JPH06302562A - 化合物半導体基板の微細加工方法 - Google Patents

化合物半導体基板の微細加工方法

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JPH06302562A
JPH06302562A JP33345991A JP33345991A JPH06302562A JP H06302562 A JPH06302562 A JP H06302562A JP 33345991 A JP33345991 A JP 33345991A JP 33345991 A JP33345991 A JP 33345991A JP H06302562 A JPH06302562 A JP H06302562A
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JP
Japan
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semiconductor substrate
compound semiconductor
etching
deposited
gallium arsenide
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Withdrawn
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JP33345991A
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English (en)
Inventor
Yutaka Kadoya
豊 角屋
Shinji Mitsuya
三矢伸司
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Japan Science and Technology Agency
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Research Development Corp of Japan
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 量子細線や量子箱等の微細な構造を有する半
導体装置を容易に行うことができる化合物半導体基板の
微細加工方法を提供する。 【構成】 第1の工程(a)で、化合物半導体基板1上
に数原子層以下の異種材料3を部分的に堆積し、第2の
工程(b)で、該数原子層の異種材料3をマスクとし
て、エッチングにより該化合物半導体基板1に微細加工
を施す。材料Bのエッチング速度が十分に遅く、材料A
のエッチング速度が速い場合には、1原子層以上の材料
Bが表面に堆積している部位はエッチングが進まず、材
料Bが堆積していない部位のみエッチングが行われる。
この結果、材料Bの堆積していた部位の形状は、下地の
材料Aに転写され縦型の結晶が形成される。この後、必
要に応じて再度種々の材料を堆積することにより、10
0オングストローム程度の大きさの結晶構造を形成する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、数100オングストロ
ーム程度以下の微細構造を必要としガリウムひ素を主要
構成物質とする半導体装置の製造に使用される化合物半
導体基板の微細加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】分子線エピタキシー法や有機金属CVD
法等の薄膜成長技術を利用した新しい概念のデバイスと
して、例えば量子井戸レーザー、量子箱レーザー、量子
細線レーザー(トランジスタ)等の量子薄膜を用いた素
子が提案されている。
【0003】量子井戸レーザーは、活性層を電子のド・
ブロイ波長と同程度(約100オングストローム程度)
の厚さの量子薄膜とすることにより、厚さ方向の電子を
量子的に閉じ込め、電子が薄膜に沿った2次元方向にの
み自由粒子として振る舞うことができるようにしたもの
である。この量子井戸レーザーの特徴は、膜厚等の構造
制御により発振波長の制御が可能であり、優れた発振域
値電流特性が得られることである。
【0004】上記の如く薄膜の厚さ方向(z)に電子を
量子的に閉じ込めた量子井戸レーザーに対して、さらに
膜厚に沿った2次元方向(x,y)も電子を量子的に閉
じ込めたのが量子箱レーザーであり、これらの一方に電
子を量子的に閉じ込めたのが量子細線レーザーである。
【0005】ところで、上記の量子薄膜を用いたデバイ
スを実現するためには、量子細線や量子箱の寸法を細か
くする必要がある。その寸法としては、数100オング
ストローム以下、通常は500オングストローム以下の
結晶構造にすることが望ましいが、従来の電子ビーム等
を用いた微細加工では、このようなデバイスを再現性よ
く作製することは難しかった。
