JPH02231765A - 半導体装置 - Google Patents
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- JPH02231765A JPH02231765A JP5193489A JP5193489A JPH02231765A JP H02231765 A JPH02231765 A JP H02231765A JP 5193489 A JP5193489 A JP 5193489A JP 5193489 A JP5193489 A JP 5193489A JP H02231765 A JPH02231765 A JP H02231765A
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Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は、ペテロ接合を有する半導体装置、特に横方向
の超格子梼造を有する半導体装置に関する． 〔従来の技術〕 高速トランジスタへの応用や半導体レーザへの応用を目
的としたヘテロ接合の構造として、キャリャを２次元量
子井戸に閉じ込めた址子細線構造や、キャリャを３次元
量子井戸に閉じ込めた景子ｍＷ造が知られている．これ
らの２次元及び３次元量子井戸構造を実現させるために
は、キャリャを基板と垂直な膜厚向及び基板に平行な面
内方向に閉じ込める必要がある．これらのうち、キャリ
ャを膜厚方向に閉じ込める構造としては、バンドギャッ
プの異なる材料を重ね合わせたいｂゆる超格子構造や．
ＭＯＳ反転層を用いた構造等が知られている．これらの
ｆｔ．造を作製することにより、キャリャを膜厚方向に
閉じ込めた、一次元量子井戸構造が容易に実現される． しかし、キャリャを面内方向に示し込めるのは，あまり
容易ではない．キャリャを面内及び垂直方向に閉じ込め
た景子細線閘造の例として、アブライド・フイジツクス
・レター，４１，Ｐ６３５（１ ９ ８ ２年） （
Ａｐｐｌ．Ｉ’ｈｎｐ．Ｌａｔｔ．，４１， Ｐ６３５
（１９８２））に記載の半導体装置を，第２１１１を用
いて説明する．まず、半絶縁性Ｇ ａ Ａ ｓ基板１１
上に、キャリャと膜厚方向に閉じ込めるための構造とし
て、分子纏エビタキシー法によってＧａＡｓｌ３とＧａ
ｏ＊フａＡ Ｑ ｏ．ｚｓＡｓｌ２から成る超格子を形
成する．次に、フォトレジストでストライブを形成し、
化学マッチングの際の異方性を利用して三角形の断面積
を有するメモリ構造を作る．その後、キャリャを面内方
向に閉じ込めるための障壁層として、分子線エビタキシ
ー法によって Ｇａｏ．ｓｓＡ １ｉ ｏ．ａｔＡｓｌ４を全酋に成長
させ、量子細線構造を有する半導体装置を作製する． 〔発明が解決しようとする課題〕 しかし、上記の半導体装置を作装するには，二度の結晶
成長が必要であるので装置を作製する方法が複雑となり
、さらに，途中で成長を中断して大気中に取り出すため
に，最初の成長層と二度目の成長層との界面に不純物が
混入しやすいという問題点があった． 本発明の目的は、キャリャを面内方向に閉じ込めるのに
必要な横方向の超格子と容易に形成できる構造を提供す
ることにある．
の超格子梼造を有する半導体装置に関する． 〔従来の技術〕 高速トランジスタへの応用や半導体レーザへの応用を目
的としたヘテロ接合の構造として、キャリャを２次元量
子井戸に閉じ込めた址子細線構造や、キャリャを３次元
量子井戸に閉じ込めた景子ｍＷ造が知られている．これ
らの２次元及び３次元量子井戸構造を実現させるために
は、キャリャを基板と垂直な膜厚向及び基板に平行な面
内方向に閉じ込める必要がある．これらのうち、キャリ
ャを膜厚方向に閉じ込める構造としては、バンドギャッ
プの異なる材料を重ね合わせたいｂゆる超格子構造や．
ＭＯＳ反転層を用いた構造等が知られている．これらの
ｆｔ．造を作製することにより、キャリャを膜厚方向に
閉じ込めた、一次元量子井戸構造が容易に実現される． しかし、キャリャを面内方向に示し込めるのは，あまり
容易ではない．キャリャを面内及び垂直方向に閉じ込め
た景子細線閘造の例として、アブライド・フイジツクス
・レター，４１，Ｐ６３５（１ ９ ８ ２年） （
Ａｐｐｌ．Ｉ’ｈｎｐ．Ｌａｔｔ．，４１， Ｐ６３５
（１９８２））に記載の半導体装置を，第２１１１を用
いて説明する．まず、半絶縁性Ｇ ａ Ａ ｓ基板１１
上に、キャリャと膜厚方向に閉じ込めるための構造とし
て、分子纏エビタキシー法によってＧａＡｓｌ３とＧａ
ｏ＊フａＡ Ｑ ｏ．ｚｓＡｓｌ２から成る超格子を形
成する．次に、フォトレジストでストライブを形成し、
化学マッチングの際の異方性を利用して三角形の断面積
を有するメモリ構造を作る．その後、キャリャを面内方
向に閉じ込めるための障壁層として、分子線エビタキシ
ー法によって Ｇａｏ．ｓｓＡ １ｉ ｏ．ａｔＡｓｌ４を全酋に成長
