JPH08306906A

JPH08306906A - 量子半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08306906A
Application number: JP34187195A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Sakuma; 芳樹佐久間
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1996-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】量子箱を含む量子半導体装置を、基板のドラ
イエッチングを含む工程により製造することを目的とす
る。【解決手段】閃亜鉛鉱型基板の｛１１１｝Ａ面に、異
方性ドライエッチングにより、｛１１０｝面よりなる側
壁面で画成された三角錐状のエッチピットを形成し、か
かるエッチピット上に一対のバリア層で挟まれた量子井
戸層を堆積する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に半導体装置の
製造に関し、特にＩｎＰやＧａＡｓ等の閃亜鉛鉱型構造
を有する基板上に形成された逆三角錐状のエッチピット
上に形成した量子半導体装置およびその製造方法に関す
る。

【０００２】今日使われている電子装置の多くはシリコ
ン基板上に形成されている。その典型的な例がＤＲＡＭ
である。ＤＲＡＭの分野では、集積密度を向上させるた
めに多大の努力がなされており、今日既に２５６Ｍビッ
トの集積密度が達成されている。また、西暦２０００に
は１Ｇビットの集積密度が達成されると予測されてい
る。

【０００３】しかし、１Ｇビットの集積密度が達成され
た後の素子開発の展望は、現在のところ明確でない。こ
のような極端に微細化された素子では、電子の波動性の
ためＭＯＳＦＥＴ等の従来の素子の動作原理が当てはま
らなくなるのではないかという懸念が存在する。

【０００４】一方、量子効果に基づいて動作する全く新
しい原理の電子装置が提案されている。かかる量子半導
体装置は、量子箱（キャリアを３次元的に閉じ込めた量
子井戸），量子細線（キャリアを２次元的に閉じ込めた
量子井戸），あるいはキャリアの１次元的な閉じ込めを
行う通常の量子井戸を使う。かかる量子半導体装置は、
特にIII-V 族化合物半導体装置において活発に研究され
ている。

【０００５】

【従来の技術】しかし、従来の量子半導体装置の研究
は、素子の可能性あるいはその理論的側面に関するもの
が主であり、量子箱等の量子構造を均一に配列した実際
の量子半導体装置の製作は余りなされていない。

【０００６】今日、確実に製作できる量子半導体装置は
超格子構造を有するものである。超格子構造において
は、各々数十オングストロームの厚さの薄い半導体層が
多数積層されて一次元量子井戸構造を形成する。そこ
で、これらの超格子構造に対して電子ビーム露光法を使
ったリソグラフィを実行することにより、２次元的な閉
じ込めを実現する量子井戸構造を形成することが提案さ
れている。さらに、このような超格子構造を基に、３次
元閉じ込めを行う量子箱を形成することも考えられる。
例えば、P. M. Petroff et al., Applied Physics Lett
ers, vol.41,1982,pp.635 - 638, あるいは H. Temkin
et al., Applied Physics Letters, vol.50, 1987, pp.
413 - 415 を参照。

【０００７】しかし、このような、フォトリソグラフィ
あるいは電子線リソグラフィを直接に適用する従来の量
子細線あるいは量子箱の製造方法では、量子構造を形成
しようとする部分が損傷したり汚染されたりする問題が
生じやすく、その結果、得られた装置の電子的あるいは
光学的特性は不可避的に劣化してしまう。

【０００８】製造時における量子構造の損傷の問題を回
避するために、量子構造を結晶層の堆積により形成しよ
うとする提案もなされている。例えば、単結晶半導体基
板上にＳｉＯ₂等の絶縁膜を形成し、これをリソグラフ
ィによりパターニングして絶縁パターンを形成した後、
その上にＭＯＶＰＥ法等により選択的に半導体層を成長
させる。例えば、H. Asai, et al., Applied Physcs Le
tters, vol.51, 1987,pp.1518 - 1520 あるいは T. Fuk
ui, et al., Applied Physics Letters, vol.58, 1991,
pp.2018 - 2020 を参照。

【０００９】さらに、単結晶半導体基板をリソグラフィ
により処理し、引き続いて半導体層をその上にＭＢＥ法
あるいはＭＯＶＰＥ法により堆積し、所望の量子細線あ
るいは量子箱を得ることが提案されている。この方法で
は、ＧａＡｓやＩｎＰ等のIII-V 族化合物半導体基板の
（１００）面上に、Ｖ字型の溝が、ＳｉＯ₂マスクを使
って形成され、その上に半導体層がエピタキシャル成長
される。例えばKapon,E., et al., Applied Physics Le
tters, vol.50, 1987, pp.347 - 349 を参照。

【００１０】しかし、これらの従来の提案で、量子箱あ
るいは量子細線に関して実施されているものは少ない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このような事情から、
本出願人は、１９９４年４月２８日に出願した特願平６
−９２５７６において、量子箱等の量子構造を基板上に
形成する簡単な方法を提案した。

