(57)【要約】【課題】  量子構造を結晶成長の前段階で特に加工を施すことなく結晶成長技術のみで作製でき、半導体基板上の所望の場所に配置制御をすることができる半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】  半導体装置１は、半導体基板１０と、前記半導体基板１０上に形成され、前記半導体基板１０と同一材料からなるバッファ層２０と、前記バッファ層２０上に形成された半導体成長層３０と、前記半導体成長層３０上に形成された量子構造５０を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板と同一材料からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成された半導体成長層と、前記半導体成長層上に形成された量子構造を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記バッファ層は単結晶ＧａＡｓ、前記半導体成長層はＩｎＧａＡｓ、前記量子構造はＩｎＡｓによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体成長層は、Ｉｎ表面偏析現象によって、Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈ成長層とからなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記量子構造は、前記Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層表面に選択的に形成された量子ドット又は量子細線からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記量子構造は、前記Ｉｎ表面偏析現象によって、前記Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層表面に偏析するＩｎの分布が前記半導体基板の結晶面方位の［１１０］又は［１‐１０］に１〜２μｍ程度の帯幅を有する領域内に成長させたことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体基板上に前記半導体基板と同一材料からなるバッファ層を成長させる第１ステップと、前記バッファ層上に半導体成長層を成長させる第２ステップと、前記半導体成長層上に量子ドット又は量子細線からなる量子構造を成長させる第３ステップと、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記バッファ層は単結晶ＧａＡｓ、前記半導体成長層はＩｎＧａＡｓ、前記量子構造はＩｎＡｓによって構成されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２ステップは、Ｉｎ表面偏析現象を利用して、前記半導体成長層をＩｎ‐ｒｉｃｈ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈ成長層を成長させ、第３ステップは量子構造を前記Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層上に選択的に成長させたことを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記量子構造は、前記Ｉｎ表面偏析現象によって、前記Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層表面に偏析するＩｎの分布が前記半導体基板の結晶面方位の［１１０］又は［１‐１０］に１〜２μｍ程度の帯幅を有する領域内に成長させたことを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１〜３ステップにおけるバッファ層、半導体成長層及び量子構造の成長を有機金属気相成長法によって行わせることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、量子ドットや量子細線等の量子構造を結晶成長技術のみで基板上に配置制御することができる半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の性能は、素子のサイズに反比例する形で進歩してきた。すなわち、素子のサイズの小型化（量子ドットや量子細線、量子箱といった量子構造という微細構造）を追求することは、素子の性能を向上させることを意味する。しかしながら、近年、素子の小型化に限界が見え始めてきた。それは、これまでの素子のサイズを決定しているものに、リソグラフィーのパターン転写能力が大きく関わってきたためである。
【０００３】
ここで言うパターンの転写能力とは、どのくらい微小なパターンサイズまで基板上に描けるか、ということを意味する。現在ではＸ線露光や電子ビーム露光、エキシマレーザを用いる方法等が開発され、１００ｎｍ付近のパターンサイズまで描けるようになった。しかし、これらの方法についても、紫外線露光と同様にいずれは限界が訪れると考えられる。
