JPH07142701A - 半導体量子箱の作製方法 - Google Patents

半導体量子箱の作製方法

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JPH07142701A
JPH07142701A JP29163993A JP29163993A JPH07142701A JP H07142701 A JPH07142701 A JP H07142701A JP 29163993 A JP29163993 A JP 29163993A JP 29163993 A JP29163993 A JP 29163993A JP H07142701 A JPH07142701 A JP H07142701A
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JP
Japan
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semiconductor
etching
thin film
quantum box
manufacturing
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JP29163993A
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English (en)
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Nagayasu Yamagishi
長保 山岸
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高価で複雑な装置を必要としないで、しかも
加工精度が高く大量生産の可能な半導体量子箱の作製方
法を提供する。 【構成】 半導体基板11面に多孔質薄膜12aを形成
する第1の工程と、この多孔質薄膜の孔13を有する多
孔質薄膜をエッチングマスクとして半導体基板11をエ
ッチングしてエッチング孔15を形成する第2の工程
と、このエッチング孔に半導体コア層16を選択成長す
る第3の工程と、多孔質薄膜を除去する第4の工程と、
半導体コア層を埋め込む埋め込み層17を成長する第5
の工程とを有する半導体量子箱の作製方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体量子箱の作製方法
に関し、特に電子デバイス、光デバイス等の半導体デバ
イスの高性能化に適用される半導体微細構造の内の半導
体量子箱の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】上述の半導体微細構造としては、特に超
格子構造を応用した例えば量子井戸レーザ等に対してそ
の有効性が注目されているが、三次元バルク結晶(通常
の単結晶)の状態から一次元ずつ閉じ込め、量子薄膜構
造(二次元電子ガス状態)、量子細線構造(一次元電子
ガス状態)、量子箱構造(ゼロ次元電子ガス状態)の三
つの構造が考えられている。そして、量子閉じ込めの次
元数を増すにつれて状態密度の集中化が進み、例えばレ
ーザに応用した場合、利得スペクトルが狭くなるため、
より以上の低しきい値電流化が達成できる等の高性能化
が期待できるので、その研究開発が鋭意行われている。
【0003】従来、この種の半導体微細構造の形成方法
として、下記の文献に開示されたものがある。 (1)J.Vac.Sci.Technol.B6(4),Jul/Aug,1988,America
n Vacuum Society (USA):T.Fukui & H.Saito;(AlAs)(Ga
As) fractional-layer super lattices grownon (001)
vicinal GaAs substrates by metal-organic chemical
vapor deposition, P.1373 :文献1 (2)特開平4−78128号公報:文献2
【0004】図2は上述の文献1に開示された従来の分
数原子層超格子の模式斜視図である。図2において、
(AlAs)1/2 (GaAs)1/2 で示される分数原子
層超格子21の単位がαなる角度で微傾斜したGaAs
基板22の(001)面に周期dsをもって成長した有
様の理想的な形態を示している。この場合、dsは角度
αによって表される傾斜を形成する分数原子層超格子2
1のステップの平均長である。従来は、この成長を分子
線エピタキシーで実施していたが、横方向の成長が期待
通りに達成できなかったので、良好な量子細線(Quantu
m Wire)が得られなかった。しかし、本文献の著者ら
は、有機金属化学蒸着(MOCVD)により、上記の横
方向成長の問題を解決することにより、量子細線の形成
を有効的に達成したものである。そして、量子細線や量
子箱(Quantum Box )を作製するために、上記のような
微傾斜基板のステップを利用した方法、選択成長を利用
した方法をいくつか提案している。また、上述の文献2
には、詳細説明は同文献に譲るが、基板上に形成した多
孔質薄膜を利用して、この孔の内部に半導体コア層を埋
め込むことにより、量子箱を作製する方法が開示されて
いる。
