JPS63226023A - 共晶合金系半導体超格子構造 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は２種以上の元素から成る半導体薄膜の形成法に
係り、特に量子サイズ効果を利用するための超格子構造
を持った薄膜の形成法に関する。

〔従来の技術〕

従来の半導体超格子構造は、例えばＧａＡｓなどの単結
語基板上に、ＧａＡｓとＧａｘ−ＸＡＱＸＡｓなどの超
薄層を交互にエピタキシャル成長させて形成していた。

これに対し、互いに全伴固溶し合わない複数種の共晶を
晶出すべき均一組成の液層から一度に該共晶を層状共晶
または柱状共晶等の規則形状性共晶組織として晶出させ
て超格子構造を形成する方法が提案されている。以下、
この方法につい図面に基づき説明する。

第３図は、互いに全乍固溶しない２つの半導体ＡとＢの
準２元系平衡状態図であり、縦軸Ｔは温度、横軸Ｃは組
成を示す。図中りは液相、Ｅは共晶組成、ＴＥは共晶温
度である。他の方法としては、共晶組成ＥまたはＥに近
い組成（以下この組成を共晶組成Ｅと称す）の液体を共
晶温度よりも高い温度の均一相りより、急激な温度勾配
下で冷却することにより、Ａ＋Ｂなる共晶を、Ａの薄層
とＢの薄層とが交互に規則正しく重畳した層状共晶や、
さらにはＡとＢとの重畳が２次元的になつている柱状共
晶等の規則形状性共晶組織とする方法がある。その際、
２種の半導体ＡとＢとが、それぞれダイヤモンド構造と
閃亜鉛鉱構造の如く類似した結晶構造であり、かつこれ
らの格子定数がほぼ等しければ、共晶組織における共晶
と８品は結晶面がそれぞれ低指数面でエピタキシャル的
に結合した全体が、ヘテロジニャス単結晶的なものとし
て凝固し得る。また、層状共晶あるいは柱状共晶等に於
ける各層の厚みや柱の太さ間隔等は、冷却速度や温度条
件（過冷却等）によって制御可能であり、２種の半導体
Ａ、Ｂのうちエネルギーバンドギャップの小さい方の層
厚や太さ等をいわゆるド・ブロイ波長（百〜数百人程度
）以下にすれば、これはいわゆる半導体超格子構造とし
て種々の量子効果を期待し得る。

なお、関連する技術としては、特開昭６０−９３２１９
がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、一定容量の共晶組成または共晶組成に近い組成
の液体を、結晶基板を種結晶として超格子構造共晶を晶
出させるため、該超格子構造層の全層厚について十分な
配慮がされておらず、超格子構造層の層厚を正確に制御
できないという問題があった。また冷却時の温度制御が
容易でないこと、大面積の超格子構造を作製するには装
置が大きくなるなどの問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、半導体基板や絶縁体基板上の所定の領域に
、その組成が共晶組成Ｅである多結晶および非晶質の合
金薄膜を所定の厚みになるように形成し、次に上記薄膜
を、狭帯域溶融再結晶化法により層状共晶または柱状共
晶等の規則形状共晶組織として晶出させ、該所定領域を
超格子構造とすることにより、達成される。

〔作用〕

半導体基板や絶縁体基板上の所定の領域にあらかじめ形
成された。所定の厚みの、組成が共晶組成Ｅである多結
晶または非晶質の薄膜は、レーザビームや線状ヒータ等
の狭帯域溶融源により、所定の狭帯域のみが溶融し、共
晶組成Ｅの融液となる０次に狭帯域溶融源を移動させる
ことにより。

上記融液は温度が下降して結晶化し、移動した領域が新
たに融液となる。狭帯域溶融源をある速度で移動させれ
ば、結晶化した領域が拡大していく。

この結晶化した領域は、融液が共晶組成であったために
、層状または柱状共晶等の規則形状共晶組織となる。ま
た、層状共晶あるいは柱状共晶における各層の厚みや柱
の太さ間隔等は、溶融源の移動速度や温度条件によって
制御可能であり、所定の厚みの半導体超格子構造を作製
することができる。また薄膜を用いているため温度制御
が容易であり、大面積の超格子構造を作製する場合も、
小さな装置ですむ。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１１ｉｉｉ７により説明す
る。本実施例は、Ｇ　ｅ　−ＧａＡｓ系の超格子構造を
作製する場合の説明である。

