に説明
するための斜視図、第2図は本発明の実施例IIを説明す
るための斜視図、第3図は本発明の実施例IIIを説明す
るための斜視図、第4図はEBIRの断面形状を示す断面
図、第5図は電子ビームの径方向の電子分布を示すグラ
フ、第6図は従来の技術を説明するための図である。 図面における主要な符号の説明 1:GaAs基板、2:TM As吸着分子層、 3:TMG吸着分子層、4:電子ビーム、 5:GaAs層、6:AlAs層。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01S 5/30 H01L 29/203 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 H01L 21/205

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の原料化合物を吸着させた基体上に荷
    電粒子ビームを選択的に照射することにより上記第1の
    原料化合物から上記基体上に生成される第1の物質から
    成る第1のパターンを形成する工程と、 上記第1の原料化合物とは異なる第2の原料化合物を吸
    着させた上記基体上に荷電粒子ビームを選択的に照射す
    ることにより上記第2の原料化合物から上記基体上に生
    成される第2の物質から成る第2のパターンを形成する
    工程とを具備することを特徴とする超格子の形成方法。
  2. 【請求項2】上記第1の物質及び上記第2の物質が半導
    体であることを特徴とする請求項1記載の超格子の形成
    方法。
  3. 【請求項3】上記第1のパターン上に上記第2のパター
    ンを形成する工程を繰り返すことを特徴とする請求項1
    記載の超格子の形成方法。
  4. 【請求項4】上記第1のパターン上に上記第2のパター
    ンを形成する工程と上記第2のパターン上に上記第1の
    パターンを形成する工程とを繰り返すことを特徴とする
    請求項1記載の超格子の形成方法。
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