【0006】そこで、ペトロフらは、特別な結晶成長方
法を用いてごく自然に上記の如きデバイスを作製する方
法を提案した(Arthur C.Gossard Pierre M.P
etroff、米国特許第 4,591,889号、またはP.M.Pet
roff A.C.Gossard andW.Wiegmann, Appleid
Physics Letters Vol.45 p.620(1984))。
【0007】図4は2次元ステップ構造の例を示す図、
図5は周期的なステップ構造の作製方法を説明するため
の図、図6は結晶成長による量子井戸デバイスの作製方
法を説明するための図、図7は縦型に組成の異なる結晶
を形成した量子井戸デバイスの例を示す図である。図
中、21は基板、23と24は障壁、25は原子層を示
す。
【0008】図5において、基板21は、例えばガリウ
ムひ素の結晶を示し、これを結晶のある特定の方位から
特定の角度φで研磨すると、図示の如き周期的なステッ
プ構造が得られる。これは、○からなる原子層が構成さ
れているとすると、点線の○の原子が研磨により削り取
られるため、原子層の厚みに相当するステップ構造が形
成されることによる。つまり、1原子が部分的に研磨さ
れることはないから、部分的に研磨に引っかかる部分
(点線の○)は、削り取られることになり、原子単位で
段差ができることになる。したがって、研磨する角度に
よってステップ幅は変化し、角度φが大きくなるほど狭
く、逆に角度φが小さくなるほど広くなる。例えば角度
φとステップ幅Λでは、 のような関係が得られる。また、研磨の方向によって図
4に示す2次元のステップ構造を形成することもでき
る。
【0009】そこで、このように作製された基板21
に、図6に示すように材料A、材料Bを堆積してゆく
と、縦型に異なる組成の結晶を作ることができる。すな
わち、まず、材料Aを数原子分堆積すると、ステップの
隅では下と横の2面で結合するため、この隅の部分から
順に結晶ができる。このようにして図7に示すように電
子閉じ込め層としての障壁23、24間に薄膜の原子層
25を形成することができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き方法では、例えば材料Aの上にさらに同じ材料Aを
30〜40原子層にわたって堆積する必要があるが、な
かなか同じ材料の上に何層もの原子層を乗せることがで
きず、堆積の制御性を非常に高くしないと堆積が困難で
あるという問題がある。
【0011】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、量子細線や量子箱等の微細な構造を有する半導体
装置を容易に行うことができる化合物半導体基板の微細
加工方法を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】そのために本発明に係る
化合物半導体基板の微細加工方法は、上記ペトロフ等の
提案による形成方法において異種材料の数原子層以下の
部分的な積層後、反応性イオンエッチング等の方法を用
いて表面よりエッチングを行うものである。すなわち、
第1の工程で、化合物半導体基板1上に数原子層以下の
異種材料3を部分的に堆積し、第2の工程で、該数原子
層の異種材料3をマスクとして、エッチングにより該化
合物半導体基板1に微細加工を施す。
【0013】
【作用】反応性イオンエッチングにおいては、材料によ
るエッチング速度が大きく異なる現象が知られている。
上記材料Bのエッチング速度が十分に遅く、材料Aのエ
ッチング速度が速い場合には、1原子層以上の材料Bが
表面に堆積している部位はエッチングが進まず、材料B
が堆積していない部位のみエッチングが行われる。この
結果、材料Bの堆積していた部位の形状は、下地の材料
Aに転写され縦型の結晶が形成される。この後、必要に
応じて再度種々の材料を堆積することにより、100オ
ングストローム程度の大きさの結晶構造を形成すること
ができる。従って、100オングストローム程度の大き
さの量子細線や量子箱を制御性よく形成することができ
る。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1は本発明に係る化合物半導体基板の微細加工
方法の1実施例を説明するための図であり、(a)は第
1の工程、同(b)は第2の工程を示す。
【0015】本発明に係る化合物半導体基板の微細加工
方法では、まず、第1の工程で、図1(a)に示すよう
に結晶の特定の方位から特定の角度をもったデバイスと
しての動作層2を含む化合物半導体基板1上に数原子層
以下の異種材料3が部分的に堆積する。次に、第1の工
程で部分的に堆積した数原子層の異種材料3をマスクと
し、反応性イオンエッチングにより基板1に溝を形成す
る。
【0016】化合物半導体基板1は、例えばガリウムひ
素(GaAs)を主要構成物質とするものであり、異種
材料3は、例えばアルミニウムひ素(AlAs)または