【０００４】
そもそも素子のサイズの小型化、すなわち量子構造という微細構造を作製する最大の目的は、それらを介してキャリアを量子力学的な効果により輸送することにある。この場合、量子構造を実際のデバイス（量子効果デバイス）として動作させるための前段階として、量子効果デバイスを素子として用いる量子構造、特に量子ドットや量子細線を、結晶成長の前段階で特に加工を施すことなく（例えば、リソグラフィーの手間をかけずに）、結晶成長技術のみで作製できることが理想的であると考えられる。さらに半導体基板上の所望の場所に量子ドットや量子細線といった量子構造を配置制御することができれば、量子構造の実用性は飛躍的に高まるものと考えられる。
【０００５】
そこでまず、結晶成長技術のみを用いて量子構造を作製するための方法としては、相対的に格子定数の小さな材料の上に、それよりも格子定数の大きな材料を成長させる技術がある。例えば、代表的な量子構造である量子ドットが形成される要因は次のとおりである。
【０００６】
まず、基板若しくは基板と同じ材料からなるバッファ層の上に、基板若しくはバッファ層の材料が有する格子定数よりも３〜１０％程度大きな格子定数を有する材料から成る成長層を、２〜３分子層成長させる。すると成長層を成す材料は、それよりも相対的に格子定数の小さいバッファ層の格子定数に一致するように成長しようとする。
【０００７】
しかし、実際には、成長層の格子定数はバッファ層の格子定数と異なるために、成長させるに従い圧縮歪を受けることになる。更に成長が進むと、基板上に堆積させた材料は、この蓄積された歪エネルギーを緩和しようとする。この緩和の過程で形成されるのが量子ドットであり、このように量子ドット形成するような成長をＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（ＳＫ）成長モードと呼んでいる。
【０００８】
III−Ｖ族化合物半導体、特にＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ系の材料は、現在良質な量子ドットが形成されることで知られている。更にＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ系の材料は、現在ＧａＡｓ系のデバイスに用いられるＨＥＭＴやＨＢＴエピタキシャルウェハを作製するために用いられている有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により成長することが可能なため、現在の量産技術を応用することができると考えられている。
【０００９】
次に、リソグラフィーの代替技術として、別の観点からナノメートルオーダーの微細構造を作製しようとする研究も試みられてきた。例えば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて、その探針に高電界をかけ探針先端から基板に向かって金属、或いは半導体材料を飛ばして微細構造を堆積させる方法や、これまでにも用いられている単結晶成長技術を利用した方法等では、数百ｎｍオーダーの規則的な微細構造パターンと、基板が元々持っている微傾斜の角度と単結晶成長技術を組み合わせた方法や、基板上に細孔を作製し、この細孔の中に数十ｎｍオーダーの微細構造を１個単位で作製する技術が種々開発された（例えば特許文献１参照）。
【００１０】
さらに、量子力学的効果を利用する究極的な材料とする量子ドットに着目し、量子ドットをデバイスに適用するために量子ドットのエネルギー制御が不可欠であるとの認識のもとに、量子ドットの発光波長を制御し得る技術が創案されるに至った（特許文献２参照）。
【００１１】
ここに特許文献１記載の技術は、図４に示すように、半導体装置２００は、基板２１０の表面のマスク２２０をエッチングしてあらかじめ基板上に開口２３０を作製することによって、エッチングしてできた凹みに混晶半導体の成長を行う工程と、その工程であってエネルギーバンド構造が異なる連続した混晶半導体の成長を行う量子効果層成長工程とを含むようにして、所望位置にダメージの少ない量子ドットを作製しようとするものである。また、特許文献２記載の技術は、図５に示すように、半導体装置３００は、ＧａＡｓ基板３１０の表面にＩｎＧａＡｓバッファ層３２０を形成させ、発光デバイスの実現手段としてＩｎＧａＡｓバッファ層３２０のＩｎ組成の変化に応じて、その上に成長するＩｎＡｓ量子ドット３３０の大きさを変化させることによって、量子ドット３３０の発光波長を制御しようとする。
【特許文献１】特開平０９−１２７６１２号公報