【００１２】この本出願人の提案によれば、例えば円形
形状の開口を有するマスクがＧａＡｓやＩｎＰ等の閃亜
鉛鉱型構造を有する基板の｛１１１｝Ｂ面上に形成さ
れ、さらに異方性ウェットエッチングを施すことによ
り、逆三角錐状のエッチピットを形成する。さらにかか
るエッチピット上にバリア層として作用するバンドギャ
ップの大きい半導体層と量子井戸層として作用するバン
ドギャップの小さい半導体層とを交互に堆積することに
より、エッチピット中に量子構造を形成する。このよう
な構造では、３次元的閉じ込めを生じる量子箱がエッチ
ピットの底に形成される。すなわち、このような方法に
より、電子デバイスの能動部として作用する量子構造
を、容易に製造することが可能になる。

【００１３】一方、前記従来の方法は、｛１１１｝Ａ面
を有する半導体基板に適用した場合、適当な溝が得られ
ない問題点を有していた。また、前記従来の方法では、
量子井戸構造を形成する過程で形成されたエッチピット
が、エッチングの後に必然的に空気に接触してしまい、
その結果空気中に含まれる不純物による汚染を回避でき
ない問題点を有する。さらに、かかるウェットエッチン
グ工程は、気相成長装置中で実行される一連の工程の連
鎖を中断させ、その結果素子製造時のスループットが低
下してしまう。エッチング工程には洗浄工程および乾燥
工程が伴うが、これらの工程は堆積装置の外で実行する
必要がある。

【００１４】そこで、本発明は上記の問題点を解決した
新規で有用な量子半導体装置およびその製造方法を提供
することを概括的目的とする。本発明のより具体的な目
的は、量子箱を含む量子半導体装置を、外気に曝すこと
なく製造する製造方法、およびかかる製造方法で製造さ
れた量子半導体装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題
を、請求項１に記載したように、実質的に｛１１１｝Ａ
面に一致する主面により画成された、閃亜鉛鉱型構造を
有する半導体基板と；前記主面上に形成され、頂点にお
いて交わる複数の側壁面により画成され、また互いに交
差する任意の二つの側壁面の交線が前記頂点において交
わる構成の三角錐状のエッチピットと；前記エッチピッ
ト上に形成された能動部とよりなり、前記能動部は、前
記側壁面に沿って形成され、第１のバンドギャップを有
する量子井戸層と、前記量子井戸層を挟持するように形
成された、前記第１のバンドギャップよりも大きい第２
のバンドギャップを有するバリア層とよりなることを特
徴とする量子半導体装置により、または請求項２に記載
したように、前記エッチピットは｛１１０｝方位を有す
る結晶面よりなる側壁面により画成されていることを特
徴とする請求項１記載の量子半導体装置により、または
請求項３に記載したように、前記エッチピットは｛１１
１｝Ｂ方位を有する結晶面よりなる側壁面により画成さ
れていることを特徴とする請求項１記載の量子半導体装
置により、または請求項４に記載したように、前記量子
井戸層は、前記頂点において量子箱を形成することを特
徴とする請求項１から３のうち、いずれか一項記載の量
子半導体装置により、または請求項５に記載したよう
に、前記量子井戸層は、前記交線において量子細線を形
成することを特徴とする請求項１から４のうち、いずれ
か一項記載の量子半導体装置により、または請求項６に
記載したように、前記量子箱は、前記量子井戸層のう
ち、他の部分とは異なる、バンドギャップの低い組成を
有することを特徴とする、請求項４記載の量子半導体装
置により、または請求項７に記載したように、実質的に
｛１１１｝Ａ面に一致する主面を有する閃亜鉛鉱型の構
造を有する半導体基板の主面上に、異方性ドライエッチ
ングを施すことにより、三角錐状のエッチピットを形成
する工程と；前記エッチピット上に、第１のバンドギャ
ップを有する半導体材料よりなるバリア層を堆積する工
程と；前記バリア層上に、前記第１のバンドギャップよ
りも小さい第２のバンドギャップを有する半導体材料よ
りなる量子井戸層を堆積する工程と；前記量子井戸層上
に、前記第２のバンドギャップよりも大きい第３のバン
ドギャップを有する半導体材料よりなるバリア層を堆積
する工程とよりなることを特徴とする量子半導体装置の
製造方法により、または請求項８に記載したように、前
記異方性ドライエッチング工程は、｛１１０｝面のエッ
チング速度が他の結晶面のエッチング速度よりも実質的
に減少するように実行されることを特徴とする請求項７
記載の方法により、または請求項９に記載したように、
前記異方性ドライエッチング工程は、｛１１１｝Ｂ面の
エッチング速度が他の結晶面のエッチング速度よりも実
質的に減少するように実行されることを特徴とする請求
項７記載の方法により、または請求項１０に記載したよ
うに、前記量子井戸層はIII-V 族半導体材料よりなり、
前記量子井戸層の堆積工程においては、堆積温度と前記
量子井戸層を形成するＶ族元素の供給速度とを設定する
ことにより、堆積条件が設定されることを特徴とする請
求項７記載の方法により、または請求項１１に記載した
ように、前記量子井戸層を堆積する工程は、前記量子井
戸層の実質的な堆積が、前記エッチピットの稜線に沿っ
ては生じるが前記エッチピットの頂点および側壁面には
生じないように、堆積条件を設定して実行されることを
特徴とする請求項７記載の方法により解決する。

