JP3122526B2 - 三−五族化合物半導体気相成長方法および半導体装置 - Google Patents

三−五族化合物半導体気相成長方法および半導体装置

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JP3122526B2 JP04153767A JP15376792A JP3122526B2 JP 3122526 B2 JP3122526 B2 JP 3122526B2 JP 04153767 A JP04153767 A JP 04153767A JP 15376792 A JP15376792 A JP 15376792A JP 3122526 B2 JP3122526 B2 JP 3122526B2
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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、三−五族化合物半導体
の気相法による結晶成長に関し、特に微小な島状結晶を
成長させるための形成方法、および、この微小結晶を含
む量子箱半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、基板結晶上への三−五族化合物半
導体の成長は、単結晶基板上にエピタキシーした極薄膜
を成長させるための技術として発達し、電子デバイスや
光デバイス用に応用されている。ところで、これらの半
導体素子の高性能化を目指す一つの方法として、デバイ
ス構造の微細化、薄膜化があり、この極限構造として、
電子をその波長程度の領域に閉じ込める量子箱構造が注
目されている。そこでは電子の波としての性質が現れ、
これを利用することで、従来の動作速度をはるかに上回
る超高速素子や、低しきい値レーザーなどが実現でき
る。
【0003】従来、結晶成長を主体としてこの量子箱構
造を形成するためには、結晶成長とともにLSI加工等
に利用されているリソグラフィー技術を組み合わせるこ
とが不可欠であった。たとえば、「1992年2月 応
用物理 第61巻 第2号141〜148頁」には、砒
化ガリウム基板結晶上に形成した二酸化珪素膜に、フォ
トリソグラフィー、または電子ビームリソグラフィー
と、ドライエッチング技術を用いて100nm程度の窓
を形成して、MOCVD(Metalorganic Chemical V
apor Deposition 有機金属熱分解)法により四面体構
造の量子箱構造を作製する技術が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この従来の量子箱作製
方法は、リソグラフィーとドライエッチングに大きく依
存しているが、量子効果を高めるために必要な100n
m以下のパターニングは、現状の技術では非常に困難で
ある。さらに、この窓に量子構造を作製するためには、
異なる半導体材料を用いて複雑な電子閉じ込め構造を実
現しなければならず、成長温度や、原料ガス流量などの
結晶成長条件の精密な制御が必要であった。また、二酸
化珪素膜の上に成長させずに、窓の中だけに成長させる
選択成長を実現しなければならない、といった条件も加
わり、成長プロセスをさらに複雑なものとした。
【0005】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、リソグラフィーとドライエッチングを用いなくて
も微小構造を形成できる三−五族化合物半導体気相成長
方法および半導体装置を提供することを目的とするもの
である。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の三−五族化合物半導体気相成長方法は、三
−五族化合物半導体の結晶成長において、低指数面から
2°以上の傾斜角度の面方位を有する第1の結晶上に、
成長温度を550℃から700℃、かつ、三族原料ガス
の分圧を10-4から10-2atmの条件で、第1の結晶
と少なくとも一つ以上の構成元素が異なる第2の三−五
族化合物半導体の島状結晶を形成することを特徴とし、
半導体装置は、前記の第1の三−五族化合物半導体、お
よび、この第1の半導体と少なくとも一つ以上の構成元
素が異なる第2の三−五族化合物半導体の島状結晶から
なる構造を、両者よりもバンドギャップの大きな第3の
三−五族化合物半導体層の間に形成したことを特徴とす
る。
【0007】
【作用】本発明による形成方法では、低指数面から2°
以上の傾斜角度の面方位を有する第1の三−五族化合物
半導体結晶上に、成長温度を550℃から700℃、か
つ、三族原料ガスの分圧を10-4から10-2atmの条
件での気相成長法により、第1の結晶と少なくとも一つ
以上の構成元素が異なる第2の三−五族化合物半導体の
微小な島状結晶を形成するので、直接下地結晶上に形成
できる。
【0008】さらに量子箱装置として用いるために、こ
の第1の三−五族化合物半導体、および、この第1の半
導体と少なくとも一つ以上の構成元素が異なる第2の三
−五族化合物半導体の微小な島状結晶からなる構造を、
両者よりもバンドギャップの大きな第3の三−五族化合
物半導体層の間に形成することで半導体装置を形成し、
大きな電子閉じ込め効果を得る。
【0009】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は本発明の手法により砒化ガリウムの