インジウムひ素(InAs)またはアルミニウムガリウ
ムひ素(AlGaAs)またはインジウムガリウムひ素
(InGaAs)である。そして、異種材料3がアルミ
ニウムひ素またはアルミニウムガリウムひ素の場合には
塩素およびふっ素を含むガスでエッチングし、異種材料
3がインジウムひ素またはインジウムガリウムひ素の場
合には塩素を含むガスでエッチングする。
【0017】図2はアルミニウムガリウムひ素及びイン
ジウムひ素がガリウムひ素に対して非常に遅いエッチン
グ速度をもつことを説明するための図、図3は少なくと
も1原子層分のアルミニウムひ素が反応性イオンエッチ
ングに対してマスクとして有効に働くことを説明するた
めの図である。
【0018】反応性イオンエッチングにおいては、材料
によるエッチング速度が大きく異なる現象が知られてい
るが、図2(a)は反応性イオンエッチングのエッチン
グ速度が材料により大きく異なる例としてCCl2 2
ガスを用いたときのガリウムひ素、アルミニウムガリウ
ムひ素のエッチング速度を示し、同(b)はCl2ガス
を用いた場合の反応性ガスエッチングにおいてガリウム
ひ素とインジウムひ素のエッチング速度が大きくなるこ
とを示している。したがって、材料Bのエッチング速度
が十分に遅く、材料Aのエッチング速度が速い場合に
は、1原子層以上の材料Bが表面に堆積している部位は
エッチングが進まず、材料Bが堆積していない部位のみ
エッチングが行われる。この結果、材料Bの堆積してい
た部位の形状は、下地の材料Aに転写され縦型の結晶が
形成される。この後、必要に応じて再度種々の材料を堆
積することにより、100オングストローム程度の大き
さの結晶構造を形成することができる。従って、100
オングストローム程度の大きさの量子細線や量子箱を制
御性よく形成することができる。
【0019】また、図3において、(a)はサンプルの
積層構造であり、同(b)はエッチング深さのエッチン
グ時間依存性を示している。(b)において時間に対し
エッチング深さが変化していない部分は、積層構造中に
挿入された1原子層分または2原子層分のアルミニウム
ひ素層の位置と対応しており、少なくとも1原子層分の
アルミニウムひ素がエッチングマスクとして有効に働く
ことが明らかである。ここでは、アルミニウムひ素の場
合のみを示したが、図2(b)から分かるように、例え
ば基板温度130℃では、ガリウムひ素に対し400以
上の選択比があるので、アルミニウムひ素と同様に、少
なくとも1原子層分のインジウムひ素がエッチングマス
クとして有効に働くことは容易に予想できる。
【0020】従って、図1(a)に示すように1原子層
以下のアルミニウムひ素またはインジウムひ素を堆積し
た場合、面内でそれらの異種材料が堆積した部分のみが
マスクとなり、エッチングによって図1(b)の微細加
工が実現されることは明らかである。
【0021】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記
の実施例では、第1の工程で1原子層以下の異種材料を
堆積したが、ペトロフ等の示したように、これを複数回
繰り返し2原子層以上の異種材料を部分的に堆積した後
エッチングを行うようにしてもよい。
【0022】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、化合物半導体基板上に数原子層以下の異種材料を部
分的に堆積し、それをマスクとしてエッチングを行うこ
とにより、極めて容易に化合物半導体基板の数100オ
ングストローム以下の微細加工が可能となる。したがっ
て、本発明は、量子細線や量子箱等の微細な構造を有す
る半導体装置の作製に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る化合物半導体基板の微細加工方
法の1実施例を説明するための図である。
【図2】 アルミニウムガリウムひ素及びインジウムひ
素がガリウムひ素に対して非常に遅いエッチング速度を
もつことを説明するための図である。
【図3】 少なくとも1原子層分のアルミニウムひ素が
反応性イオンエッチングに対してマスクとして有効に働
くことを説明するための図である。
【図4】 2次元ステップ構造の例を示す図である。
【図5】 周期的なステップ構造の作製方法を説明する
ための図である。
【図6】 結晶成長による量子井戸デバイスの作製方法
を説明するための図である。
【図7】 縦型に組成の異なる結晶を形成した量子井戸
デバイスの例を示す図である。
【符号の説明】
1…基板、2…動作層、3…異種材料
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年1月7日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る化合物半導体基板の微細加工方
法の1実施例を説明するための図である。
【図2a】 アルミニウムガリウムひ素及びインジウム
ひ素がガリウムひ素