させ、量子細線構造を有する半導体装置を作製する． 〔発明が解決しようとする課題〕 しかし、上記の半導体装置を作装するには，二度の結晶
成長が必要であるので装置を作製する方法が複雑となり
、さらに，途中で成長を中断して大気中に取り出すため
に，最初の成長層と二度目の成長層との界面に不純物が
混入しやすいという問題点があった． 本発明の目的は、キャリャを面内方向に閉じ込めるのに
必要な横方向の超格子と容易に形成できる構造を提供す
ることにある．
上記目的は、同一の組成からなる材料でありながら，し
かも異なるバンドギャップ（Ｅ ｇ）を有する材料を、
同一基板上に一度の堆積で形成することにより達成され
る． さらに、同一組成の材料でバンドギャップを変えるため
に、材料のミクロな構造を部分的に変えたものである． また，同一組成の材料のＥｇを変えるために、部分的に
材料の歪みを変えたものである．（作用〕 上述の如く同一組成の材料でバンドギャップの異なる膜
を，一度の成膜で基板上に形成することにより、下記の
如くキャリャを面内方向に閉じ込めるための障Ｉｕ層を
容易に形成できる．即ち，バンドギャップの異なる材料
では、価電子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ）もしくは伝
導帯の底のエネルギー（Ｅｃ）のうち少なくとも一方が
異なっているために，そのような材料を接合することに
よって，ホールもしくは電子のうち少なくとも一方に対
するｌＩｌｒＪ１が形成できる．このような性質を持つ
材料を，同一組成の材料で作製できれば，ペテロ接合面
を基板に対して垂直又はそれに近い方向に容易に形成す
ることが可能となり、そのヘテロ接合面を用いて，キャ
リャを面内方向に閉じ込めることができる． 同一組成の材料でバンドギャップを変えるための手段と
しては、材料のミクロな拵造を部分的に変えてやればよ
い．例えば、同一組成の材料でも，結晶状．態と微結晶
状態、及び非晶質状態では，Ｅｇは大きく異なる．例え
ばＳｉ材料の場合、結晶Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）のＥｇは約１
．１ａＶ ．微結晶Ｓｉ （μｃ−Ｓｉ） ”ｔ’は約
１．４ａＶ．非晶質Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）のＥｇは約１．８
ｅＶである．このようなミクロ構造の異なる同一組成の
材料を、一度の成膜で基板上に形成すれば，横方向の超
格子構造を容易に形成することができる．また，材料の
Ｅｇは歪みによっても変えることができる．材料の歪み
を変える方法の１つとして、基板上に格子定数の異なる
材料を単結晶成長させた場合の、成長膜の歪みを基板面
方位によって変える方法がある．その例として、基板を
Ｓｉ、成長膜をＳ ｌ １−Ｘ Ｇ ＩＩＸ膜とした場
合について述べる．Ｓｉ基板上に、Ｓｉよりも大きな格
子定数を持つＳｉｘ−ｘＧ●Ｘ膜を単結晶成長させた場
合、ＳＩＧａ膜の厚さがある臨界値以下では．Ｓｉｄｅ
膜の面内方向の格子定数は縮んでＳｉ基板と一致し、い
ｂゆるコメンシュレートな成長をする．それに対応して
、ＳｉＧａ膜の膜厚方向の格子定数はバルクよりも伸び
る．この膜厚方向の歪みは，ＳｉＧｅ膜が弾性的に非等
方体であるため，基板面方位によって異なっている．第
３図は，Ｓｉ基板上にコメンシュレートに成長したＳｉ
Ｇａ［の、膜厚方向の歪み（Ｅ工）と、Ｓ ｉ ｈ−ｘ
Ｇａｘ ＩＮの組成Ｘとの関係を表わした図である．こ
のように，Ｓｉ基板上のＳｉＧａｌｌｌの歪みε↓は基
板面方位に依存して、ε上（１００）＞ξＪＬ （１
１ ０）＞ε． （１１１）となる．さらに、基板面方
位によって膜にかかる応力の方向が異なるために膜の変
形の仕方が異なり．Ｓｉ （１００）， （１１０
）． （１１１）基板上のＳｉＧａ膜はそれぞれ立方
晶から正方品，斜方品，斜方面体品へと歪む．このよう
な、ＳｉＧａ股の歪みの基板面方位依存性を反映して、
ＳｉＧａ膜のＥｇも基板面方位によって異なる．以上述
べたような基板面方位によってコメンシュレートに成長
した膜のＥｇが異なるという関係は、他の基板と膜の格
子定数が異なる系、例えばＧｅ基板上のＳ ｉ ｚ−ｘ
Ｇ＠ｘ単結晶膜などの■族系元素の組合わせや、ＱａＰ
又はＧａＡｓ基板上のＧ８▲Ｘ”−ｘ単結晶膜、ＧａＡ
ｓ基板上のＩｎｉ−ｘＧａｘＡＳ単結晶膜なとの■一Ｖ
族化合物半導体の組み合わせや， ＺｎＳ基板上のＺｎ
Ｓａなどのｎ −ＶＩ族化合物半導体の組み合わせ，又
はＧ ａ Ａ ａ基板上のＺｎＳなどの■−ｖ族とＩｔ
−Ｖｌ族の組み合わせにおいても成立つ．このような
Ｅｇの面方位依存性を利用して，基板上に基板面方位と
は異なる面方位と部分的に露出させて結晶成長を行なえ
ば、同一材料でしかもＥｇの異なるような構造を形成で
きる．さらに，材料の歪みを変えるための棉造として，
基板表面を異なる格子定数を有する材料によって形成し