【0005】上記のような量子細線や量子箱等の構造
は、よく知られている超格子を進展させたもので半導体
微細構造と呼ばれているが、構造の寸法が半導体の電子
波長(通常数100オングストローム)以下になると、
一次元あるいはゼロ次元に閉じ込められた電子による量
子効果が現れるようになる。この効果を利用することに
より、量子細線、量子箱等の量子化された電子の新しい
現象を応用し、従来にない特性をもつ電子デバイスや光
デバイス(例えば、低しきい値レーザ、電子波干渉デバ
イス)の開発の試みが行われている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の半
導体量子箱の作製方法では、そのいずれの方法であって
も、精確な結晶成長技術、例えば原子層オーダーの膜厚
制御が必要であり、高価で複雑な製造装置が必要であっ
た。従って、加工精度が高く、かつ大量生産が可能な半
導体量子箱の作製方法は得られていなかった。
【0007】また、上記の文献2の公報に開示された方
法は比較的最新の優れた半導体量子箱の製造方法を教示
するものとなっている。しかし、この方法であっても、
図3に示したように、GaAs基板22上に形成された
多孔質薄膜を構成するp型Si薄膜23の孔24の特に
深さ方向の形状は複雑であって、必ずしも垂直に綺麗な
孔とはなっていないので、その内部に半導体コア層を完
璧に埋め込むことは不可能な場合が多い。特に多孔質膜
と埋め込もうとする半導体との結晶形の関係や、格子定
数、熱膨張率の違いによっては、良好な結晶性を有する
半導体コア層を形成することは困難であって、そのた
め、技術的に満足される半導体量子箱の作製方法が確立
されていないという問題があつた。
【0008】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、高価で複雑な装置を必要としない
で、しかも加工精度が高く大量生産の可能な半導体量子
箱の作製方法を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体量子
箱の作製方法は、半導体基板面に多孔質薄膜を形成する
第1の工程と、この多孔質薄膜をエッチングマスクとし
て半導体基板をエッチングしてエッチング孔を形成する
第2の工程と、このエッチング孔に半導体コア層を選択
成長する第3の工程と、多孔質薄膜を除去する第4の工
程と、半導体コア層を埋め込む埋め込み層を成長する第
5の工程とを有するものである。ここで、多孔質薄膜
は、半導体基板面に半導体薄膜を形成した後に陽極酸化
を行い多孔質化することにより形成されるのがよく、か
つこの半導体薄膜はシリコン膜であることが好都合であ
る。さらに、エッチング孔は陽極酸化法によるエッチン
グによって形成されることが好ましい。そして、陽極酸
化法のエッチングによるエッチング孔の形成において、
シリコン膜も同時に一部酸化されるようにすることが望
ましい。
【0010】
【作用】この発明においては、半導体基板(第一の半導
体層)上に多孔質薄膜を形成し、これをマスクとして下
地基板をエッチングして微細孔を形成し、この孔に第二
の半導体層をコア層として埋め込み、多孔質薄膜を除去
した後、更に第三の半導体層を埋め込み層として成長さ
せるから、上記のコア層は第一の半導体層と第三の半導
体層とによって独立して囲まれるようになる。従って、
第二の半導体層のコア層は、ゼロ次元(点状態)に閉じ
込められた電子ガス状態である所の超格子状態が形成さ
れるから、半導体微細構造の内の重要な1つとして注目
されている半導体量子箱が構成される。
【0011】
【実施例】図1は本発明による半導体量子箱の作製工程
を示す模式工程図である。図のa〜e工程図の順に形成
手順を説明する。まず、p−GaAs基板11上に例え
ばシリコン(以下Siとする)を堆積してSi薄膜12
を形成する(a工程図参照)。次いで、例えば陽極酸化
法によりSi薄膜12を多孔質化してSi多孔質膜12
aに無数の孔13を形成する(b,b−2工程図参照、
但しb−2図はb工程断面図の上面図)。その後、Si
多孔質膜12aをマスクとして、p−GaAs基板11
のエッチングを行い、p−GaAs基板11上にエッチ
ング孔15を形成する(c工程図参照)。次に、Si多
孔質膜12aの表面を酸化して、SiO酸化膜14を
形成する(c工程図参照)。SiO酸化膜14は、次
工程のコア層成長時のマスクとして使用するものであ
り、自然酸化膜であってもよい。
【0012】この後、上記のエッチング孔15にこの場
合は第二の半導体層としてp−AlGa1−xAs
(x=0.3)を埋め込むように選択成長させて、コア
層のp−AlGaAs16を形成する(d工程図参
照)。さらに、マスクとして使用したSiO酸化膜1
4及びSi多孔質膜12aを除去して表面洗浄を行った
後、第三の半導体としてアンドープGaAsを成長し
て、コア層のp−AlGaAs16を埋め込むように、
アンドープGaAs埋め込み層17を形成する(e工程
図参照)。以上の工程によって、半導体量子箱を構成す
る半導体微細構造の形成が完成する。
【0013】上記の工程中、b工程において行うp−G
aAs基板11のエッチングは、陽極酸化によって実施
してもよい。GaAsの陽極酸化膜は塩酸HCl等によ