【特許文献２】特開２０００−１９６１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、最初に説明したＳＫ成長モードによれば、半導体基板上の所望の場所に量子ドットや量子細線といった量子構造を配置制御することは困難である。また、量子ドットの大きさの均一化を図ることができないという問題も指摘されている。次に特許文献１記載の技術によれば、基板上に均一な構造を作製するためのプロセス条件が必要になるばかりでなく、成長の際の面内均一性も重要になって、結晶成長の前段階での加工プロセスが不可欠となる。また、特許文献２記載の技術によれば、着眼点が発光デバイスであって、量子ドットや量子細線の配置制御を目的としたものではない。したがって、本発明は、上記の理想とする量子構造、特に量子ドットや量子細線を、結晶成長の前段階で特に加工を施すことなく、結晶成長技術のみで作製できること、しかも半導体基板上の所望の場所に量子ドットや量子細線といった量子構造の配置制御をすることができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板と同一材料からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成された半導体成長層と、前記半導体成長層上に形成された量子構造を有することを特徴とする。
【００１４】
前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記バッファ層は単結晶ＧａＡｓ、前記半導体成長層はＩｎＧａＡｓ、前記量子構造はＩｎＡｓによって構成されていることが好ましい。
【００１５】
前記半導体成長層は、Ｉｎ表面偏析現象によって、Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈ成長層とからなることが好ましい。
【００１６】
前記量子構造は、前記Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層表面に選択的に形成されていることが好ましい。
【００１７】
前記量子構造は、前記Ｉｎ表面偏析現象によって、前記Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層表面に偏析するＩｎの分布が前記半導体基板の結晶面方位の［１１０］又は［１‐１０］に１〜２μｍ程度の帯幅を有する領域内に成長させたことが好ましい。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に前記半導体基板と同一材料からなるバッファ層を成長させる第１ステップと、前記バッファ層上に半導体成長層を成長させる第２ステップと、前記半導体成長層上に量子ドット又は量子細線からなる量子構造を成長させる第３ステップと、を有することを特徴とする。
【００１９】
前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記バッファ層は単結晶ＧａＡｓ、前記半導体成長層はＩｎＧａＡｓ、前記量子構造はＩｎＡｓによって構成されていることが好ましい。
【００２０】
前記第２ステップは、Ｉｎ表面偏析現象を利用して、前記半導体成長層をＩｎ‐ｒｉｃｈ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈ成長層を成長させ、第３ステップは量子構造を前記Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層上に選択的に成長させたことが好ましい。
【００２１】
前記量子構造は、前記Ｉｎ表面偏析現象によって、前記Ｉｎ‐ｒｉｃｈ成長層表面に偏析するＩｎの分布が前記半導体基板の結晶面方位の［１１０］又は［１‐１０］に１〜２μｍ程度の帯幅を有する領域内に成長させたことが好ましい。
【００２２】
前記第１〜３ステップにおけるバッファ層、半導体成長層及び量子構造の成長を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって行わせることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によって、これまで基板上に無秩序に形成されていた量子構造を、結晶技術のみによって基板上に配置することができる。すなわち、ナノメートルオーダーの極微細構造、特に直径が１０〜５０ｎｍ、高さが５〜１５ｎｍの量子ドット、若しくは幅５０ｎｍの量子細線などの量子構造を所望の場所に形成させることができる。また、ＩｎＧａＡｓ成長層の成長中、若しくは成長後に発生するＩｎＧａＡｓ成長層内部のＩｎ表面偏析現象により、ＩｎＧａＡｓ成長層の表面に形成されるＩｎ‐ｒｉｃｈな表面層と、Ｇａ‐ｒｉｃｈな表面層のコントラスト（Ｉｎ組成分布）を利用することができるから、量子構造の成長を制御させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明の半導体装置及びその製造方法の実施をするための最良の形態を、図１〜３によって説明する。図１は、本発明の半導体装置の構造断面図、図２は、ＩｎＧａＡｓ成長層にＩｎＡｓ層を３分子層相当成長させたときの平面図、図３は、ＩｎＡｓドットの帯状幅とＩｎＧａＡｓ成長層のＩｎ組成の関係図である。
【００２５】
はじめに、本発明の基本原理について説明する。ＧａＡｓ（００１）ｊｕｓｔ基板上には、単結晶のＧａＡｓバッファ層が形成されている。単結晶のＧａＡｓバッファ層上には、Ｉｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層とからなるＩｎＧａＡｓ成長層が形成されている。Ｉｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層上には、ＩｎＡｓドット又はＩｎＡｓ細線からなるＩｎＡｓ層が形成されている。
