JP3529475B2 - 半導体微小ドットの製造方法 - Google Patents
半導体微小ドットの製造方法Info
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体レーザや、高速の光変調器、電子メモリ等への応用が
可能な半導体微小ドット、特に、電子や正孔を一辺3n
mから30nmの領域に0次元的に閉じ込める量子箱と
呼ばれる半導体ドットの製造方法に関する。
子間隔)の異なる結晶原子または分子を堆積した場合、
平面的に結晶が成長せずに島状の結晶が成長することは
古くから知られていた〔I.N.Stranski a
nd L.von Krastanov,Akad.w
iss.Math.−Nat.K1IIb,146,7
97(1938)〕および〔E.Bauer and
H.Poppa,Thin Solid Films
12,167(1972)など〕。
上にゲルマニウムを分子線エピタキシー(MBE)法で
堆積しアニールすると、底辺が約30nm、高さが約3
nmの島状ゲルマニウム結晶が形成されることが報告さ
れており〔Y.W.Mo et al.,Physic
al Review Letters 65,1020
(1990)〕、また、ガリウムヒ素(GaAs)基板
上に、インジウムリン(InP)を気相成長すると、あ
る条件下で底辺50nmから100nm、高さ約25n
mの島状結晶が109 cm-2の密度でできることも報告
されている〔J.Ahopelto et al.,J
apanese Journal of Applie
d Physics 32,L32(1993)〕。
に、インジウムヒ素(InAs)、またはインジウムガ
リウムヒ素(InGaAs)をMBE法で堆積すると、
直径が約30nm以下で、その寸法のばらつきが10%
以内の島状結晶が形成でき、量子閉じ込め効果を有する
ことが示された〔D.Leonard et al.,
Applied PhysicsLetters 6
3,3203 (1993)〕。
相成長法(MOVPE)でも形成できることがわかって
いる。他に微傾斜(100)GaAs基板上にInAs
をMBE法で1原子層以下成長すると、原子ステップに
局所的にInAs結晶ができるとの報告もある〔O.B
randt et al.,Physical Rev
iew B44,8043 (1991)〕。
半導体結晶の製造方法として、InGaAs/InP量
子井戸構造の上に、気相中で形成した銀(Ag)の微粒
子を付着させ、加熱して合金化した後、それをマスクと
してメタン(CH4 )による反応性イオンエッチングを
行い、直径24±5nmの量子箱構造を形成した例が報
告されている〔K.Deppert et al.,A
pplied Physics Letters 6
4,3293(1994)〕。
の選択性を利用した半導体の微細加工方法としては、G
aAs等の化合物半導体基板の上に、InAs等のイン
ジウムを含む化合物半導体薄膜を堆積し、塩素を含むガ
ス中で電子線を照射することにより、被照射領域のイン
ジウムを含む化合物半導体薄膜を選択的に除去し、除去
されずに残ったインジウムを含む化合物半導体薄膜をマ
スクとして、他の部分の化合物半導体基板をエッチング
する方法が開示されている(特開平6−61200号公
報)。
合物半導体薄膜は、塩化水素ガスによって下地の化合物
半導体基板を残したまま選択的に除去できることが報告
されている(Y.Kadoya et al.,Jap
anese Journal of Applied
Physics 32,L1496(1993)〕。
た従来の方法のうち、半導体結晶の格子定数の違いを利
用して島状結晶を形成し量子箱とする方法では、対象と
なる半導体がInAsなどに限定され、有用な半導体で
あるアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)やGa
Asを量子箱とすることは難しい。
微粒子の大きさのばらつきを10%以内に抑えることが
非常に困難である。また、Ag微粒子を堆積するために
結晶を成長環境と異なる状況にさらす必要があり、さら
にAgを選択的に除去することが困難であるために、結
晶を汚染する原因となりやすい。
ムを含む化合物半導体薄膜を選択的に加工する方法で
は、マスクを30nm以下の大きさに加工することは不
可能である。
法で、有用な半導体である島状のAlGaAsやGaA
sからなる半導体微小ドットの製造方法を提供すること
を目的とする。
成するために、 (1)半導体微小ドットの製造方法において、障壁層と
なる半導体の上に井戸層となる半導体を積層した下地の
半導体結晶上に格子定数の異なる異種の半導体を堆積し
島状の異種半導体結晶を形成する第1の工程と、前記島
状の異種半導体結晶をマスクとして前記下地の半導体結
晶のみをガス中で選択的にエッチングする第2の工程と
を有するようにしたものである。
の製造方法において、前記下地の半導体結晶を量子井戸
構造とするようにしたものである。
の製造方法において、前記島状の異種半導体結晶をイン
ジウムを含む化合物半導体とするようにしたものであ
る。
の製造方法において、前記第2の工程で用いるガスを塩
素ガスとするようにしたものである。
て、障壁層となる半導体の上に井戸層となる半導体を積
層した下地の半導体結晶上に格子定数の異なる異種の半
導体を堆積し島状の異種半導体結晶を形成する第1の工
