(57)【要約】【課題】少ない工程数により、量子箱や量子細線を含む化合物半導体の微細な構造を提供すること。【解決手段】半導体基板１に上にエピタキシャル層２を成長し、同一エピタキシャル成長装置内で２上の被覆率が１に満たない粒状、帯状あるいは膜状の金属マスク３を析出させ、金属マスク３に覆われていないエピタキシャル層２上に更に２次エピタキシャル層４を成長させることにより、化合物半導体構造を構成する。２次エピタキシャル層４の成長中に組成を変化させバンドギャップの狭い化合物半導体層５を２次エピタキシャル層４中に形成することにより、量子箱や量子細線を含む化合物半導体構造を構成する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
該半導体基板上にエピタキシャル成長により形成された化合物半導体からなるエピタキシャル層と、
該エピタキシャル層上に形成された膜状、帯状、島状あるいは粒状の金属マスクと、
前記金属マスクにより覆われていない部分からエピタキシャル成長により形成された化合物半導体からなる２次エピタキシャル層と、
を有することを特徴とする化合物半導体構造。
【請求項２】
前記半導体基板は、（００１）面より０．５度以上５度以下の傾斜を持つ面を表面とする半導体基板であり、前記金属マスクおよび前記２次エピタキシャル層の形状に異方性を持たせたことを特徴とする請求項１記載の化合物半導体構造。
【請求項３】
前記２次エピタキシャル層の中に、バンドギャップの狭い化合物半導体層を有することを特徴とする請求項１又は２記載の化合物半導体構造。
【請求項４】
前記金属マスクはアンチモンからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の化合物半導体構造。
【請求項５】
前記金属マスクはアルミニウムからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の化合物半導体構造。
【請求項６】
半導体基板に上にエピタキシャル層を形成し、同一エピタキシャル成長装置内で該エピタキシャル層上に被覆率が１に満たない粒状、帯状あるいは膜状の金属マスクを折出させ、次いで、前記エピタキシャル層上の該金属マスタに覆われていない部分に更に他のエピタキシャル層を形成することを特徴とする化合物半導体構造の製造方法。
【請求項７】
前記他のエピタキシャル層の形成中に組成を変化させてバンドギャップの狭い化合物半導体層を該２次のエピタキシャル層中に形成することにより、量子箱や壁子細線を含む化合物半導体構造を形成することを特徴とする請求項６記載の化合物半導体構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、発光デバイス、受光デバイス、超高速電子デバイスに好適に用いられる化合物半導体構造及びその製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平８−６４５２８号公報
【特許文献２】特開平９−１７１９６３号公報
【特許文献３】特開平１０−５０９７８号公報
【非特許文献１】Ｍ．  Ｋａｓｕ  ａｎｄ  Ｔ．  Ｆｕｋｕｉ  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．３１（１９９２）Ｌ８６４
ＧａＡｓやＩｎＰに代表される化合物半導体は、その優れた物性により、発光デバイス、受光デバイス、電子デバイス等に幅広く利用されている。化合物半導体を用いたデバイスの多くは、半導体基板上にエピタキシャル成長させた化合物半導体をデバイスの特性を決める  層として用いており、エピタキシャル成長中に半導体の組成や不純物濃度を幅広い範囲で変化させることができることが、化合物半導体のデバイス応用範囲を広げている。
【０００３】
バンドギャップの狭い化合物半導体の薄膜をバンドギャップの広い化合物半導体ではさ  んだ構造を作製すると、半導体中の電子はその薄膜中に閉じ込められ、電子の移動は面内に制約される。このような構造を量子井戸構造と称する。量子井戸構造中の電子は強く局在しているため、ホールとの再結合の効率が良く、高い発光効率が得られる。このような量子井戸構造の特性は、量子井戸レーザーとして応用されている。
【０００４】
バンドギャップの狭い化合物半導体とバンドギャップの広い化合物半導体をヘテロ接合  させ、不純物のドープにより構造内に電界を持つ構造を作製することにより、バンドギャップの狭い半導体内の接合界面付近に電子を局在させることができる。このような電子は２次元電子と称される。不純物が少なく電子移動度の大きな半導体中に２次元電子が在在するように構造を作製することができ、高移動度トランジスタとして応用されている。