た後，それらのうちの少なくとも材料と異なる格子定数
を持つ材料を堆積させる構造が考える．その一例を，第
４図を用いて説明する．Ｓｉ一基板４０上に，Ｓｉとは
異なる格子定数を持つＳ ｉ ｚ−ｙＧｓｙ単結晶［４
１によってパターンを形成した後、Ｓ ｉ ｈ−ｘ Ｇ
ｅｘ単結晶ｆｉ４２．４３をコメンシュレートに単結
晶成長させる．このＳ ｉ ｔ−ｘ Ｇ ａｘ膜の歪み
は、下地の格子定数によって異なるために、Ｓｉに接合
している膜４２とＳ ｉ ｉ−ｙ Ｇ ａｙ膜に接合し
ている膜４３とでは歪みが異なっている．膜の歪みが異
なれば、Ｅｇも異なる．従って、以上述べた様に、基板
表面に格子定数の異なる部分を形成した後、結晶成長を
行えば、Ｅｇの異なる構造を同一組成の材料で形成でき
る．この様な構造は、成膜する単結晶材料の格子定数が
基板表面を形成する少なくとも１つの材料の格子定数と
異なっていれば，容易に形成可能であり，従って、先に
述べた化合物半導体の組み合わせによっても形成できる
． 〔実施例〕 以下に本発明の実施例を説明する． 〔実施例ｌ〕 本実施例では、第１図を用いて、同一組成の材料を用い
て歪みの相異によってＥｇの異なる柄造を作製した例に
ついて述べる． まず、比抵抗１０Ω゛・備のｐ型Ｓ ｉ （１ ０ ０
）基板１上に、フォトレジスト又はＳ ｉ Ｏｘ膜によ
って幅２００人のストライブを形成する．そして、ヒド
ラジン水溶液に浸漬し、異方エッチを行ない、Ｓｉ （
１００）基板上に両側を（１１１）面に囲まれたストラ
イプ状の（１ ０ ０）面を形成する．異方エッチング
を行なう溶液としては、ヒドラジン水溶液とイソプロビ
ルアルコール（ＩＰＡ）を混合したもの，又はＫＯＨ水
溶液、あるいはκ０１１水溶液とＩＰＡの混合液であっ
てもかまわない．レジスト又はＳｉｆｔを除去した後，
基板を化学洗浄し、分子線エビタキシー（ＭＢＥ）装置
内に導入する．基板表面を清浄化した後，基板湿度５５
０℃でＳｉ，Ｇｏ、及びｓｂの分子線を基板に照射し，
（Ｚｏｏ）面上及び（１ １ １）面上にキャリャ濃度
１０”３″′ａのｘ＝０．３ なるＳｉｘ−ｘＧ●翼単
結晶膜２．３を１００人堆積する．その上に、アンドー
ブのＳｉ単結晶膜４を２００人堆積する．このようにし
て形成した（１００）面上のＳ ｉ ｈ−ｘＧｅ＊膜３
と（１ １ １）面上のＳｉｎ−ｘＧｓｘ膜２では歪み
が異なり、そのためにＥｇが異なっている．即ち．（１
００）面上の膜３に対して、（ｌ ｌ ｌ）面上の膜２
及びＳｉｌ，４は電子に対する障ｐ１１Ｎｊとなり，電
子は（１００）面上のＳ ｉ １−ｘ Ｇ ａｘ膜３内
に二次元的に閉じ込められ，量子細線構造が形成される
． 同様の方法によって，ホールの量子細線楕造を形成する
ことが可能である． 本実施例によれば、堆積膜中の歪みの相異に基づいて、
横方向の超格子横造を有する半導体装置を容易に形成で
きる． 〔実施例２〕 本実施例では、実施例ｌと同様に、歪みの相異によって
同一組成の材料のＥｇを変化できる半導体装置について
，第４図を用いて説明する．まず、比抵抗１０Ω”ｅｌ
ｌのｎ型Ｓ ｉ （１ ０ ０）基板上に、分子線エビ
タキシー法、又は化学気相成長法等によってアンドープ
のｙ＝０．２ なるＳｉｎ−νＧ．ツ単結晶膜を、１
０００人堆積する．この膜厚はコメンシュレートに成長
する臨界膜厚以上であればいくらでもよい．このように
して、ほぼ歪みが緩和されたＳｉｄｅ膜を形成した後、
エッチングによってＳｉＧａ膜の膜厚を１００人と薄く
する．そして．ｆｆ！子繰りソグラフイ，ドライエッチ
ングによって、幅２００人のストライプ状のＳ ｉ ｉ
−ｙＧ＠ｙ ＷＡ４ １を形成する．このようにして作
製した半導体基板を化学洗浄した後、８８Ｅ装誼内に導
入し、表面を清浄化する．基板温度を５５０℃に設定し
た後、基板にＳｉ，Ｇｅ及びＧａの分子線を照射し、キ
ャリャ濃度１０”３−”膜厚２００人のｘ＝０．３ な
るＳ ｉ ｘ−ｘＧ＠ｘ単結晶膜４２．４３をコメンシ
ュレートに成長させる．さらに、アンドーブのＳｉ層４
４を２００人堆積する．このＳ ｉ ＆−１１１Ｇ●翼
膜の格子定数は、Ｓｉ基板４０及びＳ ｉ ｈ−ｘ Ｇ
＠ｘ膜４１とは異なっているが，Ｓｉ基板上の膜４２
に比べて＊ Ｓｉ ｘ−ｙＧｍｙ基板上の［４３の方が
格子不整合が小さいために歪みは小さく，従ってＥｇは
大きくなる．このために、４３Ｒ！Ｊは４２Ｍ内のホー
ルに対して障ＩＮ１ｋｌとなり，ホールが二次元景子井
戸に閉じ込められた量子細線構造が形成される． 本実施例によれば，堆積膜中の歪みの相異に基づいて同
一組成の材料によってＥｇの異なる構造を形成でき、従
って横方向の超格子構造を容易に形成できる． 〔実施例３〕 本実施例では，同一組成の材料において、結晶状態と非
晶質状態とでＥｇの異なることを利用した横方向の超格
子棉造を有する半導体装置の例を、第５Ｄ！１を用いて
説明する． 実施例１に述べたのと同様な方法によって、１０Ω・〔