【００２６】
すなわち、化合物半導体基板であるＧａＡｓ（００１）ｊｕｓｔ基板上に、これと同じ材料である単結晶のＧａＡｓバッファ層を成長させ、この上にＩｎＧａＡｓ成長層を成長させることによって、ＩｎＧａＡｓ成長層中にＩｎが結晶成長方向である基板表面側に浮き出てくるＩｎ表面偏析現象を利用することによって、ＩｎＧａＡｓ成長層表面のＩｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層のコントラスト（Ｉｎ組成分布）を利用してＩｎＡｓの微細な構造（量子ドットまたは量子細線）を作製する。
【００２７】
ここでＩｎ表面偏析現象とは、主にＩｎＧａＡｓエピタキシャル層中のＩｎ原子がその成長中に若しくは成長後に成長層表面側に移動する現象であって、これによってＩｎＧａＡｓ成長層の表面にはＩｎ濃度の高い領域が形成される。このとき表面側のＩｎ濃度は面内で分布する。すなわち、ＩｎＧａＡｓ成長層の表面において、Ｉｎ濃度の高い領域と低い領域が形成される。
【００２８】
この要因は、ＩｎＧａＡｓ成長層の成長開始直後にＩｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層がある確率で分布し、この分布が主に［１１０］、［１‐１０］方向に伸びる為と推察される。このうちＩｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層では表面側へ偏析するＩｎの相対量が多いため、結果としてＩｎＧａＡｓ成長層の表面にはＩｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層の分布が形成されるようになる。
【００２９】
このような分布を持ったＩｎＧａＡｓ成長層上に、例えばＩｎＡｓをエピタキシャル成長をさせると、ＩｎＡｓはＩｎＧａＡｓ成長層表面の成長しやすい場所に、選択的に成長が行われるようになる。すなわち、ＧａＡｓ結晶のＩｎＡｓ結晶に対する格子不整合量は７．３％と大きいため、ＩｎＡｓ結晶は成長しにくいＧａ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層上よりもＩｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層への成長が促進される。したがって、Ｉｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層上へ、選択的にＩｎＡｓを成長させることができる。
【００３０】
この原理を、図によってより具体的に説明する。図１に示すように、ＧａＡｓ（００１）ｊｕｓｔ基板上に、単結晶のＧａＡｓバッファ層を成長させ、さらにＩｎＧａＡｓ成長層を成長させる。このときＩｎＧａＡｓ成長層の初期にＩｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層とＧａ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層の分布が形成される。さらにＩｎＧａＡｓ成長層を成長させると、この中のＩｎ原子が偏析現象によりＩｎＧａＡｓ成長層表面へ移動し、Ｉｎ−ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層の表面がよりＩｎ‐ｒｉｃｈな表面となる。
【００３１】
ここに例えば、ＩｎＡｓ層を成長させると、ＩｎＡｓ結晶の格子定数はＧａＡｓ結晶よりも大きいため、ＩｎＧａＡｓ成長層上で考えると、ＩｎＡｓ層の格子定数により近いＩｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層表面に優先して成長が起こると予想される。このためＩｎＡｓ層は成長量を制御することによって、Ｉｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層の表面に選択的に形成される。
【００３２】
また、Ｉｎ濃度分布は、［１１０］、［１‐１０］方向に直線的に形成されやすい。また、ＩｎＧａＡｓ成長層の表面のＩｎとＧａの濃度分布のコントラストは、ＩｎのＩｎＧａＡｓ表面への偏析現象により促進される。
【００３３】
次に、実際にＧａＡｓ（００１）ｊｕｓｔ基板上にＩｎＡｓ層を成長させると、ＩｎＡｓ層はＩｎＧａＡｓ成長層のＩｎ‐ｒｉｃｈな領域に沿って成長する。ＩｎＡｓ層の成長量を制御することによってＩｎＡｓ量子細線や量子ドットを成長させることが可能となる。
【００３４】
次に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００３５】