【０００５】
上述の半導体構造においては、電子は面に束縛され、２次元の移動の自由度がある。電子の束縛に異方性を持たせ、電子の移動の自由度を１次元とすると、電子が局在する効果が量子井戸構造より強まるなど、新たな特性が生まれる。１次元に電子を束縛する構造を量子細線構造と称する。電子とホールの再結合効率が向上することを狙った量子細線レーザーが検討されている他、電子の移動が一次元であることを用いた電子デバイスの検討も行われている。
【０００６】
量子細線構造の作成にあたっては、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーを用いて微細加工を行うことが多い。半導体基板上にエピタキシャル成長が生じないストライプ状のマスクを形成してマスク以外の領域にエピタキシャル成長を行う方法、半導体基板にストライプ状の溝を形成して溝内にバンドギャップの狭い半導体を成長させる方法、エピタキシャル成長により量子井戸構造を作製しておき量子細線とする領域以外をエッチングで除去する方法、等により、量子細線構造が作成される。（００１）面から僅かに傾斜したＧａＡｓ基板上にＧａＡｓをエピタキシャル成長すると、原子レベルで平坦な幅広いテラスと等間隔の高いステップが形成されることが知られている。
【非特許文献１】このような表面上にバンドギャップが異なる化合物半導体を成長させるとテラス上とステップの近傍では成長速度が異なるため、ステップの近傍に量子細線を作成することができる。
【０００７】
量子細線構造によるものよりさらに電子の移動に制限を加え、点状の極めて狭い領域に電子を束縛する構造が検討されている。このような構造を量子箱構造と称する。量子箱構造では電子の束縛効果が量子井戸構造や量子細線構造より顕著に現れるため、新たな特性が生じ、新たな応用例が展開していくことが期待されている。
【０００８】
バンドギャップの広い化合物半導体中にバンドギャッブの狭い化合物半導体の微小な領域を形成することにより、量子井戸構造が実現する。その作製の方法には、半導体基板表面に形成したエピタキシャル成長を阻害するマスクにフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーを用いて微細な穴を開け微小な領域にのみエピタキシャル成長を行う方法、ＧａＡｓのＩｎＡｓなど格子定数の異なる化合物半導体をエピタキシャル成長させると限界膜厚を超えた半導体が粒子状に成長するので、その粒子を量子井戸とする方法
【特許文献１】、半導体基板に予め浅い窪みを規則的に形成しておき窪みの中にバンドギャップの狭い化合物半導体を成長する方法
【特許文献２】、（ｎ１１）Ｂ面などの特殊な面方位を有する化合物半導体基板を用いてエピタキシャル成長を行い、面方位により出現する特性を活かして規則的に量子井戸を配列する方法
【特許文献３】、などがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
化合物半導体を用いたデバイスに要求される機能が高くなることに伴い、前述の量子細線構造や量子井戸構造を含む、微細な化合物半導体構造を作製することが求められている。
【００１０】
微細構造作製のためにリソグラフィーを用いることは、工程数を増やすために作製コス  トの上昇を招く。さらにエッチング工程において半導体表面に生じるダメージやエッチングし切れなかった領域が、微細な構造の特性に悪影響を及ぼし、再現性や歩留まりの低下を招くことが多い。工程数の低減のためにも構造の特性の向上のためにも、単一の装置で構造の作製を行うことが求められている。
【００１１】
特許文献１に記載されたようなリソグラフィーを用いない量子箱の形成法においては、２つの化合物半導体間で大きな格子定数を持つことが要求される。このような条件下では量子箱の近傍で格子定数差による格子欠陥が生じることが避けられず、格子欠陥による機能の低下が生じることが避けられない。
【００１２】
本発明は、少ない工程数により製造可能な量子箱や量子細線を含む微細な化合物半導体構造を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明は、少ない工程で量子箱や量子細線を含む微細な化合物半導体構造を製造することが可能な化合物半導体構造の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、エピタキシャル成長装置内で作製した金属膜をマスクとして含む構造を発明した。
【００１５】
本発明の化合物半導体構造は、半導体基板と、
該半導体基板上にエピタキシャル成長により形成された化合物半導体からなるエピタキシャル層と、
該エピタキシャル層上に形成された膜状、帯状、島状あるいは粒状の金属マスクと、