のｐＮ：ＩＳｉ（１００）基板を異方エッチングして、
（１ １ １）面に囲まれた２００人幅のストライプ状
の（１００）面を形成する．基板を化学洗浄した後、プ
ラズマＣＶＤＭ置中に導入する６基板温度を１５０℃に
設定した後．，装置内にＳｉＨａガス，ＧｅＨａＷス及
びＨａで希釈したＰＨａガスを導入し、１３．５６ＭＨ
ｚ ，６０Ｗの高周波電力を印加し、Ｑ ． ５ Ｔｏ
ｒｒの圧力でガスを反応させ、基板５１上にｘ＝０．２
５ なるＳ ｉ ｘ−ｘ Ｇ ｌ！Ｘ非晶ｇｔＩＭを２
００人堆積させる．その後、装置内にＮｘもしくはＡｒ
等の不活性ガスを流し，基板温度５００℃でＳ ｉ ｘ
−ｘＧｅｘ膜を固相成長させる．そして、（１ ０ ０
）面上のＳｉｘ−ｘＧ●８膜が単結晶化した後、すぐに
基板湿度を下げて、同相成長を中止する．このような固
相成長を行なうと、（１ １ １）面上の成長速度は（
１ ０ ０）面上に比べて１桁程度遅いので，（１００
）面上ではＳ ｉ ｈ−＊ Ｇ ＠ｘ単結晶膜５２が形
成されるが、（１１１）面上ではほとんど非晶質のＳ
ｉ ｉ−ｘ Ｇ ｅｘ膜５４が残される．非品貿膜５４
は単結晶膜５２に比べてＥｇが広く，電子及びホールに
対する障壁層となる．このような構造を形成した後、さ
らに障壁層として，非晶ＩＲＳｉ膜５５を基板温度１５
０℃で２００人堆積する．このようにして，量子細線構
造を有する半導体装置を形成する． 本実施例によれば、同一組成の材料を用いて非晶質状態
と結晶状態でのＥｇの異なる構造を形成でき、従って横
方向の超格子構造を容易に形成できる． 〔実施例４〕 本実施例では、同一組成の材料において，結晶状態と微
結晶状態におけるＥｇの相異を利用した例を、第６図を
用いて説明する． まず，比抵抗１０Ω・国のｎ型Ｓｉ基板上に５０人の熱
酸化膜（Ｓｉｆｔ）を形成した後、電子線リソグラフイ
及びドライエッチングによって幅２００人のストライプ
状のＳｉＯｚ膜６２を形成する．このようにして形成し
た基板を、化学洗浄した後，プラズマＣＶＤ装置内に導
入し、基板温度を２５０℃に設定する．装置内に２５倍
のＨ２で希釈したＳｉＨａガス、２５倍のＨ２で希釈し
たＧａＨｉガス，及びＨ２で希釈したＢｚＨｅガスを流
し、６０Ｗ，１３．５６ＭＨｚ の高周波電力を引加
し，０ ． ５ Ｔｏｒｒの圧力でガスを反応させ、基
板上にｘ＝０．４ なるＳ ｉ ｘ−ｘＧｅｘ ＰＩ
Ａを１００人堆積する．この場合、ＳｉＯｚ上では微結
晶Ｓ ｉ １−Ｘ Ｇ ａｘ膜６４が、Ｓｉ基板上では
単結晶Ｓ ｉ ｉ−ｘＧｅｘ ＩＩＩ６ ３が形成され
る．微結晶Ｓ ｉ １−ｘ Ｇ ＠Ｋ膜は単結晶Ｓ ｉ
１−ｘＧ＊ｘ膜よりもＥｇが大きく，６４はホール及
び電子に対する障壁層となる．さらに、障壁層として，
基板温度１５０℃でＳｉＨ番ガスを流し、非晶質Ｓ ｉ
ｉｌｌ６５を２００人堆積する．このようにして作製
した半導体装置において，ホールは一次元性を示し，量
子細線構造が形成される． 本実施例によれば，同一組成の材料を用いて、微結晶状
態と結晶状態でのＥｇの異なる棉造を形成できる．即ち
横方向の超格子構造を容易に形成できる． 〔実施例５〕 本実施例では、実施例４と同様に，結晶状態と微結晶状
態とでＥ．の異なる材料を用いた半導体装置の例を、第
７図を用いて説明する．実施例１と同様の方法により、
比抵抗１０Ω・国のｎ型Ｓｉ （１００）基板を異方エ
ッチして、幅２００人のストライプ上の（１００）面の
周囲に（１ １ １）面を露出させる．このようにして
作製した基板を化学洗浄した後，プラズマＣＶＤ装置内
に導入し，実施例４と同様の方法によって、基板温度２
５０℃でｘ＝０．４ なるＳ ｉ ｚ−ｘ Ｇ ａｘ膜
を１００人堆積する．この場合、（１ １ １）面上で
は微結晶Ｓ ｉ ｈ−ｘ Ｇ ａｘ ’Ｉ！Ａ ７ ２
、（１００）面上では単結晶Ｓ ｉ ｘ−＊ Ｇ ｅｘ
膜７３が形成される．さらに，ＳｉＨａガスのみを流し
、基板温度２００℃で非晶質Ｓ ｉ ｌＩ ７ ４を形
成する．前記実施例で述べたように、微結品Ｓ ｉ ｉ
−ｘＧ●８膜７２はキャリャの障壁層となるので、量子
細線構造が形成される． 本実施例によれば、同一組成の材料を用いて，微結晶状
態と結晶状態でのＥｇの異なる棉造を有する半導体装置
、即ち横方向の超格子構造を有する半導体装置を容易に
形成できる． 〔発明の効果〕 本発明によれば，同一組成の材料においてバンドギャッ
プＥｇの互いに異なるヘテロ接合が作製可能となり，そ
れを利用して横方向の超格子横造を有する半導体装置を
容易に形成できる．
かも異なるバンドギャップ（Ｅ ｇ）を有する材料を、
同一基板上に一度の堆積で形成することにより達成され
る． さらに、同一組成の材料でバンドギャップを変えるため
に、材料のミクロな構造を部分的に変えたものである． また，同一組成の材料のＥｇを変えるために、部分的に
材料の歪みを変えたものである．（作用〕 上述の如く同一組成の材料でバンドギャップの異なる膜
を，一度の成膜で基板上に形成することにより、下記の
