(57)【要約】【課題】  均一な量子ドットを備える半導体デバイスを提供する。【解決手段】  半導体デバイス１０は、半導体基板１と、複数の量子ドット２，２，２，・・・とを備える。半導体基板１は、単結晶シリコンからなり、厚さは約３００μｍである。複数の量子ドット２，２，２，・・・は、結晶相からなり、半導体基板１の一主面１Ａに形成される。複数の量子ドット２，２，２，・・・の各々は、シリコンゲルマニウムからなる。そして、各量子ドット２は、直径ｒ及び高さｈは、約５ｎｍである。複数の量子ドット２，２，２，・・・は、単結晶シリコンにゲルマニウムイオンをイオン注入して単結晶シリコンの一部をアモルファス化し、そのアモルファス化された領域の複数のポイントに電子ビームを照射して結晶成長される。【選択図】        図１
2005203441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶相からなる半導体基板の材料と異なる材料からなる複数の量子ドットを前記半導体基板の一主面に形成する半導体デバイスの製造方法であって、
前記半導体基板の構成元素と異なる元素を前記半導体基板にイオン注入して前記半導体基板の一主面側を所定の厚さにわたって非晶質化する第１のステップと、
前記第１のステップにおいて形成された非晶質領域に部分的に電子ビームを照射して前記非晶質領域に結晶相からなる複数の量子ドットを形成する第２のステップと、
前記複数の量子ドット以外の非晶質領域を除去する第３のステップとを含む半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記第３のステップの後、前記結晶成長された複数の量子ドットに前記電子ビームを照射して前記複数の量子ドット内の欠陥を低減する第４のステップをさらに含む、請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記第３のステップの後、前記結晶成長された複数の量子ドットを有する前記半導体基板を加熱し、前記複数の量子ドット内の欠陥を低減する第４のステップをさらに含む、請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記第３または第４のステップの後、前記複数の量子ドットが形成された前記半導体基板の表面にカバー膜を形成する第５のステップをさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記複数の量子ドットの各々は、前記半導体基板を構成する元素のうちの少なくとも１つの元素を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記半導体基板は、単結晶シリコン基板であり、
前記所定の元素は、ゲルマニウムであり、
前記量子ドットは、シリコンゲルマニウムからなる、請求項５に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
結晶相からなる半導体基板と、
前記半導体基板の一主面側に形成され、結晶相からなる複数の量子ドットとを備え、
前記半導体基板は、第１の元素からなる単結晶の半導体基板であり、
前記量子ドットは、前記第１の元素と、前記第１の元素と異なる第２の元素とからなる、半導体デバイス。
【請求項８】
前記量子ドットにおける前記第２の元素の含有量は、前記第１の元素の含有量よりも多い、請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記半導体基板は、単結晶シリコン基板であり、
前記量子ドットは、シリコンゲルマニウムである、請求項７または請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記半導体基板は、ガリウムヒ素基板であり、
前記量子ドットは、インジウムヒ素である、請求項７または請求項８に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の量子ドットを含む半導体デバイスおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノデバイスとして量子ドットが大きな注目を集めている。この量子ドットは、単結晶シリコン基板上に形成される。そして、この量子ドットは、単結晶シリコン基板の一主面に化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により１０ｎｍ程度の単結晶シリコン層を形成し、その形成した単結晶シリコン層を電子線リソグラフィーによりエッチングして作製される（非特許文献１）。
【０００３】
即ち、半導体基板の材料と同じ材料からなる量子ドットが半導体基板上に形成される。
【非特許文献１】”量子ドット−量子ドット作成−トップダウンとボトムアップの２つのアプローチ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、［２００３年１０月２０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ｊｐ／ｋａｉｔａｉ／ｑｄｏｔ／３．ｈｔｍ＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来は、均一なドットを精度良く作製することが困難であるという問題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、均一な量子ドットを備える半導体デバイスを提供することである。