前記金属マスクにより覆われていない部分からエピタキシャル成長により形成された化合物半導体からなる２次エピタキシャル層と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の化合物半導体構造の製造方法は、化合物半導体基板に上にエピタキシャル層を形成し、同一エピタキシャル成長装置内で該エピタキシャル層上に被覆率が１に満たない粒状、帯状あるいは膜状の金属マスクを折出させ、次いで、前記エピタキシャル層上の該金属マスタに覆われていない部分に更に他のエピタキシャル層を形成することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
多くの金属面上では原料ガスの分解が抑制される、あるいは原料が付着しないといった原理により、化合物半導体がエピタキシャル成長しないため、金属膜をマスクとして用いることができる。本発明ではエピタキシャル成長装置内で作製した膜状あるいは粒状の金属をマスクとして用いることにより、化合物半導体の微細な構造の作製を行った。
【００１８】
適切な融点の金属を選択すればエピタキシャル成長温度において金属は液体で存存する。ＡｌＡｓ等アルミニウムを含む化合物半導体上にアンチモンを供給した場合には、アンチモンは表面に親和せず粒状に析出することを発見した。粒の大きさと間隔は半導体表面での金属の拡散速度と再蒸発速度で決定されるため、均一でほぼ等間隔に配列した金属アンチモン粒が形成される。非特許文献１に記載されたような高いステップを持つ面にアンチモンを供給した場合には、ステップ近傍に帯状に金属アンチモンが析出することも発見した。
【００１９】
これらの金属アンチモンがエピタキシャル成長においてマスクとして機能し、微細構造の作製が可能となることは本発明により初めて確認されたものである。
【００２０】
アルミニウムなどの融点がエピタキシャル成長温度より高い金属の膜も、エピタキシャ  ル成長装置で作製することができる。これらの金属は化合物半導体上に膜状に成長するが、  金属の原料となるガスあるいは金属原子が半導体表面である程度の拡散距離を持つため、金属供給開始より（１）ほぼ等間隔の島状の薄膜形成（２）それぞれの島の面積の増大（３）島が合一して穴の開いた膜状となる（４）それぞれの穴の面積の縮小（５）穴が消滅し被覆率が１となる（６）金属膜の厚さの増大、という過程を辿る。過程（１）の島状薄膜の間隔は成長温度などの条件により制御できる。過程（５）に至る前の金属の島状膜あるいは穴の開いた膜はエピタキシャル成長においてマスクとして機能し、微細構造の作製を可能とする。これらの事実も本発明により初めて確認されたものである。
【００２１】
金属マスクに被覆されていない領域に選択的にエピタキシャル成長が生じるために、半導体の微細な構造が作製できる。金属マスク形成後のエピタキシャル成長においては、半導体の組成に制約がなく、成長中に組成を変化させることにより、微細な構造を作成する  ことができる。格子定数がほぼ等しい半導体の組み合わせ、例えばＡｌＧａＡｓ中にＧａＡｓを成長させる、ＩｎＰ中にＩｎＧａＡｓを成長させる、によって量子細線や量子箱構造を作製することができ、量子細線や量子箱の近傍での格子不整合に上る欠陥を回避させることができる。
【００２２】
マスクとして用いた金属が化合物半導体中に混入し、機能に影響を与えることが危惧される。半導体への金属の混入は、成長装置内に残存する金属原料ガスからの混入や半導体と金属界面からの固相内拡散によって生じる。亜鉛等の２価の金属はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ではアクセプタ準位を形成しｐ型不純物として振舞う。また、ＧａＡｓのクロムやＩｎＰ中の鉄は深い準位を形成し、半導体を高抵抗にする。このような不純物はｐｐｍの濃度によって影響が出るので、混入は厳しく避けなくてはなない。ＩＩＩ族あるいはＶ族に属する金属をマスク材料として選択した場合には、マスク周辺の半導体に金属が混入したとしても不純物準位を形成することは無い。混入の影響はバンドギャップが変化することであり、１％混入したとしてもその影響は無視し得るものである。マスクの材料としては、ＩＩＩ族あるいはＶ族に属する金属が望ましい。
【００２３】
【実施例】
有機金属を用いた気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）および分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により化合物半導体構造の作製を行った。
【００２４】