程と、前記島状の異種半導体結晶をマスクとして前記下
地の半導体結晶のみをガス中で選択的にエッチングする
第2の工程と、前記マスクの島状の異種半導体結晶を前
記第2の工程とは異なるガス中で選択的に除去する第3
の工程とを有するようにしたものである。
の製造方法において、前記第3の工程で用いるガスを塩
化水素ガスとするようにしたものである。
て、障壁層となる半導体の上に井戸層となる半導体を積
層した下地の半導体結晶上に格子定数の異なる異種の半
導体を堆積し島状の異種半導体結晶を形成する第1の工
程と、前記島状の異種半導体結晶をマスクとして前記下
地の半導体結晶のみをガス中で選択的にエッチングする
第2の工程と、前記マスクの島状の異種半導体結晶を前
記第2の工程とは異なるガス中で選択的に除去する第3
の工程と、選択的にエッチングされた下地の半導体を障
壁層となる半導体結晶で埋め込む第4の工程とを有する
ようにしたものである。
ットの製造方法によれば、第1の工程で障壁層となる半
導体の上に井戸層となる半導体を積層した下地の半導体
結晶上に、格子定数の異なる異種の半導体を堆積し、島
状の異種半導体結晶を形成することにより、直径30n
m以下のマスクを、10%以内の大きさのばらつきで、
汚染を伴うことなく作製できる。また、第2の工程で島
状の異種半導体結晶をマスクとして下地の半導体結晶の
みをガス中で選択的にエッチングすることにより、格子
定数のほぼ等しいGaAsとAlGaAsなどの半導体
結晶でも、マスクと同程度の大きさの島状に加工でき
る。
小ドットの製造方法によれば、上記(A)の作用に加え
て、さらに、第3の工程としてマスクの島状の異種半導
体を第2の工程とは異なるガス中で選択的に除去するこ
とができる。
の製造方法によれば、上記(B)の作用に加えて、さら
に、第4の工程として選択的にエッチングされた下地の
半導体を障壁層となる半導体結晶で埋め込むことによ
り、完全に障壁層で囲まれた量子箱構造を実現できる。
明する。
ットの製造工程図である。
aAs基板1上に、MBE法で例えばGaAsバッファ
層2を500nm、AlGaAs障壁層3を10nm、
GaAs量子井戸(QW:Quantum Well)
層4を10nm、AlGaAs障壁層5を10nm順次
積層して、量子井戸構造を作製する。
450℃に下げ、図1(b)に示すように、InAsを
数原子層分成長すると、底辺の直径20nm前後、高さ
10nm前後の島状InAs結晶6が堆積される。
エッチング室に移送し、130℃に加熱して、3×10
-4Torrの分圧の塩素ガス(4SCCM)を導入する
と、図1(c)に示すように、島状InAs結晶6がI
nAsマスクとなり、選択的エッチングが行われ、柱状
の量子井戸構造が形成される。すなわち、図3に示すよ
うに、InAsマスクは1分間でほとんどエッチングさ
れないのに対して、GaAs(あるいはAlGaAs)
は約30nmの深さでエッチングされるので、直径約2
0nmでInAsマスクを除いた分の高さ約30nmの
柱状の量子井戸構造が形成される。
することができる。
状InAs結晶6をエッチングする。つまり、試料を約
300℃として、2×10-4Torrの分圧の塩化水素
ガス(4SCCM)を導入すると、図4から明らかなよ
うに、InAsマスクは1分間で約10nmエッチング
されるのに対して、GaAs(あるいはAlGaAs)
は、0.1nm以下しかエッチングされないので、約2
分間の塩化水素ガスエッチングによって、下地の柱状構
造を残したままマスクの島状InAs結晶6を完全に除
去できる。
MBE装置に移送し、図2(b)に示すように、AlG
aAs障壁層7、GaAsキャップ層8を順次成長させ
ると、図5に示すような、周囲を障壁層で完全に囲まれ
た直径20nm、高さ10nmのGaAs量子箱を有す
る半導体装置を作製できる。
をマスクとして、エッチングするようにしたが、エッチ
ングの代わりに、酸化やイオン注入によりマスクの周囲
の障壁層を量子井戸層の改変により形成するようにして
もよい。
連続で配置することにより、半導体微細線状構造を形成
することは、適宜実施することができる。
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
れば、以下のような効果を奏することができる。
第1の工程で下地となる半導体結晶上に、格子定数の異
なる異種の半導体を堆積し島状の異種半導体結晶を形成
することにより、直径30nm以下のマスクを、10%
以内の大きさのばらつきで汚染を伴うことなく作製でき
る。
をマスクとして下地の半導体結晶のみをガス中で選択的
にエッチングすることにより、格子定数のほぼ等しいG
aAsとAlGaAsなどの半導体結晶でも、マスクと
同程度の大きさの島状に加工でき、簡便な方法により、
有用な半導体であるアルミニウムガリウムヒ素(AlG
aAs)やGaAsからなる半導体微小ドットを得るこ
とができる。
上記(A)の作用効果に加えて、さらに、第3の工程と
してマスクの島状の異種半導体を第2の工程とは異なる
ガス中で選択的に除去し、微小な柱状量子井戸構造を得
ることができる。
(B)の作用効果に加えて、さらに、第4の工程として
選択的にエッチングされた下地の半導体を障壁層となる
半導体結晶で埋め込むことにより、完全に障壁層で囲ま
れた量子箱を有する、半導体レーザなどの半導体装置を
実現できる。
工程図(その1)である。
工程図(その2)である。