【００１６】次に本発明の原理を図１（Ａ），（Ｂ）を
参照しながら説明する。ただし、図１（Ａ）は半導体基
板上に形成された量子半導体装置の平面図を示し、図１
（Ｂ）は同じ量子半導体装置の図１（Ａ）中に示した一
点鎖線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。

【００１７】図１（Ａ），（Ｂ）を参照するに、閃亜鉛
鉱型結晶構造を有するＧａＡｓあるいはＩｎＰよりなる
半導体基板１の｛１１１｝Ａ面に、異方性ドライエッチ
ングにより、浅い三角錐状のエッチピット４が形成され
る。ドライエッチングは前記｛１１１｝Ａ面を円形の開
口部を形成されたマスクで覆って実行される。典型的な
例では、ドライエッチングは、｛１１０｝面のエッチン
グ速度が他の結晶面のエッチング速度よりも小さくなる
ようにエッチング条件を設定して実行され、その結果、
エッチピット４は｛１１１｝Ａ面に対して３５．３°傾
いた｛１１０｝面により画成されることになる。図１
（Ａ）の平面図に示すように、このようにして形成され
たエッチピット４は、＜０−１１＞方向に延在する辺に
より画成された三角形状の底面を有する。通常のよう
に、本発明においても｛１１１｝Ａ面と標記した場合、
（１１１）Ａ面と等価な全ての結晶面を表すものとす
る。また、Ａ面はIII 族元素を露出する結晶面を表す。
また、ドライエッチングの条件を変更することにより、
別の結晶面、例えば｛１１−１｝Ｂ面により画成された
エッチピット４を形成することも可能である。

【００１８】このようにして形成されたエッチピット４
上には、大きなバンドギャップを有するバリア層５およ
び７により挟持された量子井戸層６を含む量子構造が形
成される。かかる量子構造は、｛１１０｝側壁面に沿っ
て形成され１次元のキャリア閉じ込めを生じる通常の量
子井戸１０の他に、三角錐の稜線に沿って形成される量
子細線９と、三角錐の頂点に形成される量子箱８とを含
む。かかる量子構造上に能動領域を形成することによ
り、量子構造中に生じる量子力学的効果を使った量子半
導体装置が得られる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施例を図２
（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら説明する。図２（Ａ），
（Ｂ）を参照するに、基板１はＩｎＰよりなり、（１１
１）Ａ面により画成されており、前記（１１１）Ａ面上
には、ＳｉＯ₂絶縁膜１２が、ＣＶＤ法により、約１０
０ｎｍの厚さに堆積されている。絶縁膜１２は堆積の
後、通常のフォトリソグラフィ法によりパターニングさ
れ、直径が約１μｍの円形の開口部１３が形成される。
基板１１の厚さは例えば４００μｍ程度である。

【００２０】次に、基板１は、絶縁膜１２をこのように
形成された後、縦型減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応室に移さ
れ、５０Ｔｏｒｒの圧力下、５００°Ｃの温度でドライ
エッチングがなされる。その際、ドライエッチングは、
Ｈ₂により１％の濃度に希釈されたＨＣｌガスを１００
ＳＣＣＭの流量で流し、さらにＨ₂により１０％の濃度
に希釈されたＰＨ₃ガスを５０ＳＣＣＭの流量で流しな
がら実行される。また、反応室中の全ガス流量は２００
０ＳＣＣＭに設定される。

【００２１】かかるドライエッチングの結果、基板１１
上には図２（Ｃ）に示すように、開口部１３に対応して
三角錐状のエッチピット１４が形成される。図２（Ｃ）
を参照するに、各々のエッチピット１４は、平面図上に
おいて、円形開口部１３に外接する三角形状を有し、従
って大きさは開口部１３の大きさによりおおよそ規定さ
れる。また、複数のエッチピット１４は、エッチピット
１４の側壁面を画成する｛１１０｝面が、基板主面を構
成する（１１１）Ａ面に対して所定の結晶方位を有する
ため、同じ方位に形成される。

【００２２】ドライエッチングの際に導入されるＰＨ₃
は、ＩｎＰ基板１１の熱解離によるＰの損失を抑止する
作用をなし、またＨＣｌによるエッチングの作用を抑止
するように作用する。そこで、エッチピット１４を形成
する際に、ＰＨ₃の流量を制御することにより、エッチ
ング速度を制御することが可能である。