如くキャリャを面内方向に閉じ込めるための障Ｉｕ層を
容易に形成できる．即ち，バンドギャップの異なる材料
では、価電子帯の上端のエネルギー（Ｅｖ）もしくは伝
導帯の底のエネルギー（Ｅｃ）のうち少なくとも一方が
異なっているために，そのような材料を接合することに
よって，ホールもしくは電子のうち少なくとも一方に対
するｌＩｌｒＪ１が形成できる．このような性質を持つ
材料を，同一組成の材料で作製できれば，ペテロ接合面
を基板に対して垂直又はそれに近い方向に容易に形成す
ることが可能となり、そのヘテロ接合面を用いて，キャ
リャを面内方向に閉じ込めることができる． 同一組成の材料でバンドギャップを変えるための手段と
しては、材料のミクロな拵造を部分的に変えてやればよ
い．例えば、同一組成の材料でも，結晶状．態と微結晶
状態、及び非晶質状態では，Ｅｇは大きく異なる．例え
ばＳｉ材料の場合、結晶Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）のＥｇは約１
．１ａＶ ．微結晶Ｓｉ （μｃ−Ｓｉ） ”ｔ’は約
１．４ａＶ．非晶質Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）のＥｇは約１．８
ｅＶである．このようなミクロ構造の異なる同一組成の
材料を、一度の成膜で基板上に形成すれば，横方向の超
格子構造を容易に形成することができる．また，材料の
Ｅｇは歪みによっても変えることができる．材料の歪み
を変える方法の１つとして、基板上に格子定数の異なる
材料を単結晶成長させた場合の、成長膜の歪みを基板面
方位によって変える方法がある．その例として、基板を
Ｓｉ、成長膜をＳ ｌ １−Ｘ Ｇ ＩＩＸ膜とした場
合について述べる．Ｓｉ基板上に、Ｓｉよりも大きな格
子定数を持つＳｉｘ−ｘＧ●Ｘ膜を単結晶成長させた場
合、ＳＩＧａ膜の厚さがある臨界値以下では．Ｓｉｄｅ
膜の面内方向の格子定数は縮んでＳｉ基板と一致し、い
ｂゆるコメンシュレートな成長をする．それに対応して
、ＳｉＧａ膜の膜厚方向の格子定数はバルクよりも伸び
る．この膜厚方向の歪みは，ＳｉＧｅ膜が弾性的に非等
方体であるため，基板面方位によって異なっている．第
３図は，Ｓｉ基板上にコメンシュレートに成長したＳｉ
Ｇａ［の、膜厚方向の歪み（Ｅ工）と、Ｓ ｉ ｈ−ｘ
Ｇａｘ ＩＮの組成Ｘとの関係を表わした図である．こ
のように，Ｓｉ基板上のＳｉＧａｌｌｌの歪みε↓は基
板面方位に依存して、ε上（１００）＞ξＪＬ （１
１ ０）＞ε． （１１１）となる．さらに、基板面方
位によって膜にかかる応力の方向が異なるために膜の変
形の仕方が異なり．Ｓｉ （１００）， （１１０
）． （１１１）基板上のＳｉＧａ膜はそれぞれ立方
晶から正方品，斜方品，斜方面体品へと歪む．このよう
な、ＳｉＧａ股の歪みの基板面方位依存性を反映して、
ＳｉＧａ膜のＥｇも基板面方位によって異なる．以上述
べたような基板面方位によってコメンシュレートに成長
した膜のＥｇが異なるという関係は、他の基板と膜の格
子定数が異なる系、例えばＧｅ基板上のＳ ｉ ｚ−ｘ
Ｇ＠ｘ単結晶膜などの■族系元素の組合わせや、ＱａＰ
又はＧａＡｓ基板上のＧ８▲Ｘ”−ｘ単結晶膜、ＧａＡ
ｓ基板上のＩｎｉ−ｘＧａｘＡＳ単結晶膜なとの■一Ｖ
族化合物半導体の組み合わせや， ＺｎＳ基板上のＺｎ
Ｓａなどのｎ −ＶＩ族化合物半導体の組み合わせ，又
はＧ ａ Ａ ａ基板上のＺｎＳなどの■−ｖ族とＩｔ
−Ｖｌ族の組み合わせにおいても成立つ．このような
Ｅｇの面方位依存性を利用して，基板上に基板面方位と
は異なる面方位と部分的に露出させて結晶成長を行なえ
ば、同一材料でしかもＥｇの異なるような構造を形成で
きる．さらに，材料の歪みを変えるための棉造として，
基板表面を異なる格子定数を有する材料によって形成し
た後，それらのうちの少なくとも材料と異なる格子定数
を持つ材料を堆積させる構造が考える．その一例を，第
４図を用いて説明する．Ｓｉ一基板４０上に，Ｓｉとは
異なる格子定数を持つＳ ｉ ｚ−ｙＧｓｙ単結晶［４
１によってパターンを形成した後、Ｓ ｉ ｈ−ｘ Ｇ
ｅｘ単結晶ｆｉ４２．４３をコメンシュレートに単結
晶成長させる．このＳ ｉ ｔ−ｘ Ｇ ａｘ膜の歪み
は、下地の格子定数によって異なるために、Ｓｉに接合
している膜４２とＳ ｉ ｉ−ｙ Ｇ ａｙ膜に接合し
ている膜４３とでは歪みが異なっている．膜の歪みが異
なれば、Ｅｇも異なる．従って、以上述べた様に、基板
表面に格子定数の異なる部分を形成した後、結晶成長を
行えば、Ｅｇの異なる構造を同一組成の材料で形成でき
る．この様な構造は、成膜する単結晶材料の格子定数が
基板表面を形成する少なくとも１つの材料の格子定数と
異なっていれば，容易に形成可能であり，従って、先に
述べた化合物半導体の組み合わせによっても形成できる
． 〔実施例〕 以下に本発明の実施例を説明する． 〔実施例ｌ〕 本実施例では、第１図を用いて、同一組成の材料を用い