するGaAs,InAsのエッチレートとエッチング時
の基板温度の関係を示す図である。
に対するGaAs,InAsのエッチレートとエッチン
グ時の基板温度の関係を示す図である。
一部破断斜視図である。
ll)層 6 島状InAs結晶(マスク) 8 GaAsキャップ層
Claims (7)
- 【請求項1】(a)障壁層となる半導体の上に井戸層と
なる半導体を積層した下地の半導体結晶上に格子定数の
異なる異種の半導体を堆積し島状の異種半導体結晶を形
成する第1の工程と、 (b)前記島状の異種半導体結晶をマスクとして前記下
地の半導体結晶のみをガス中で選択的にエッチングする
第2の工程とを有する半導体微小ドットの製造方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体微小ドットの製造
方法において、前記下地の半導体結晶を量子井戸構造と
する半導体微小ドットの製造方法。 - 【請求項3】 請求項1記載の半導体微小ドットの製造
方法において、前記島状の異種半導体結晶をインジウム
を含む化合物半導体とする半導体微小ドットの製造方
法。 - 【請求項4】 請求項1記載の半導体微小ドットの製造
方法において、前記第2の工程で用いるガスを塩素ガス
とする半導体微小ドットの製造方法。 - 【請求項5】(a)障壁層となる半導体の上に井戸層と
なる半導体を積層した下地の半導体結晶上に格子定数の
異なる異種の半導体を堆積し島状の異種半導体結晶を形
成する第1の工程と、 (b)前記島状の異種半導体結晶をマスクとして前記下
地の半導体結晶のみをガス中で選択的にエッチングする
第2の工程と、 (c)前記マスクの島状の異種半導体結晶を前記第2の
工程とは異なるガス中で選択的に除去する第3の工程と
を有する半導体微小ドットの製造方法。 - 【請求項6】 請求項5記載の半導体微小ドットの製造
方法において、前記第3の工程で用いるガスを塩化水素
ガスとする半導体微小ドットの製造方法。 - 【請求項7】(a)障壁層となる半導体の上に井戸層と
なる半導体を積層した下地の半導体結晶上に格子定数の
異なる異種の半導体を堆積し島状の異種半導体結晶を形
成する第1の工程と、 (b)前記島状の異種半導体結晶をマスクとして前記下
地の半導体結晶のみをガス中で選択的にエッチングする
第2の工程と、 (c)前記マスクの島状の異種半導体結晶を前記第2の
工程とは異なるガス中で選択的に除去する第3の工程
と、 (d)選択的にエッチングされた下地の半導体を障壁層
となる半導体結晶で埋め込む第4の工程とを有する半導
体微小ドットの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3483795A JP3529475B2 (ja) | 1995-02-23 | 1995-02-23 | 半導体微小ドットの製造方法 |
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---|---|---|---|
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Publication Number | Publication Date |
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JPH08236501A JPH08236501A (ja) | 1996-09-13 |
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ID=12425318
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3483795A Expired - Fee Related JP3529475B2 (ja) | 1995-02-23 | 1995-02-23 | 半導体微小ドットの製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3529475B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5991535A (ja) * | 1982-11-16 | 1984-05-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | デイジタルコ−ド設定スイツチ |
JP2014209609A (ja) * | 2013-03-26 | 2014-11-06 | 京セラ株式会社 | 半導体レーザ |
-
1995
- 1995-02-23 JP JP3483795A patent/JP3529475B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
O.Brandt et al,InAs quantum dots in a single−crystal GaAs matrix,Physical Review B,米国,The American Physical Society,vol.44, No.15,pp8043−8053 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH08236501A (ja) | 1996-09-13 |
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