【００２３】図３（Ａ），（Ｂ）はエッチピット１４の
詳細を示す。ただし、図３（Ａ）はエッチピット１４を
拡大して示す平面図、また図３（Ｂ）はエッチピット１
４の図３（Ａ）の線Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。図
３（Ａ），（Ｂ）を参照するに、エッチピット１４は各
々｛１１０｝面よりなる三つの側壁面により画成されて
おり、各々の側壁面は基板１１の主面を構成する（１１
１）Ａ面に対して３５．３°の角度で交差する。また、
各エッチピット１４において、交差する二つの側壁面
は、（１１１）Ａ面に対して１９．５°の角度で交差す
る稜線を形成する。

【００２４】このような｛１１０｝面で画成された側壁
面は、ＩｎＰ基板１１の（１１１）Ａ面に異方性ドライ
エッチングを施し、その際エッチング条件を、｛１１
０｝面のエッチング速度が他の結晶面よりも実質的に低
くなるように設定することにより形成される。すなわ
ち、円形のマスク開口部１３に外接する側壁面として
｛１１０｝面が発達した後は、エッチングは実質的にそ
れ以上進行することがなく、エッチピット１４の成長は
実質的に停止する。その結果、エッチピット１４の大き
さは、開口部１３の大きさにより制御される。

【００２５】エッチピット１４を高解像度の走査型電子
顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果では、三角錐の三
つの稜線、従って｛１１０｝面よりなる三つの側壁面
は、正確に三角錐の頂点において交差しており、三角錐
の底には平坦面は見られなかった。

【００２６】エッチピット１４が基板１１上に形成され
た後、基板１１を堆積装置の反応室に残したまま、温度
を６００°Ｃに設定し、Ｉｎの原料としてＨ₂で希釈し
たＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を、同じくＨ₂に
より１０％の濃度に希釈したＰＨ₃（ホスフィン）と共
に、１００ＳＣＣＭの流量で導入する。ただし、ＰＨ ₃
はＰの原料であり、１００ＳＣＣＭの流量で供給され
る。また、キャリアガスとして高純度のＨ₂が、反応室
に、全ガス流量が２０００ＳＣＣＭになるように供給さ
れる。その結果、図４（Ａ）に示すように、各々のエッ
チピット１４の｛１１０｝面上に、ＩｎＰよりなるバリ
ア層１５が、５００Åの厚さに堆積される。

【００２７】ＩｎＰ層の堆積の際、ＴＭＩｎを保持する
容器は１３．５°Ｃの温度に保持され、その結果、ＴＭ
Ｉｎの蒸気圧は１Ｔｏｒｒに設定される。また堆積の
際、反応室の圧力は５０Ｔｏｒｒに設定される。次に、
図４（Ｂ）の工程において、前記ＴＭＩｎを１３．５°
Ｃで保持した容器にＨ₂よりなるキャリアガスが２００
ＳＣＣＭの流量で供給され、その結果ＴＭＩｎが反応室
に、Ｉｎの原料として供給される。同時に、Ｈ₂よりな
るキャリアガスがＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を−
１０．０°Ｃの温度で保持している容器に５ＳＣＣＭの
流量で供給され、その結果ＴＭＧａが反応室にＧａの原
料として供給される。反応室には、Ｈ₂により１０％の
濃度に希釈されたアルシンが、１００ＳＣＣＭの流量で
さらに供給され、これに加えてＨ₂よりなるキャリアガ
スが、反応室中のＨ₂の全ガス流量が２０００ＳＣＣＭ
になるように供給される。その結果、図４（Ｂ）に示す
ように、三角錐状エッチピットの頂点、すなわち底部
に、ＩｎＧａＡｓよりなる量子井戸層１５が、５０Åの
厚さに堆積する。

【００２８】次に、Ｈ₂よりなるキャリアガスが、ＴＭ
Ｉｎを１３．５°の温度で保持している前記容器に、１
００ＳＣＣＭの流量で供給され、その結果、ＴＭＩｎが
反応室に、キャリアガスと共に供給される。同時に、Ｈ
₂よりなるキャリアガスが、Ｈ₂により１０％の濃度に
希釈されたＰＨ₃を保持する容器に、１００ＳＣＣＭの
流量で供給され、その結果生じたＰＨ₃がＰの原料とし
て、反応室に、Ｈ₂キャリアガスと共に供給される。そ
の際、Ｈ₂キャリアガスの流量は、反応室中におけるＨ
₂の全流量が２０００ＳＣＣＭになるように設定され
る。その結果、ＩｎＰよりなるバリア層１７が、５００
Åの厚さに形成される。