て歪みの相異によってＥｇの異なる柄造を作製した例に
ついて述べる． まず、比抵抗１０Ω゛・備のｐ型Ｓ ｉ （１ ０ ０
）基板１上に、フォトレジスト又はＳ ｉ Ｏｘ膜によ
って幅２００人のストライブを形成する．そして、ヒド
ラジン水溶液に浸漬し、異方エッチを行ない、Ｓｉ （
１００）基板上に両側を（１１１）面に囲まれたストラ
イプ状の（１ ０ ０）面を形成する．異方エッチング
を行なう溶液としては、ヒドラジン水溶液とイソプロビ
ルアルコール（ＩＰＡ）を混合したもの，又はＫＯＨ水
溶液、あるいはκ０１１水溶液とＩＰＡの混合液であっ
てもかまわない．レジスト又はＳｉｆｔを除去した後，
基板を化学洗浄し、分子線エビタキシー（ＭＢＥ）装置
内に導入する．基板表面を清浄化した後，基板湿度５５
０℃でＳｉ，Ｇｏ、及びｓｂの分子線を基板に照射し，
（Ｚｏｏ）面上及び（１ １ １）面上にキャリャ濃度
１０”３″′ａのｘ＝０．３ なるＳｉｘ−ｘＧ●翼単
結晶膜２．３を１００人堆積する．その上に、アンドー
ブのＳｉ単結晶膜４を２００人堆積する．このようにし
て形成した（１００）面上のＳ ｉ ｈ−ｘＧｅ＊膜３
と（１ １ １）面上のＳｉｎ−ｘＧｓｘ膜２では歪み
が異なり、そのためにＥｇが異なっている．即ち．（１
００）面上の膜３に対して、（ｌ ｌ ｌ）面上の膜２
及びＳｉｌ，４は電子に対する障ｐ１１Ｎｊとなり，電
子は（１００）面上のＳ ｉ １−ｘ Ｇ ａｘ膜３内
に二次元的に閉じ込められ，量子細線構造が形成される
． 同様の方法によって，ホールの量子細線楕造を形成する
ことが可能である． 本実施例によれば、堆積膜中の歪みの相異に基づいて、
横方向の超格子横造を有する半導体装置を容易に形成で
きる． 〔実施例２〕 本実施例では、実施例ｌと同様に、歪みの相異によって
同一組成の材料のＥｇを変化できる半導体装置について
，第４図を用いて説明する．まず、比抵抗１０Ω”ｅｌ
ｌのｎ型Ｓ ｉ （１ ０ ０）基板上に、分子線エビ
タキシー法、又は化学気相成長法等によってアンドープ
のｙ＝０．２ なるＳｉｎ−νＧ．ツ単結晶膜を、１
０００人堆積する．この膜厚はコメンシュレートに成長
する臨界膜厚以上であればいくらでもよい．このように
して、ほぼ歪みが緩和されたＳｉｄｅ膜を形成した後、
エッチングによってＳｉＧａ膜の膜厚を１００人と薄く
する．そして．ｆｆ！子繰りソグラフイ，ドライエッチ
ングによって、幅２００人のストライプ状のＳ ｉ ｉ
−ｙＧ＠ｙ ＷＡ４ １を形成する．このようにして作
製した半導体基板を化学洗浄した後、８８Ｅ装誼内に導
入し、表面を清浄化する．基板温度を５５０℃に設定し
た後、基板にＳｉ，Ｇｅ及びＧａの分子線を照射し、キ
ャリャ濃度１０”３−”膜厚２００人のｘ＝０．３ な
るＳ ｉ ｘ−ｘＧ＠ｘ単結晶膜４２．４３をコメンシ
ュレートに成長させる．さらに、アンドーブのＳｉ層４
４を２００人堆積する．このＳ ｉ ＆−１１１Ｇ●翼
膜の格子定数は、Ｓｉ基板４０及びＳ ｉ ｈ−ｘ Ｇ
＠ｘ膜４１とは異なっているが，Ｓｉ基板上の膜４２
に比べて＊ Ｓｉ ｘ−ｙＧｍｙ基板上の［４３の方が
格子不整合が小さいために歪みは小さく，従ってＥｇは
大きくなる．このために、４３Ｒ！Ｊは４２Ｍ内のホー
ルに対して障ＩＮ１ｋｌとなり，ホールが二次元景子井
戸に閉じ込められた量子細線構造が形成される． 本実施例によれば，堆積膜中の歪みの相異に基づいて同
一組成の材料によってＥｇの異なる構造を形成でき、従
って横方向の超格子構造を容易に形成できる． 〔実施例３〕 本実施例では，同一組成の材料において、結晶状態と非
晶質状態とでＥｇの異なることを利用した横方向の超格
子棉造を有する半導体装置の例を、第５Ｄ！１を用いて
説明する． 実施例１に述べたのと同様な方法によって、１０Ω・〔
のｐＮ：ＩＳｉ（１００）基板を異方エッチングして、
（１ １ １）面に囲まれた２００人幅のストライプ状
の（１００）面を形成する．基板を化学洗浄した後、プ
ラズマＣＶＤＭ置中に導入する６基板温度を１５０℃に
設定した後．，装置内にＳｉＨａガス，ＧｅＨａＷス及
びＨａで希釈したＰＨａガスを導入し、１３．５６ＭＨ
ｚ ，６０Ｗの高周波電力を印加し、Ｑ ． ５ Ｔｏ
ｒｒの圧力でガスを反応させ、基板５１上にｘ＝０．２
５ なるＳ ｉ ｘ−ｘ Ｇ ｌ！Ｘ非晶ｇｔＩＭを２
００人堆積させる．その後、装置内にＮｘもしくはＡｒ
等の不活性ガスを流し，基板温度５００℃でＳ ｉ ｘ
−ｘＧｅｘ膜を固相成長させる．そして、（１ ０ ０
）面上のＳｉｘ−ｘＧ●８膜が単結晶化した後、すぐに
基板湿度を下げて、同相成長を中止する．このような固
相成長を行なうと、（１ １ １）面上の成長速度は（
１ ０ ０）面上に比べて１桁程度遅いので，（１００
）面上ではＳ ｉ ｈ−＊ Ｇ ＠ｘ単結晶膜５２が形
成されるが、（１１１）面上ではほとんど非晶質のＳ