【０００６】
また、この発明の別の目的は、均一な量子ドットを備える半導体デバイスの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明によれば、半導体デバイスの製造方法は、結晶相からなる半導体基板の材料と異なる材料からなる複数の量子ドットを半導体基板の一主面に形成する半導体デバイスの製造方法であって、半導体基板の構成元素と異なる元素を半導体基板にイオン注入して半導体基板の一主面側を所定の厚さにわたって非晶質化する第１のステップと、第１のステップにおいて形成された非晶質領域に部分的に電子ビームを照射して非晶質領域に結晶相からなる複数の量子ドットを形成する第２のステップと、複数の量子ドット以外の非晶質領域を除去する第３のステップとを含む半導体デバイスの製造方法である。
【０００８】
好ましくは、半導体デバイスの製造方法は、第３のステップの後、結晶成長された複数の量子ドットに電子ビームを照射して複数の量子ドット内の欠陥を低減する第４のステップをさらに含む。
【０００９】
好ましくは、半導体デバイスの製造方法は、第３のステップの後、結晶成長された複数の量子ドットを有する半導体基板を加熱し、複数の量子ドット内の欠陥を低減する第４のステップをさらに含む。
【００１０】
好ましくは、半導体デバイスの製造方法は、第３または第４のステップの後、複数の量子ドットが形成された半導体基板の表面にカバー膜を形成する第５のステップをさらに含む。
【００１１】
好ましくは、複数の量子ドットの各々は、半導体基板を構成する元素のうちの少なくとも１つの元素を含む。
【００１２】
好ましくは、半導体基板は、単結晶シリコン基板である。所定の元素は、ゲルマニウムである。量子ドットは、シリコンゲルマニウムからなる。
【００１３】
また、この発明によれば、半導体デバイスは、半導体基板と、複数の量子ドットとを備える。半導体基板は、結晶相からなる。複数の量子ドットは、半導体基板の一主面側に形成され、結晶相からなる。そして、半導体基板は、第１の元素からなる単結晶の半導体基板である。また、量子ドットは、第１の元素と、第１の元素と異なる第２の元素とからなる。
【００１４】
好ましくは、量子ドットにおける第２の元素の含有量は、第１の元素の含有量よりも多い。
【００１５】
好ましくは、半導体基板は、単結晶シリコン基板である。量子ドットは、シリコンゲルマニウムである。
【００１６】
好ましくは、半導体基板は、ガリウムヒ素基板である。また、量子ドットは、インジウムヒ素である。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、半導体デバイスは、非晶質化された半導体基板の表面に電子ビームを部分的に照射して結晶成長された複数の量子ドットを半導体基板の一主面に備える。
【００１８】
従って、この発明によれば、均一な複数のドットを半導体基板の一主面に備える半導体デバイスを作製できる。
【００１９】
また、この発明によれば、半導体デバイスの製造方法は、半導体基板の一部をイオン注入により非晶質化し、その非晶質化した領域の複数のポイントに電子ビームを照射して複数の量子ドットを結晶成長させる。
【００２０】
従って、この発明によれば、均一な複数の量子ドットを半導体基板の一主面に作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明を繰返さない。
【００２２】
図１は、この発明の実施の形態による半導体デバイスの斜視図である。この発明による半導体デバイス１０は、半導体基板１と、複数の量子ドット２，２，・・・とを備える。半導体基板１は、単結晶シリコンからなり、厚さは、約３００μｍである。複数の量子ドット２，２，・・・は、半導体基板１の一主面１Ａに後述する方法によって形成される。
【００２３】
そして、複数の量子ドット２，２，・・・の各々は、結晶相からなるシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）により構成される。各量子ドットにおいて、ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量は、シリコン（Ｓｉ）の含有量よりも多い。各量子ドット２の直径ｒは、５ｎｍ程度であり、高さｈも、５ｎｍであり、ドット間のピッチは、１０ｎｍ程度である。複数の量子ドット２，２，２，・・・は、例えば、半導体基板１の一主面１Ａに碁盤目状に形成される。
【００２４】
このように、半導体デバイス１０は、半導体基板１の材料（Ｓｉ）と異なる材料（ＳｉＧｅ）からなる量子ドット２を半導体基板１上に形成したことを特徴とする。
【００２５】
図２は、図１に示す半導体デバイス１０を製造する工程図である。半導体デバイス１０を製造する工程が開始されると、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）からなる半導体基板１の一主面１Ａ側から基板表面にゲルマニウムイオン（Ｇｅ＋）がイオン注入される（図２の（ａ）参照）。イオン注入条件は、ゲルマニウムイオンのドーズ量が１×１０16個／ｃｍ２であり、加速電圧が３０ｋｅＶであり、温度が室温である。このイオン注入によって半導体基板１の一主面１Ａ側全面がアモルファス化され、深さが約１００ｎｍのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層３が形成される（図２の（ｂ）参照）。