【００２９】ただし、以上の説明における層１５〜１７
の厚さは、実際にはエッチピットの形成されていない平
坦な（１１１）Ａ基準面上にそれぞれの層を堆積させた
場合の厚さから推定したものである。このような堆積の
結果、ＩｎＧａＡｓ層１６のうち、層１６がＩｎＰバリ
ア層１５，１７により３次元的に閉じ込められている三
角錐の頂点領域には量子箱１８が形成される。このよう
にして形成された量子箱１８は、例えばレーザダイオー
ドや発光ダイオード等の発光素子の活性部として、ある
いは情報を量子準位に蓄積するメモリ装置の能動部とし
て使うことができる。かかる、量子箱１８が形成される
三角錐の頂点領域では、特に量子井戸層１６が３元素以
上の混晶を形成するような材料より構成されている場
合、量子井戸層１６は、堆積条件を制御することによ
り、他の領域、例えば｛１１０｝面上に２次元的に成長
した領域とは異なった、より低いバンドギャップを有す
るような組成に形成することができる。これは、頂点を
画成する三つの｛１１０｝面の面方位の効果によるもの
であり、その結果、量子箱１８には、キャリアを閉じ込
めるようなポテンシャルが形成される。

【００３０】量子箱１８の形成においては、ＩｎＰが
｛１１０｝面に選択的に堆積する性質があるため、バリ
ア層１５はエッチピット１４の｛１１０｝側壁面に沿っ
て堆積する。一方、量子井戸層１６を構成するＩｎＧａ
Ａｓ層の堆積速度は、｛１１０｝面においてはやや低く
なるため、量子井戸層１６はエッチピット１４の頂点
（底）近傍において平坦な底面を形成する。この平坦な
底面は（１１１）Ａに近い結晶面を形成する。

【００３１】量子箱１８がこのようにして形成される結
果、量子細線１９がエッチピット１４の稜線に沿って形
成される。このようにして形成される量子細線１９は、
｛２１１｝Ａ面に近い結晶面により画成されている。量
子細線１９においても、量子井戸層１６の組成は、｛１
１０｝面上に２次元的に堆積した他の領域とは異なり、
その結果、量子細線１９に沿って量子井戸層１６の組成
が、バンドギャップが低くなるように変化する。

【００３２】かかる構造においては、通常の１次元的な
キャリアの閉じ込めを生じる量子井戸層２０が、｛１１
０｝面よりなるエッチピット１４の側壁面に沿って形成
されるが、｛１１０｝面上におけるＩｎＧａＡｓ層１６
の厚さを減少させることにより、量子井戸層２０が量子
半導体装置の動作に影響を与えないようにすることがで
きる。実際、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層１６の厚さを減少
させることにより、量子井戸２０あるいは量子細線１９
量子準位が、量子箱１８の量子準位に対して実質的に変
化し、その結果、量子半導体装置を、実質的に量子箱１
８しか含まないように形成することができる。

【００３３】上記のエッチピット１４の形成工程におい
て、基板１１として｛１１１｝Ｂ面を有するＧａＡｓあ
るいはＩｎＰの結晶を使った場合には、満足すべき結果
は得られなかった。このような場合、エッチングはＳｉ
Ｏ₂マスク１２の下で開口部１３を越えて進行してしま
う。換言すると、このようにして形成されたエッチピッ
トは基板表面において外接三角形を形成せず、エッチピ
ット１４の深さが制御できなくなる。

【００３４】本発明では、先にも説明したようにエッチ
ング条件を変えることにより、側壁面として｛１１１｝
Ｂ面が出現するようにエッチピット１４を形成すること
も可能である。この場合、側壁面は（１１１）Ａ面より
なる基板主面に対して７０．５°の角度をなし、また二
つの側壁面の間に形成される稜線は基板主面に対して５
４．７°の角度で交差する。

【００３５】次に、エッチピット１４上に形成された量
子構造を使った半導体装置を本発明の第２実施例として
説明する。図５は、（１１１）Ａ面を有する半絶縁性Ｉ
ｎＰ基板３１上に形成されたダブルエミッタＲＨＥＴ
（共鳴トンネルトランジスタ）の構成を示す。

【００３６】図５を参照するに、基板３１上にはｎ⁺型
ＩｎＧａＡｓよりなるコレクタコンタクト層３２が２０
０ｎｍの厚さに形成されており、コレクタコンタクト層
３２上にはｎ型ＩｎＧａＡｓよりなるコレクタ層３３が
２００ｎｍの厚さに形成される。コレクタ層３３はコレ
クタコンタクト層３２上においてメサ構造を形成し、そ
の結果コレクタ層３３の両側においてコレクタコンタク
ト層３２の表面が露出する。

【００３７】コレクタ層３２上には非ドープＩｎＰより
なるバリア層３４が５０〜１００ｎｍの厚さで形成され
ており、ｎ型ＩｎＧａＡｓよりなるベース層３５がバリ
ア層３４上に５０ｎｍの厚さで形成される。さらに、Ｆ
ｅでドープされた半絶縁性ＩｎＰ層３６がベース層３５
上に堆積されている。このＩｎＰ層３６は、先に説明し
た基板３１と同様に（１１１）Ａ面よりなる主面により
画成されており、前記（１１１）Ａ主面上には｛１１
０｝面よりなる側壁面により画成された三角錐状のエッ
チピット４５，４６が、エッチピット１４と同様に形成
されている。