ｉ ｉ−ｘ Ｇ ｅｘ膜５４が残される．非品貿膜５４
は単結晶膜５２に比べてＥｇが広く，電子及びホールに
対する障壁層となる．このような構造を形成した後、さ
らに障壁層として，非晶ＩＲＳｉ膜５５を基板温度１５
０℃で２００人堆積する．このようにして，量子細線構
造を有する半導体装置を形成する． 本実施例によれば、同一組成の材料を用いて非晶質状態
と結晶状態でのＥｇの異なる構造を形成でき、従って横
方向の超格子構造を容易に形成できる． 〔実施例４〕 本実施例では、同一組成の材料において，結晶状態と微
結晶状態におけるＥｇの相異を利用した例を、第６図を
用いて説明する． まず，比抵抗１０Ω・国のｎ型Ｓｉ基板上に５０人の熱
酸化膜（Ｓｉｆｔ）を形成した後、電子線リソグラフイ
及びドライエッチングによって幅２００人のストライプ
状のＳｉＯｚ膜６２を形成する．このようにして形成し
た基板を、化学洗浄した後，プラズマＣＶＤ装置内に導
入し、基板温度を２５０℃に設定する．装置内に２５倍
のＨ２で希釈したＳｉＨａガス、２５倍のＨ２で希釈し
たＧａＨｉガス，及びＨ２で希釈したＢｚＨｅガスを流
し、６０Ｗ，１３．５６ＭＨｚ の高周波電力を引加
し，０ ． ５ Ｔｏｒｒの圧力でガスを反応させ、基
板上にｘ＝０．４ なるＳ ｉ ｘ−ｘＧｅｘ ＰＩ
Ａを１００人堆積する．この場合、ＳｉＯｚ上では微結
晶Ｓ ｉ １−Ｘ Ｇ ａｘ膜６４が、Ｓｉ基板上では
単結晶Ｓ ｉ ｉ−ｘＧｅｘ ＩＩＩ６ ３が形成され
る．微結晶Ｓ ｉ １−ｘ Ｇ ＠Ｋ膜は単結晶Ｓ ｉ
１−ｘＧ＊ｘ膜よりもＥｇが大きく，６４はホール及
び電子に対する障壁層となる．さらに、障壁層として，
基板温度１５０℃でＳｉＨ番ガスを流し、非晶質Ｓ ｉ
ｉｌｌ６５を２００人堆積する．このようにして作製
した半導体装置において，ホールは一次元性を示し，量
子細線構造が形成される． 本実施例によれば，同一組成の材料を用いて、微結晶状
態と結晶状態でのＥｇの異なる棉造を形成できる．即ち
横方向の超格子構造を容易に形成できる． 〔実施例５〕 本実施例では、実施例４と同様に，結晶状態と微結晶状
態とでＥ．の異なる材料を用いた半導体装置の例を、第
７図を用いて説明する．実施例１と同様の方法により、
比抵抗１０Ω・国のｎ型Ｓｉ （１００）基板を異方エ
ッチして、幅２００人のストライプ上の（１００）面の
周囲に（１ １ １）面を露出させる．このようにして
作製した基板を化学洗浄した後，プラズマＣＶＤ装置内
に導入し，実施例４と同様の方法によって、基板温度２
５０℃でｘ＝０．４ なるＳ ｉ ｚ−ｘ Ｇ ａｘ膜
を１００人堆積する．この場合、（１ １ １）面上で
は微結晶Ｓ ｉ ｈ−ｘ Ｇ ａｘ ’Ｉ！Ａ ７ ２
、（１００）面上では単結晶Ｓ ｉ ｘ−＊ Ｇ ｅｘ
膜７３が形成される．さらに，ＳｉＨａガスのみを流し
、基板温度２００℃で非晶質Ｓ ｉ ｌＩ ７ ４を形
成する．前記実施例で述べたように、微結品Ｓ ｉ ｉ
−ｘＧ●８膜７２はキャリャの障壁層となるので、量子
細線構造が形成される． 本実施例によれば、同一組成の材料を用いて，微結晶状
態と結晶状態でのＥｇの異なる棉造を有する半導体装置
、即ち横方向の超格子構造を有する半導体装置を容易に
形成できる． 〔発明の効果〕 本発明によれば，同一組成の材料においてバンドギャッ
プＥｇの互いに異なるヘテロ接合が作製可能となり，そ
れを利用して横方向の超格子横造を有する半導体装置を
容易に形成できる．
第１図及び第４図ないし第７図は本発明の実施例を表わ
す図，第２図は従来例を説明するための図、第３図はＳ
ｉ基板上にコメンシュ゜レートに成長したＳ ｉ ｘ−
ｘ Ｇ ａｘ単結晶膜の歪みの面方位依存性を表わした
図である． １・・・Ｓｉ （１００）基板，２，３・・・単結晶Ｓ
ｉｔ−ｘＧ＠ｘ，４・・・アンドープＳｉ．１１・・・
半絶縁性ＧａＡｓ基板、ｌ ２ −Ｇａｏ．ｔａＡ Ｑ
ｏ．ｉｓＡｓ ， ｌ ３ −Ｇ ａ Ａ ｓ ，１
４−ＧａｏａｅｓＡｎｏａａｉＡｓ 、４ ０＝Ｓ
ｉ（１００）基板、４ １ ・・・単結晶Ｓ ｉ ｎ−
ｙＧａｙ． ４ ２ ，４３・・・Ｓ ｉ ｓ−ｘ Ｇ
ａｘ単結晶、４４・・・Ｓｉ，５１・・・Ｓ ｉ （
１ ０ ０）基板、５ ２−・・単結晶Ｓ ｉ １−Ｘ
Ｇ ａｘ、５４・・・非晶’ｆＲ Ｓ ｉ ｔ−ｘＧ
＠ｘ 、５ ５・・・非晶質Ｓｉｌ−ｘＧａｘ ．６１
−Ｓｉ （Ｚｏｏ）基板，６２＝Ｓ ｉ Ｏｘ 、６
３−単結晶Ｓ ｉ ｎ−ｘＧｅｘ ． ６ ４ ・＝微
結晶Ｓ ｉ ｌ−ｘＧ＊ｘ ． ６ ５ ”・非晶’ｊ
ｊＳｉ，７１−Ｓｉ（工００）基板、７ ２−・・微結
晶Ｓ ｉ １−Ｘ Ｇ ａｘ、７ ３ ・・・単結晶Ｓ
ｉ ｉ−ｘＧａｘ ． ７ ４ ・＝非晶質Ｓ ｘ
ａ第 図 冨 回
す図，第２図は従来例を説明するための図、第３図はＳ
ｉ基板上にコメンシュ゜レートに成長したＳ ｉ ｘ−
ｘ Ｇ ａｘ単結晶膜の歪みの面方位依存性を表わした
図である． １・・・Ｓｉ （１００）基板，２，３・・・単結晶Ｓ