ＭＯＣＶＤ法においては、水素ガスをキャリアガスとし、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ１）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジュウム（ＴＭＩｎ）を、Ｐ、Ａｓの原料にはフォスフィン、アルシンを、Ｓｂの原料にはトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いた。
【００２５】
ＭＢＥ法においては、単体の金属およびリンと砒素をＫセルにより加熱して原料とした。
【００２６】
半導体基板１上にエピタキシャル層２を成長し、同一エピタキシャル成長装置内で原料を切り替えて、金属マスク３を形成する。金属マスク３の形成後にエピタキシャル成長原料を供給し、２次エピタキシャル層４を成長した。２次エピタキシャル層４の成長中に組成を変化させ、２次エピタキシャル層４よりバンドギャップの狭い化合物半導体層５を成長した構造も作製した。
【００２７】
（実施例１）
ＭＯＣＶＤ法により、半導体基板１としてＧａＡｓ、ＩｎＰを用い、エピタキシャル層２としてＡｌＡｓ、金属マスク３としてアンチモンを用いた構造を作製した。ＩｎＰ基板を用いた場合で２次エピタキシャル層４をＩｎＧａＡｓとした場合の表面を原子間力顕微鏡で観察した結果を図１に示す。また、この構造の模式図を図２に示す。図に示すように、ほぼ均一な大きさのピラミッド状の構造が形成されている。
【００２８】
ＧａＡｓ基板を用いた場合で２次エピタキシャル層４をＧａＡｓとした場合にも、図１に示したものと同様な構造が得られた。なお、２次エピタキシャル層４をＡｌＧａＡｓとした場合にも、同様な構造が得られた。
【００２９】
ＧａＡｓ基板を用いてエピタキシャル層２および２次エピタキシャル層４をＧａＡｓとした場合、ＩｎＰ基板を用いてエピタキシャル層２およびエピタキシャル層４をＩｎＰとした場合にも、図１に示したものと同様な構造が得られたが、２次エピタキシャル層４の構造の均一性がやや劣っていた。これはＧａＡｓやＩｎＰの表面では金属アンチモンが濡れた状態で存在し得るため、金属マスク３の形成が不完全な部分が生じるためと考えられる。
【００３０】
（実施例２）
半導体基板１としてＧａＡｓ、ＩｎＰを用い、エピタキシャル層２としてＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、金属マスク３としてアルミニウムを用いた構造をＭＯＣＶＤ法により作製した。アルミニウムの表面被覆率が１に満たない条件においてアルミニウム膜の成長を停止し、２次エピタキシャル層４の成長を開始することによって、図１に示すものと同様な構造を得ることができた。エピタキシャル層２および２次エピタキシャル層４の組成によらず、同等の構造が得られた。アルミニウムは高融点であるため、エピタキシャル層２の組成によらず同様なマスクが形成されるためと考えられる。
【００３１】
（実施例３）
半導体基板１として（００１）面より０．５度から５度まで僅かに傾斜した面をもつＧａＡｓ基板を用い、エピタキシャル層２としてＡｌＡｓたはＧａＡｓ、金属マスク３としてアンチモン、２次エピタキシャル層４としてＧａＡｓ用いた構造をＭＯＣＶＤ法により作製した。
【００３２】
図３に示すように、尾根のような形状をもつ細線状の２次エピタキシャル層４が得られた。
【００３３】
なお、２次エピタキシャル層４をＡｌＧａＡｓとしても同様な構造が得られ、金属マスク３としてアルミニウムを用いても同様な構造が得られた。
【００３４】
半導体基板１として（００１）面より０．５度から５度まで僅かに傾斜した面をもつＩｎＰ基板を用い、エピタキシャル層２としてＡｌＡｓまたはＩｎＰ、金属マスク３としてアンチモン、２次エピタキシャル層４としてＩｎＰを用いた構造を作製した、この場合も図３に示すような形状のエピタキシャル層４が得られた。なお、２次エピタキシャル層４をＩｎＧａＡｓとしても同様な構造が得られ、金属マスク３としてアルミニウムを用いても同様な構造が得られた。
【００３５】
（実施例４）
実施例１で示した構造のうち、２次エピタキシャル層４の成長中に組成を変化させてバンドギャップの狭い化合物半導体層５を２次エピタキシャル層４中に含む構造を作製した。
【００３６】
２次エピタキシャル層４としてＩｎＧａＡｓおよびバンドギャップの狭い化合物半導体層５としてＩｎ組成が４より大きなＩｎＧａＡｓ、２次エピタキシャル層４としてＩｎＰおよびバンドギャップの狭い化合物半導体層層５としてＩｎＧａＡｓＰ、２次エピタキシャル層４としてＩｎＰおよびバンドギャップの狭い化合物半導体層５としてＩｎＧａＡｓＰ、２次エピタキシャル層４としてＡｌＧａＡｓおよびバンドギャップの狭い化合物半導体層５としてＧａＡｓの組み合わせとし、バンドギャップの狭い化合物半導体層５の層は図４に示すようにピラミッド構造の頂上付近に配置する構造とした。