【００３８】エッチピット４５，４６の各々はエミッタ
領域を形成し、非ドープＩｎＰよりなる上下のバリア層
３８，４０により挟持された量子井戸層３９を含む、エ
ッチピット１４上に形成されたのと同様な量子構造を形
成する。上側バリア層４１上には、ｎ型ＩｎＧａＡｓよ
りなるエミッタ層４１が、凹部を埋めるように形成さ
れ、エミッタ層４１上には、さらにｎ⁺型のＩｎＧａＡ
ｓよりなるエミッタコンタクト層４２が形成される。

【００３９】エミッタコンタクト層４２上には、エミッ
タ電極４３がオーミック接触をして形成され、さらに露
出したコレクタコンタクト層３２の表面にはコレクタ電
極４４が形成される。かかるダブルエミッタＲＨＥＴに
おいては、エミッタ構造４５に加えてエミッタ構造４６
を第二のエミッタ構造として形成することにより、ベー
ス電極を省略することが可能である。その結果、従来の
ＲＨＥＴにおいて生じていた、非常に薄いベース層にベ
ース電極をオーミック接触して形成する際の困難が回避
され、半導体装置の製造が容易になる。

【００４０】図６はエミッタ構造４５，４６に形成され
る量子箱のバンド構造を示す。かかるエミッタ構造で
は、バリア層３８，４０が形成するポテンシャル障壁に
挟まれた量子井戸層３９に量子準位が形成され、その結
果前記量子準位に対応する所定のエネルギを有するホッ
トエレクトロンのみが、エミッタ構造４５，４６からベ
ース層３５に選択的に注入される。量子箱におけるキャ
リアの３次元閉じ込めの結果、ベース層３５に注入され
たホットエレクトロンはデルタ関数的な鋭いエネルギス
ペクトルを有し、トランジスタのスイッチング動作は明
確なしきい値特性を示す。かかるダブルエミッタＲＨＥ
Ｔは、例えば米国特許第５，３１１，４６５に記載され
たようなＳＲＡＭを形成するのに有用である。

【００４１】エッチピット１４上へのＩｎＧａＡｓ層１
６の堆積モードは、堆積温度およびＡｓ原子の供給速
度、すなわちＡｓ原料ガスの供給速度を制御することに
より制御される。ＩｎＧａＡｓ層１６の成長モードを制
御することにより、量子箱１８，量子細線１９あるいは
１次元閉じ込めを生じる量子井戸２０を、必要に応じて
形成することができる。

【００４２】同様の説明は、ＩｎＧａＡｓ層の堆積のみ
ならず、ＧａＡｓ層等、ＡｓをＶ族元素として含むいず
れのIII-V 族半導体層の堆積についても当てはまる。ま
た、このような量子箱、量子細線あるいは量子井戸の選
択的な形成は、ＩｎＰ等の閃亜鉛鉱型構造を有する他の
III-V 族半導体材料を使う場合においても、また閃亜鉛
鉱型構造を有するII-VI 族半導体材料を使う場合につい
ても適用可能である。

【００４３】また、このようにして形成された量子細線
１９あるいは量子井戸２０も、量子箱１８と同様な有用
な電子装置あるいは光学装置を形成できる。特に、エッ
チピット１４の一の側壁面に形成された量子井戸層２０
によって光ビームを形成した場合、光ビームは対向する
側壁面により上方に反射され、基板１１の上主面から垂
直方向に出射する。

【００４４】さらに、エッチピット１４の頂点（底）に
形成された量子箱１８と稜線に沿って形成された量子細
線１９とが協働する半導体装置を形成することも可能で
ある。かかる半導体装置では、例えば、量子井戸１９中
の一の量子細線１９中の電子がエッチピット１４底部の
量子箱を通って他の量子細線１９に到達する際に、量子
箱１８を通過する確率を制御することが可能である。

【００４５】また、図５において説明したような多数の
量子半導体装置を共通の基板上に形成して集積回路を構
成することも可能である。さらに、図４（Ｃ）の構造に
おいて、基板１１をドープされた半導体材料より構成
し、発光ダイオード等の発光半導体装置を形成すること
も可能である。このような場合には、基板１１およびバ
リア層１５をｎ型に、またバリア層１７をｐ型にドープ
し、さらに量子井戸層として非ドープＩｎＧａＡｓを使
うことにより、量子構造にp-i-n 接合を形成する。ある
いは、基板１１およびバリア層１５をｐ型にドープし、
バリア層１７をｎ型にドープしてもよい。いずれの場合
においても、バリア層１５，１７は、量子井戸層１６よ
りなる活性層を挟むクラッド層として作用し、図７に示
すように、基板１１の底面には電極１１ａが、またバリ
ア層１７上の凹部を埋めるように形成された半導体層２
１上には電極２１ａが形成される。ただし、半導体層２
１はバリア層１７と同一の導電型にドープされている。
また、層１５〜１７を、同一組成の半導体層を、導電型
を変えながら堆積させて形成してもよい。