ｉｔ−ｘＧ＠ｘ，４・・・アンドープＳｉ．１１・・・
半絶縁性ＧａＡｓ基板、ｌ ２ −Ｇａｏ．ｔａＡ Ｑ
ｏ．ｉｓＡｓ ， ｌ ３ −Ｇ ａ Ａ ｓ ，１
４−ＧａｏａｅｓＡｎｏａａｉＡｓ 、４ ０＝Ｓ
ｉ（１００）基板、４ １ ・・・単結晶Ｓ ｉ ｎ−
ｙＧａｙ． ４ ２ ，４３・・・Ｓ ｉ ｓ−ｘ Ｇ
ａｘ単結晶、４４・・・Ｓｉ，５１・・・Ｓ ｉ （
１ ０ ０）基板、５ ２−・・単結晶Ｓ ｉ １−Ｘ
Ｇ ａｘ、５４・・・非晶’ｆＲ Ｓ ｉ ｔ−ｘＧ
＠ｘ 、５ ５・・・非晶質Ｓｉｌ−ｘＧａｘ ．６１
−Ｓｉ （Ｚｏｏ）基板，６２＝Ｓ ｉ Ｏｘ 、６
３−単結晶Ｓ ｉ ｎ−ｘＧｅｘ ． ６ ４ ・＝微
結晶Ｓ ｉ ｌ−ｘＧ＊ｘ ． ６ ５ ”・非晶’ｊ
ｊＳｉ，７１−Ｓｉ（工００）基板、７ ２−・・微結
晶Ｓ ｉ １−Ｘ Ｇ ａｘ、７ ３ ・・・単結晶Ｓ
ｉ ｉ−ｘＧａｘ ． ７ ４ ・＝非晶質Ｓ ｘ
ａ第 図 冨 回
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、同一基板上に堆積された第１の半導体の層と第２の
半導体の層とを有し、上記第１の半導体と第２の半導体
は同一組成から成り、かつバンドギャップが互いに異な
ることを特徴とする半導体装置。 ２、上記第１の半導体と第２の半導体は単結晶からなり
、かつ歪みの大きさもしくは歪む方向のうちの少なくと
も一方が異なることを特徴とする請求項１記載の半導体
装置。 ３、上記第１の半導体は非晶質半導体からなり、上記第
２の半導体は単結晶半導体からなることを特徴とする請
求項１記載の半導体装置。 ４、上記第１の半導体は微結晶半導体からなり、上記第
２の半導体は単結晶半導体からなることを特徴とする請
求項１記載の半導体装置。 ５、上記半導体基板を加工し２つ以上の異なる格子面を
露出させ、それらのうちの１つの面上に上記第１の半導
体の層を、他の異なる１つの面上に上記第２の半導体の
層を形成したことを特徴とする請求項２記載の半導体装
置。 ６、上記半導体基板を加工し２つ以上の異なる格子面を
露出させ、それらのうちの１つの面上に上記第１の半導
体の層を、他の１つの面上に上記第２の半導体の層を形
成したことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。 ７、上記半導体装板を加工し２つ以上の異なる格子面を
露出させ、それらのうちの１つの面上に上記第１の半導
体の層を、他の１つの面上に上記第２の半導体の層を形
成したことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。 ８、上記基板の表面は２つ以上の異なる格子定数を有す
る単結晶材料によつて形成され、それらのうちの１つの
材料上に上記第１の半導体の層を、他の１つの材料上に
上記第２の半導体の層を形成したことを特徴とする請求
項２記載の半導体装置。 ９、上記基板の表面は部分的に単結晶材料、他の部分は
非晶質材料から形成され、上記第１の半導体の層を非晶
質材料上に、上記第２の半導体の層を単結晶材料上に形
成したことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。 １０、上記基板はシリコンを主成分とすることを特徴と
する請求項１記載の半導体装置。 １１、上記第１の半導体及び第２の半導体は、シリコン
およびゲルマニウムを主成分とすることを特徴とする請
求項１記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5193489A JPH02231765A (ja) | 1989-03-06 | 1989-03-06 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5193489A JPH02231765A (ja) | 1989-03-06 | 1989-03-06 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02231765A true JPH02231765A (ja) | 1990-09-13 |
Family
ID=12900700
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5193489A Pending JPH02231765A (ja) | 1989-03-06 | 1989-03-06 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02231765A (ja) |
-
1989
- 1989-03-06 JP JP5193489A patent/JPH02231765A/ja active Pending
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