【００３７】
表面の形状は実施例１とまったく同じであった。カソードルミネッセンス法により、発光特性を調べた結果、ピラミッド構造の頂上付近から強い発光が観測された。これにより電子がバンドギャップの狭い化合物半導体層５に効率的に閉じ込められていることが実証された。バンドギャップの狭い化合物半導体層５の領域をよりピラミッドの頂上に近づけ、小さくすることにより、発光波長が短くなることも観測された。これは電子の閉じ込めの効果が強くなり量子効果が顕著になったため、量子箱が形成されていることを示している。
【００３８】
実施例２に示したように、金属マスク３としてアルミニウムを使った場合にも、同様な構造が作製でき、同様な物性が出現することを確認した。
【００３９】
（実施例５）
実施例２で示した構造のうち、２次エピタキシャル層４の成長中に組成を変化させてバンドギャップの狭い化合物半導体層５を２次エピタキシャル層４中に含む構造を作製した。
【００４０】
２次エピタキシャル層４としてＩｎＧａＡｓおよびバンドギャップの狭い化合物半導体層５としてＩｎ組成が２次エピタキシャル層４より大きなＩｎＧａＡｓ、２次エピタキシャル層４としてＩｎＰおよびバンドギャップの狭い化合物半導体層５としてＩｎＧａＡｓ、２次エピタキシャル層４としてＩｎＰおよびバンドギャップの狭い化合物半導体層５としてＩｎＧａＡｓＰ、２次エピタキシャル層４としてＡｌＧａＡｓおよびバンドギャップの狭い化合物半導体層５としてＧａＡｓ組み合わせとし、バンドギャップの狭い化合物半導体層５の層は図５に示すように細線構造の頂上付近に配置する構造とした。
【００４１】
表面の形状は実施例３とまったく同じであった。カソードルミネッセンス法により、発光特性を調ベた結果、細線構造の頂上付近から強い発光が観測された。これにより電子がバンドギャップの狭い化合物半導体層５に効率的に閉じ込められていることが実証された。バンドギャップの狭い化合物半導体層５の領域をより細線の頂上に近づけ、小さくすることにより、発光波長が短くなることも観測された。これは電子の閉じ込めの効果が強くなり量子効果が顕著になったため、量子細線が形成されていることを示している。
【００４２】
実施例２に示したように、金属マスク３としてアルミニウムを使った場合にも、同様な構造が作製でき、同様な物性が出現することを確認した。
【００４３】
（実施例６）
ＭＢＥ法により、実施例１から実施例５に示した構造を作製した。ＭＯＣＶＤ法により作製した構造と同様な構造が得られた。実施例４および５に示した量子箱および量子細線構造においては、ＭＯＣＶＤ法で作成した構造と同様の電子の閉じ込め効果および量子効果が確認され、ＭＢＥ法によっても量子箱および量子細線構造が作成できることが実証された。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、少ない工程数により、量子箱や量子細線を含む化合物半導体の微細な構造を提供することが可能となる。
【００４５】
半導体基板は、（００１）面より０．５度以上５度以下の傾斜を持つ面を表面とする半導体基板とした場合には、２次エピタキシャル層として細線状のものを得ることが可能となる。
【００４６】
前記２次エピタキシャル層の中に、バンドギャップの狭い化合物半導体層を設けると、電子はバンドギャップの狭い化合物半導体層に効率的に閉じ込めることが可能となり、２次エピタキシャル層の頂上付近から強い発光を得ることができる。
【００４７】
前記金属マスクとしてアンチモンあるいはアルミニウムを用いると、被覆率が１以下の金属マスクを容易に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属粒上薄膜を利用した半導体構造を原子間力顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図２】図１に示した金属粒上薄膜を利用した半導体構造の模式図である。
【図３】微傾斜基板を用いて形成した金属帯状薄膜を利用した半導体構造の模式図である。
【図４】金属粒上薄膜を利用して作製した量子箱構造の模式図である。
【図５】微傾斜基板を用いて形成した金属帯状薄膜を利用して作製した量子細線構造の模式図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  エピタキシャル層
３  金属マスク
４  ２次エピタキシャル層
５  バンドギャップの狭い化合物半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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