【００４６】以上の説明では、基板１１が、（１１１）
Ａ面よりなる結晶面により画成されているものとしてい
た。しかし、本発明は決してこのような基板１１の特定
の結晶方位に限定されるものではなく、エッチピット１
４は、｛１１１｝Ａと標記される（１１１）Ａ面と等価
な面のいずれに形成してもよい。また、エッチピット１
４を形成する結晶面は、｛１１１｝Ａ面に対して１０°
以内の角度で傾斜していてもかまわない。

【００４７】さらに、開口部１３は、三角錐上のエッチ
ピット１４を形成するためには円形であるのが好ましい
が、これに限定されるものではなく、円形に近い形状で
あればよい。エピタキシャル層１５〜１７の堆積は、先
に説明した減圧ＭＯＣＶＤ法以外にも、ＭＢＥ法，ＡＬ
Ｅ法，ＣＢＥ法，ＧＳＭＢＥ法，ＭＯＭＢＥ法，塩化物
ＶＰＥ法，水酸化物ＶＰＥ法，およびＬＰＥ法等によっ
て実行してもよい。また、絶縁膜１２あるいは電極の堆
積は、ＣＶＤ法，スパッタ法あるいは蒸着法により行う
ことができる。

【００４８】また、三角錐状のエッチピットを形成する
際のドライエッチング法は、エッチングガスとしたＨＣ
ｌを使うものに限定されるものではなく、Ｃｌを含む他
のガス、例えばＣＣｌ₄，ＣＨ₃Ｃｌ，Ｃ₂Ｈ₅Ｃｌ等
をエッチングガスとして使ってもよい。また、エッチン
グガスは、Ｃｌのかわりに別のハロゲン，例えばＦ，Ｂ
ｒ，Ｉ等を含むもの、例えばＣＦ₄，ＣＢｒ₄，ＣＨ₃
Ｉ等であってもよい。

【００４９】ＳｉＯ₂マスク１２に形成される開口部１
３の大きさは１μｍに限定されるものではなく、必要に
応じて１〜１０μｍの範囲で選択できる。また、電子ビ
ーム露光法を使うことにより、マスク開口部１３は１０
０Åから１μｍの大きさに形成することもできる。かか
る微細なマスク開口部１３を形成することにより、量子
構造は微細化され、基板上に形成される半導体装置の集
積密度が向上する。

【００５０】さらに、マスク１２を構成する材料はＳｉ
Ｏ₂に限定されるものではなく、ＳｉＯＮあるいはＳｉ
Ｎ等を使うこともできる。さらに、マスク層１２とし
て、Ｗ，ＷＳｉ，Ａｌ等の導電性材料を使うこともでき
る。またマスク層１２として、基板１１に対して施され
るエッチングにおいて選択性を示すような半導体材料を
使うことも可能である。例えば、基板１１がＩｎＰであ
る場合、マスク層１２としてＩｎＧａＡｓＰを使うこと
が可能である。かかる、基板上にエピタキシャル成長し
たエッチングマスクを使うことにより、マスク層１２の
基板１１に対する密着性を向上させることができ、これ
に伴いエッチピットの大きさの制御性が向上する。

【００５１】図４（Ａ）〜（Ｃ）あるいは図７の実施例
において、エッチピット１４上における半導体層１５〜
１７の堆積は、基板１１上にエッチングマスク層１２を
残したままで実行される。このようにすることにより、
図７に示すように、マスク開口部において、電極を自己
整合するように形成できる。

【００５２】一方、半導体層１５〜１７の堆積を、エッ
チングマスク１２を除去した状態で実行してもよい。こ
のような、エッチングマスク１２を除去して実行する堆
積工程は、ＭＢＥ法等、マスク層１２が分子線ビームに
影を生じる可能性のある堆積工程において特に有用であ
る。半導体層１５〜１７がマスク層１２無しで形成され
た場合、半導体層の堆積は、基板１１の（１１１）Ａ面
方位を有する表面上においても生じる。そこで、前記基
板１１の（１１１）Ａ面上に、量子半導体装置と協働す
る半導体装置を、周辺回路として形成することもでき
る。

【００５３】さらに、量子半導体装置を担持する基板１
１は決してＩｎＰに限定されるものではなく、閃亜鉛鉱
型構造を有する他の半導体材料を使うことも可能であ
る。例えば、ＧａＡｓを基板１１として使っても同様の
結果が得られることが確認されている。基板１１として
ＧａＡｓを使った場合、ＩｎＰを基板に使った場合より
もアンダーエッチングを減少させることができる。さら
に、基板１１としては、他の２成分系，３成分系あるい
は４成分系の化合物半導体材料、例えばＡｌＧａＡｓ，
ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＡｌＧａ
Ｐ，ＡｌＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ，ＩｎＧａＡｌＡ
ｓ，およびＩｎＧａＡｓＰを使うことが可能である。さ
らに、閃亜鉛鉱型構造を有するII-VI 族化合物半導体材
料を基板１１として使うこともできる。