ＧａＡｓ（００１）ｊｕｓｔ基板をＭＯＶＰＥ成長炉の中に搬入し、まず基板温度を６４０℃まで上げてアルシンガス（ＡｓＨ３）を流しながら１０分間熱クリーニングを行った。この熱クリーニングは基板表面の酸化膜、及び不純物除去を目的とする。その後基板温度を保持したまま、水素で希釈したトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を反応炉内に流し、ＧａＡｓバッファ層を約５００ｎｍ程度成長させた。次に、アルシンガス（ＡｓＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を同時に流し、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層を約１００ｎｍ程度成長させた。このとき、ＧａＡｓバッファ層側の５０ｎｍは、Ｉｎ混昌比が０〜０．２の傾斜層とした。これはＧａＡｓバッファ層とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層の界面に転位が発生することを防止するためである。最後にアルシンガス（ＡｓＨ３）とトリメチルインジウム（ＴＭＩ）のみを流し、ＩｎＡｓ層３分子層相当を成長させた。成長完了後はアルシンガス（ＡｓＨ３）以外のガスラインを全て封じ、基板温度が４００℃を下回るのを待ってからアルシンガス（ＡｓＨ３）のガスラインも封じ、基板温度が１００℃程度まで下がるのを待ってから取り出した。
【００３６】
このサンプル表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、図２に示すような配置でＩｎＡｓドット、若しくはＩｎＡｓ細線と思われる微細構造が確認された。これらの微細構造は、幅が１μｍの領域に束となって成長していた。
【００３７】
なお、ＩｎＡｓ層を成長しない試料を上記条件で作製し走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、このような微細構造と思われる立体構造が確認されなかったことから、上記にて観察した微細構造は、ＩｎＡｓからなる３次元構造であると考えてよい。
【実施例２】
【００３８】
次に実施例１で成長したＩｎＧａＡｓ成長層のＩｎ組成を０、０．６、０．８として成長を行った。Ｉｎ組成を０．４、０．６と高くするに従って、図３に示すように、ＩｎＡｓ層と思われるドットの成長領域は狭まる傾向を見せた。これは、Ｉｎ組成が高まるにつれて、偏析するＩｎの絶対量が多くなったためと考えられる。しかし、Ｉｎ組成０．８ではＩｎＧａＡｓ成長層の表面は、凹凸の激しいモフォロジーを示すようになった。これはＩｎＧａＡｓ成長層のＩｎ組成が高くなったことで、ＧａＡｓ結晶との格子不整合量が増加し、２次元成長モードではなく３次元成長モード（ＳＫ成長モード）に移行しかけた成長モードと捕らえることができる。このことから、実施例１で成長したＩｎＧａＡｓ成長層のＩｎ組成を０．１〜０．６程度に制御することが最適であると考えられる。
【００３９】
以上、本発明によれば、これまでＧａＡｓ（００１）基板上に無秩序に形成されていたＩｎＡｓ量子構造を結晶成長技術によって基板上に配置することが可能となった。また、この配置は、リソグラフィー等の手間をかけることなく、結晶成長技術のみによって可能とした。また、ＩｎＡｓ層の成長量を制御することによってＩｎＡｓ量子細線や量子ドットを成長させることが可能となった。さらに微細構造の作製上、量子ドットのような０次元空間にキャリアを封じ込める場合に望ましい構造条件である、その大きさが１０〜５０ｎｍ、配置間隔が１０〜２０ｎｍ程度のオーダー、また量子細線のような１次元空間にキャリアを閉じ込める構造の場合に、細線の幅が５０ｎｍ以下であることを満たすことが可能となった。また、ＳＫ成長モードによる作製では、量子ドットのサイズの不均一性が大きな問題として指摘されていたが、均一化が促進された。
本発明の半導体装置等によって、現在利用されているデバイスよりも高速動作が可能な半導体デバイスを提供し得るものとして、産業界にその利用価値が一層高まるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の半導体装置の構造断面図である。
【図２】ＩｎＧａＡｓ成長層にＩｎＡｓ層を３分子層相当成長させたときの平面図である。
【図３】ＩｎＡｓドットの帯状幅とＩｎＧａＡｓ成長層のＩｎ組成の関係図である。
【図４】従来技術（特許文献１）の半導体装置の斜視図である。
【図５】従来技術（特許文献２）の半導体装置の構造断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    半導体装置
１０    ＧａＡｓ（００１）ｊｕｓｔ基板
２０    単結晶のＧａＡｓバッファ層
３０    ＩｎＧａＡｓ成長層
４０    Ｉｎ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層
５０    Ｇａ‐ｒｉｃｈなＩｎＧａＡｓ成長層
６０    ＩｎＡｓ層（ＩｎＡｓ量子ドット若しくはＩｎＡｓ量子細線）
９０    ＩｎＡｓ層（ＩｎＡｓ量子ドット若しくはＩｎＡｓ量子細線）
１００    ＩｎＧａＡｓ成長層表面
【図１】
2006108440.tif 000003
【図２】
2006108440.tif 000004
【図３】
2006108440.tif 000005
【図４】
2006108440.tif 000006
【図５】
2006108440.tif 000007