図において２はＧ　ｅ　−ＧａＡｓの共晶組成Ｅ　（Ｇ
ａＡｓの組成が約１５モル％）の合金薄膜であり、Ｇａ
Ａｓ基板１に真空蒸着法などの公知の手段により形成さ
れる。上記薄膜の結晶性は膜形成時の基板温度により決
定されるが、次のプロセスで溶融されるため膜形成時の
結晶性は問題にならない。本実施例では１合金薄膜２は
低い基板温度（例えば１５０℃）で真空蒸着法により形
成した膜厚が２μｍの非晶質薄膜とする。５はキャッピ
ング膜であり１合金薄膜２が溶融した時に１合金薄膜２
の成分元素の気化を防ぎ、組成を保つための膜である。

次に合金薄膜２とキャッピング膜５が形成された基板１
を図示されていない狭帯域溶融装置内に保持し、上記装
置内をヘリウムガスあるいは窒素ガスで置換する。その
後温度をＴＬ（例えば室温）に保持された合金薄膜２を
、ストリップヒーターの狭帯域溶融源６により、キャッ
ピング膜５を通して共晶温度ＴＥ　（８６５℃）より高
い温度ＴＨ（例えば８８０℃）まで加熱し溶融させ、共
晶組成ＥのＧ　ａ−ＧａＡｓ合金融液３にする。便宜上
溶融源６は、第２図におけるＡからＢに向かって速度υ
で移動して行くものとする。Ａにおいて、溶融源６でＴ
Ｈまで加熱され溶融した融液３は、溶融源６が移動して
行くことにより温度が下降し、単結晶成長しＧｅの単結
晶層４２とＧａＡｓの単結晶層４１が基板１に平行に交
互に重畳した規則形状性共晶組織４となる。その際、溶
融ｇ６の移動速度Ｖを、融液３の冷却速度が１０℃／ｓ
ｅｃ以上になるようにすると、単結晶層４１と４２は層
厚がそれぞれ１００人もしくはそれ以下の超薄層の交互
の重畳が所定の膜厚全体にわたり得られる。

上記実施例では層状共晶の超格子構造を得る場合につい
て説明したが、合金薄膜の組成を共晶組成かられずかに
ＧａＡｓが多くなるようにし、冷却速度を適宜調整する
ことにより、柱状共晶の超格子構造を得ることができる
。

また本実施例では、Ｇｅ　　ＧａＡｓの場合について説
明したが、規則形状性共晶組織が得られる組成としては
、Ｓ　ｉ　−Ｇ　ａ　ｐ　、　ＧａＡｓ−ＺｕＳａ、　
Ｇ　ｅ　−Ａ　Ｑ　Ａｓなどの他、種々の系が考えられ
るが、それらに対しても本発明を適用できる。

なお基板１の全面に合金薄膜２が一様に形成されている
場合は、サブグレイン境界などの欠陥が入るため、規則
形状性共晶組織４は全域が単結晶になることはない、そ
のため例えば第２図に示したように、合金薄膜２を幅５
ｍ程度の帯状に加工しておき、これを狭帯域溶融再結晶
化法を用いて規則形状性共晶組織４にすることが望まし
い。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、従来の方法に比べて以下
のような効果がある。

（１）多層超格子構造において、多層を少ない操作で積
層できるため生産性が高い。

（２）柱状超格子構造形成も可能なため、新規な性質を
有する素子が作製できる。

また共晶組成の均一相液体を方向性凝固させて超格子構
造を形成する方法に比べ、 （３）超格子構造層の層厚を正確に制御できる。

（４）小型の装置で大面積の超格子構造を作製でき、経
済的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は第１
図の俯敞図、第３図は第１半導体物質Ａと第２半導体物
質Ｂとの準２元系平衡状態図である。 １・・・ＧａＡｓ基板、３・・・合金薄膜２の融液、４
・・・規則形状性共晶組織、５・・・キャッピング膜、
６・・・狭帯域溶融源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、互いに全率固溶し合わず且つ格子定数がほぼ等しく
   更に結晶構造が類似している少なくとも２種類以上の半
   導体物質を少なくとも含む共晶合金の多結晶あるいは非
   晶質薄膜を半導体基板あるいは絶縁物基板に形成し、狭
   帯域溶融再結晶化法によつて、前記各半導体物質を１種
   類ごとに各一層ずつ順次周期的に晶出させた層が規則形
   状性共晶組織となり且つ各層の境界部分がエピタキシャ
   ル結合するように前記薄膜を再結晶化させることを特徴
   とする共晶合金系半導体超格子構造。