【００５４】以上、本発明を好ましい実施例について説
明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、
本発明の要旨内において様々な変形・変更が可能であ
る。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、量子箱および量子細線
を含む量子構造を、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する基板
上に、三角錐状のエッチピットを異方性ドライエッチン
グ法により形成することにより、形成できる。その際、
エッチピットの形成は、バリア層あるいは量子井戸層の
堆積を行う堆積装置内において、反応室から取り出すこ
となく実行でき、エッチピットが汚染される可能性を排
除することができる。さらに、量子半導体装置製造時の
スループットが著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図である。

【図２】本発明の第１実施例による量子半導体装置の製
造工程を示す図である。

【図３】図２に示した工程で形成されたエッチピットを
示す図である。

【図４】本発明の第１実施例において、エッチピット上
に量子構造を形成する工程を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例による、ダブルエミッタＲ
ＨＥＴの構成を示す図である。

【図６】図５の装置のバンド構造図である。

【図７】本発明の別の実施例による発光半導体装置の構
成を示す図である。

【符号の説明】

１，１１，３１基板１１ａ電極２，１２エッチングマスク４，１４，４５，４６エッチピット５，７，１５，１７，３８，４０バリア層６，１６，３９量子井戸層８，１８量子箱９，１９量子細線１０，２０量子井戸１３開口部２１層２１ａ電極３２コレクタコンタクト層３３コレクタ層３４バリア層３５ベース層４２エミッタコンタクト層４３エミッタ電極４４コレクタ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に｛１１１｝Ａ面に一致する主面
により画成された、閃亜鉛鉱型構造を有する半導体基板
と；前記主面上に形成され、頂点において交わる複数の
側壁面により画成され、また互いに交差する任意の二つ
の側壁面の交線が前記頂点において交わる構成の三角錐
状のエッチピットと；前記エッチピット上に形成された
能動部とよりなり、前記能動部は、前記側壁面に沿って形成され、第１のバ
ンドギャップを有する量子井戸層と、前記量子井戸層を
挟持するように形成された、前記第１のバンドギャップ
よりも大きい第２のバンドギャップを有するバリア層と
よりなることを特徴とする量子半導体装置。
【請求項２】前記エッチピットは｛１１０｝方位を有
する結晶面よりなる側壁面により画成されていることを
特徴とする請求項１記載の量子半導体装置。
【請求項３】前記エッチピットは｛１１１｝Ｂ方位を
有する結晶面よりなる側壁面により画成されていること
を特徴とする請求項１記載の量子半導体装置。
【請求項４】前記量子井戸層は、前記頂点において量
子箱を形成することを特徴とする請求項１から３のう
ち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【請求項５】前記量子井戸層は、前記交線において量
子細線を形成することを特徴とする請求項１から４のう
ち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【請求項６】前記量子箱は、前記量子井戸層のうち、
他の部分とは異なる、バンドギャップの低い組成を有す
ることを特徴とする、請求項４記載の量子半導体装置。
【請求項７】実質的に｛１１１｝Ａ面に一致する主面
を有する閃亜鉛鉱型の構造を有する半導体基板の主面上
に、異方性ドライエッチングを施すことにより、三角錐
状のエッチピットを形成する工程と；前記エッチピット
上に、第１のバンドギャップを有する半導体材料よりな
るバリア層を堆積する工程と；前記バリア層上に、前記
第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャッ
プを有する半導体材料よりなる量子井戸層を堆積する工
程と；前記量子井戸層上に、前記第２のバンドギャップ
よりも大きい第３のバンドギャップを有する半導体材料
よりなるバリア層を堆積する工程とよりなることを特徴
とする量子半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記異方性ドライエッチング工程は、
｛１１０｝面のエッチング速度が他の結晶面のエッチン
グ速度よりも実質的に減少するように実行されることを
特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】前記異方性ドライエッチング工程は、
｛１１１｝Ｂ面のエッチング速度が他の結晶面のエッチ
ング速度よりも実質的に減少するように実行されること
を特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１０】前記量子井戸層はIII-V 族半導体材料
よりなり、前記量子井戸層の堆積工程においては、堆積
温度と前記量子井戸層を形成するＶ族元素の供給速度と
を設定することにより、堆積条件が設定されることを特
徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１１】前記量子井戸層を堆積する工程は、前
記量子井戸層の実質的な堆積が、前記エッチピットの稜
線に沿っては生じるが前記エッチピットの頂点および側
壁面には生じないように、堆積条件を設定して実行され
ることを特徴とする請求項７記載の方法。