【図2b】 アルミニウムガリウムひ素及びインジウム
ひ素がガリウムひ素に対して非常に遅いエッチング速度
をもつことを説明するための図である。
【図3a】 少なくとも1原子層分のアルミニウムひ素
が反応性イオンエッチングに対してマスクとして有効に
働くことを説明するための図である。
【図3b】 少なくとも1原子層分のアルミニウムひ素
が反応性イオンエッチングに対してマスクとして有効に
働くことを説明するための図である。
【図4】 2次元ステップ構造の例を示す図である。
【図5】 周期的なステップ構造の作製方法を説明する
ための図である。
【図6】 結晶成長による量子井戸デバイスの作製方法
を説明するための図である。
【図7】 縦型に組成の異なる結晶を形成した量子井戸
デバイスの例を示す図である。
【符号の説明】 1…基板、2…動作層、3…異種材料
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【図2a】
【図3a】
【図5】
【図6】
【図2b】
【図3b】
【図4】
【図7】 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年9月3日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る化合物半導体基板の微細加工方
法の1実施例を説明するための図である。
【図2a】 アルミニウムガリウムひ素及びインジウム
ひ素がガリウムひ素に対して非常に遅いエッチング速度
をもつことを説明するための図である。
【図2b】 アルミニウムガリウムひ素及びインジウム
ひ素がガリウムひ素に対して非常に遅いエッチング速度
をもつことを説明するための図である。
【図3a】 少なくとも1原子層分のアルミニウムひ素
が反応性イオンエッチングに対してマスクとして有効に
働くことを説明するための図である。
【図3b】 少なくとも1原子層分のアルミニウムひ素
が反応性イオンエッチングに対してマスクとして有効に
働くことを説明するための図である。
【図4】 2次元ステップ構造の例を示す図である。
【図5】 周期的なステップ構造の作製方法を説明する
ための図である。
【図6】 結晶成長による量子井戸デバイスの作製方法
を説明するための図である。
【図7】 縦型に組成の異なる結晶を形成した量子井戸
デバイスの例を示す図である。
【符号の説明】 1…基板、2…動作層、3…異種材料
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図3a】
【図3b】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 角屋 豊 東京都杉並区久我山4−50−27 コンフォ ート久我山202号 (72)発明者 三矢伸司 東京都杉並区荻窪3−31−14 旭化成荻窪 寮306号

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化合物半導体基板上に数原子層以下の異
    種材料を部分的に堆積する第1の工程と、該数原子層の
    異種材料をマスクとして、エッチングにより該化合物半
    導体基板に微細加工を施す第2の工程を備えることを特
    徴とする化合物半導体基板の微細加工方法。
  2. 【請求項2】 被加工化合物半導体基板が、ガリウムひ
    素を主要構成物質とすることを特徴とする請求項1記載
    の化合物半導体基板の微細加工方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の第1の工程における数原
    子層以下の異種材料がアルミニウムひ素またはインジウ
    ムひ素またはアルミニウムガリウムひ素またはインジウ
    ムガリウムひ素であることを特徴とする化合物半導体基
    板の微細加工方法。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の第2の工程において、数
    原子層以下の異種材料がアルミニウムひ素またはアルミ
    ニウムガリウムひ素の場合には塩素およびふっ素を含む
    ガスでエッチングし、インジウムひ素またはインジウム
    ガリウムひ素の場合には塩素を含むガスでエッチングす
    ることを特徴とする化合物半導体基板の微細加工方法。
JP33345991A 1991-12-17 1991-12-17 化合物半導体基板の微細加工方法 Withdrawn JPH06302562A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009091235A (ja) * 2001-06-08 2009-04-30 Cree Inc 高表面品質GaNウェーハおよびその製造方法

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Effective date: 19990311