(100)面から2°以上傾斜した面方位を有する基板
結晶1上に形成した燐化インジウムの微小結晶2を模式
的に示す図である。また、図2はこの図1の結晶をA−
A線で切断した時の断面を示す図である。燐化インジウ
ム微小結晶の断面は三角形を有しており、側壁は低指数
からなる結晶面が現れている。
【0010】実施例1 図1及び図2に示した構造の成長法について次に詳述す
る。図3はこの構造を成長させるためのハイドライド気
相成長反応管の概略図である。基板結晶1は、基板ホル
ダー3に固定され図3に示す反応管内に導入される。こ
こでは、基板結晶1として(100)面から所定の角度
に傾斜した面方位を有する砒化ガリウムを用いた。
【0011】まず、パイプ4に水素キャリアガスととも
に、アルシンガス(AsH3 )を導入しながら、所定の
温度まで基板結晶温度を抵抗加熱炉5を用いて昇温し
た。温度が一定になったところでインジウムソース6上
にパイプ7より水素キャリアガスとともに塩酸ガス(H
C1)を導入して、塩化インジウムを発生させた。同時
に、パイプ4より、ホスフィンガス(PH3 )を送り、
基板結晶1付近で混合し、燐化インジウムが析出できる
条件とした。
【0012】ここで、砒化ガリウム基板結晶方位の(1
00)面からのズレと、塩化インジウムの濃度、基板結
晶温度を変えることで基板結晶上に析出する微小結晶2
の密度、大きさを調べた結果、砒化ガリウム基板結晶の
面方位の(100)面からのズレを2°以上に大きくす
ること、成長温度が550℃から700℃で、かつ、イ
ンジウム原料ガスの分圧を10-4から10-2atmの条
件で成長させることで、量子効果が得られる100nm
以下の微結晶を5x109 cm-2の高密度に成長するこ
とができた。
【0013】実施例2 図4を用いて量子箱半導体装置の実施例について説明す
る。この半導体装置では、基板結晶8として(100)
面から10°傾いた面方位を有する砒化ガリウムを用
い、この基板結晶8上に燐化インジウムガリウム(In
0.5 Ga0.5 P)膜を形成した。この半導体のバンドギ
ャップは、1.9eVと、砒化ガリウム(1.42e
V)、燐化インジウム(1.35eV)に比較して大き
く、電子が燐化インジウムの微結晶中に閉じ込められる
効果が強くなる。また、上記の組成で砒化ガリウムに格
子整合するため、結晶性がよく、特性の優れた半導体装
置が得られる。この上に薄い砒化ガリウム層10と、引
き続いて燐化インジウム微結晶2の成長を行い、最後
に、再び燐化インジウムガリウム(In0.5 Ga
0.5 P)膜11の成長を行って量子箱半導体装置を作成
した。この構造のホトルミネッセンスを調べた結果、短
波長側にずれた燐化インジウムの発光スペクトルが観測
され、明らかな量子閉じ込め効果が得られた。
【0014】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明による三
−五族化合物半導体の微小結晶成長を用いる量子箱形成
方法は、量子箱となる微結晶成長を下地とは異なる種類
の三−五族化合物半導体を成長させることで、直接下地
結晶上に形成できる。すなわち、従来のように極めて微
細な制御が要求されるリソグラフィーとドライエッチン
グを用いなくとも、100nm以下の微小構造を自動的
に形成できるという効果を有する。
【0015】また、この構造を、バンドギャップの大き
な別な三−五族化合物半導体層の間に連続的に形成する
ことで、大きな電子閉じ込め効果が得られ、量子箱半導
体装置を容易に実現できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による微結晶成長を模式的に示す斜視
図である。
【図2】 図1をAーA線で切断したときの断面図であ
る。
【図3】 本発明を実施するためのハイドライド気相成
長反応管の模式図である。
【図4】 本発明による量子箱半導体装置を示す模式図
である。
【符号の説明】
1、8…砒化ガリウム基板結晶、2…燐化インジウム微
結晶、3…基板ホルダー、4…五族原料ガス導入用パイ
プ、5…抵抗加熱炉、6…インジウムソース、7…塩酸
ガス導入用パイプ、10…砒化ガリウム層、9、11…
燐化インジウムガリウム層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 三ー五族化合物半導体の結晶成長におい
    て、低指数面から2°以上の傾斜角度の面方位を有する
    第1の結晶上に、成長温度を550℃から700℃、か
    つ、三族原料ガスの分圧を10-4から10-2atmの条
    件で、第1の結晶と少なくとも一つ以上の構成元素が異
    なる第2の三ー五族化合物半導体の島状結晶を形成する
    ことを特徴とする三ー五族化合物半導体気相成長方法。
  2. 【請求項2】 低指数面から2°以上の傾斜角度の面方
    位を有する第1の三ー五族化合物半導体結晶、および、
    この第1の半導体と少なくとも一つ以上の構成元素が異
    なる第2の三ー五族化合物半導体の島状結晶からなる構
    造を、両者よりもバンドギャップの大きな第3の三ー五
    族化合物半導体層の間に形成したことを特徴とする半導
    体装置。
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