って容易に除去でき、膜厚の制御性も非常によく、数n
m程度の制御は十分に可能だからである。さらに、電解
液を選ぶことにより、同時にSi多孔質膜12aの表面
も一部が酸化されて生じたSiO酸化膜14が、後工
程の選択成長の際のマスクとして使用可能であるという
利点も持っている。また、Si多孔質膜12aを単にマ
スクとして扱っているため、コア層の形状は多孔質膜の
孔の形状によらず一定となるため、さらに量子効果が大
きくなる。その上、多孔質膜として他の種々の材料を用
いることができる利点も生ずる。
【0014】また、工程上、ホトリソグラフィー工程及
び薄膜エッチング工程のような通常のエッチング用マス
ク作製工程がなくなるにも拘らず、微細な孔がそのまま
基板に転写されるから、容易に微細加工精度の向上が達
成される。また、第二の半導体層となる埋め込みコア層
を基板内に埋め込むようにしたため、ヘテロエピタキシ
ャル成長における両者の物性定数の差を小さくすること
ができると共に、以後の製造工程でその界面が雰囲気中
に暴露されることがない。このため、良好な界面特性を
示すことが期待できる。さらに、高度な膜厚制御や複雑
な結晶成長手段を必要としないため、高価で精巧な結晶
成長装置等の設備がなくても、加工精度が高く、かつ大
量生産が可能な量子箱の作製方法が実現できる。
【0015】なお、上記の実施例では、半導体微細構造
の一例として特にp−AlGaAsの量子箱作製方法に
ついて説明したがこれに限定されず、また、この方法は
量子細線等の微細加工を必要とする量子デバイスの作製
にも使用できるものであることは言うまでもない。
【0016】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、半導体基
板面に多孔質薄膜を形成し、この多孔質薄膜をエッチン
グマスクとして半導体基板をエッチングしてエッチング
孔を形成し、このエッチング孔に半導体コア層を選択成
長させ、多孔質薄膜を除去した後、半導体コア層を埋め
込む埋め込み層を成長する工程からなる半導体量子箱の
作製方法であるから、工程構成として通常のエッチング
用マスク作製工程(ホトリソグラフィー工程及び薄膜エ
ッチング工程)の必要がなくなり、また、微細な孔がそ
のまま基板に転写されることから、微細加工精度の向上
も達成される。また、第二の半導体層となる埋め込みコ
ア層を基板内に埋め込むようにしたため、ヘテロエピタ
キシャル成長における両者の物性定数の差を小さくする
ことができると共に、以後の製造工程でその界面が雰囲
気中に暴露されることがないので、良好な界面特性を示
すことが期待できる効果がある。さらに、多孔質膜は単
にマスクとして扱っているため、コア層の形状は多孔質
膜の孔の形状によらず一定となるため、さらに量子効果
が大きくなると共に、多孔質膜の材料を種々選択して採
用できる利点が得られる。さらに、高度な膜厚制御や複
雑な結晶成長手段を必要としないため、高価で精巧な分
子線エピタキシー装置のような結晶成長装置等の設備が
なくても、加工精度が高く、かつ大量生産が可能な量子
箱等の半導体微細構造の作製方法が実現できる効果が得
られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体量子箱の作製工程を示す模
式工程図である。
【図2】従来の分数原子層超格子を示す模式斜視図であ
る。
【図3】従来の半導体量子箱の作製工程での問題点を説
明する部分工程図である。
【符号の説明】
11 p−GaAs基板 12 Si薄膜 12a Si多孔質膜 13 孔 14 SiO酸化膜 15 エッチング孔 16 p−AlGaAs(コア層) 17 アンドープGaAs埋め込み層 21 分数原子層超格子 22 GaAs基板 23 p型Si薄膜 24 孔

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板面に多孔質薄膜を形成する第
    1の工程と、 この多孔質薄膜をエッチングマスクとして前記半導体基
    板をエッチングしてエッチング孔を形成する第2の工程
    と、 このエッチング孔に半導体コア層を選択成長する第3の
    工程と、 前記多孔質薄膜を除去する第4の工程と、 前記半導体コア層を埋め込む埋め込み層を成長する第5
    の工程とを有することを特徴とする半導体量子箱の作製
    方法。
  2. 【請求項2】 前記多孔質薄膜は、前記半導体基板面に
    半導体薄膜を形成した後に陽極酸化を行い多孔質化する
    ことにより形成されることを特徴とする請求項1記載の
    半導体量子箱の作製方法。
  3. 【請求項3】 前記半導体薄膜はシリコン膜であること
    を特徴とする請求項2記載の半導体量子箱の作製方法。
  4. 【請求項4】 前記エッチング孔は陽極酸化法によるエ
    ッチングによって形成されることを特徴とする請求項1
    記載の半導体量子箱の作製方法。
  5. 【請求項5】 前記陽極酸化法のエッチングによる前記
    エッチング孔の形成において、前記シリコン膜も同時に
    一部酸化されることを特徴とする請求項3及び請求項4
    記載の半導体量子箱の作製方法。
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