【００２６】
続いて、電子ビーム（ｅ−）がアモルファスシリコン層３に照射される。電子ビームの照射条件は、ドーズ量が５００ｐＡ／ｃｍ２であり、加速電圧が５０ｋｅＶであり、温度が室温である。そして、電子ビームは、アモルファスシリコン層３の複数のポイント（基本的には碁盤目状）に所定の時間ずつ照射される。これにより、アモルファスシリコン層３中に複数のドット４，４，４，・・・が碁盤目状に形成される（図２の（ｃ）参照）。この時の電子ビームの照射時間については後述する。
【００２７】
即ち、電子ビームをアモルファスシリコン層３の一部に照射することにより、電子ビームが照射された領域は、アニールされ、半導体基板１（単結晶シリコンからなる）とアモルファスシリコン層３との界面５から膜厚方向ＤＲ１に結晶化される。その結果、結晶相からなる複数のドット４，４，４，・・・が形成される。つまり、電子ビームの照射によって固相成長が半導体基板１とアモルファスシリコン層３との界面５からアモルファスシリコン層３側に起こり、アモルファスシリコン層３内に結晶相からなる複数のドット４，４，４，・・・が形成される。
【００２８】
その後、複数のドット４，４，４，・・・以外のアモルファスシリコン層３をフッ酸（ＨＦ）をエッチャントとして除去し、半導体基板１の一主面１Ａに複数の量子ドット２，２，２，・・・を碁盤目状に形成する（図２の（ｄ）参照）。
【００２９】
そして、複数のドット２，２，２，・・・の各々に電子ビームが照射される（図２の（ｄ）参照）。これによって、複数のドット２，２，２，・・・の各々において、固相成長によりドット２の内部に形成された欠陥がドットの表面層へ移動し、ドット２内部の欠陥が低減される。この場合、電子ビームは、ドット２およびドット２を含む基板全体を一様に照射されてもよい。
【００３０】
その後、複数のドット２，２，・・・を覆うようにカバー膜が半導体基板１の一主面１Ａ側に形成され、半導体デバイス１０が作製される。この場合、カバー膜は、半導体基板１を構成する元素であるシリコン（Ｓｉ）からなる。そして、カバー膜は、例えば、分子線エピタキシー成長法によって形成される。また、カバー膜の厚さは、ドット２の表面を完全に覆うために十分な厚さが必要であり、例えば、ドット２の高さが５ｎｍ程度の場合、カバー膜は１０ｎｍ程度以上の膜厚を有する。
【００３１】
このように、複数のドット２，２，・・・の表面をカバー膜によって覆うことによって、複数のドット２，２，・・・を形成した後のプロセスにおいて複数のドット２，２，・・・が空気中に暴露されても、複数のドット２，２，・・・の表面が汚れるのを防止できる。
【００３２】
そして、カバー膜は、半導体基板１を構成する材料と同じ材料から構成するのがよい。カバー膜を半導体基板１を構成する材料と異なる材料で構成すると、ドット２を構成する材料が半導体基板１を構成する材料と異なるので、カバー膜とドット２との間で材料の違いが不鮮明になり、電子のドット２への参集効率が低下する可能性があるからである。
【００３３】
上記においては、複数のドット２，２，・・・に電子ビームを照射してドット２内の欠陥を低減すると説明したが、この発明においては、複数のドット２，２，・・・が形成された半導体基板１を１００〜８００℃の温度で、１時間程度、熱アニールすることによってドット２内の欠陥を低減してもよい。
【００３４】
図２に示す工程においては、電子ビームを照射して複数のドット４，４，４，・・・を結晶成長させるので、ナノサイズのドットを高密度に作製できる。また、単結晶シリコンからなる半導体基板１の一部を半導体基板１の構成元素であるシリコン（Ｓｉ）と異なるゲルマニウム（Ｇｅ）によってイオン注入してアモルファス化し、そのアモルファス化に用いたゲルマニウム（Ｇｅ）を用いて複数の量子ドット２，２，２，・・・を形成するので、半導体基板１の材料と異なる材料からなる複数の量子ドットを容易に半導体基板１上に作製できる。
【００３５】
さらに、半導体基板１の一主面側を非晶質化し、その非晶質化した領域に電子ビームを照射して複数のドット２，２，・・・を形成するので、複数のドット２，２，・・・と半導体基板１との界面５は、半導体基板１中に形成される。したがって、電子に対する障壁層は、半導体基板１と各ドット２との界面５に存在せず、複数のドット２，２，・・・に電子を閉じ込め易くなる。また、半導体基板
１と複数のドット２，２，・・・との結合力を強くできる。
【００３６】
さらに、半導体基板１の一主面側を非晶質化し、その非晶質化した領域に電子ビームを照射して複数のドット２，２，・・・を形成するので、半導体基板１の任意の場所に任意のサイズのドット２を均一に作製できる。
【００３７】
図３は、電子ビームの照射時間による結晶成長の違いを示す模式図である。なお、図３において、界面５は、ゲルマニウムイオンをイオン注入したときの半導体基板１とアモルファスシリコン層３との境界を示す線である。
【００３８】
領域６〜９の各々は、電子ビームの照射によって結晶成長した領域である。そして、領域６〜９における電子ビームの照射時間は、それぞれ、１００μｓｅｃ，２００μｓｅｃ，３００μｓｅｃ，４００μｓｅｃである。
【００３９】
電子ビームの照射時間が長くなるに従って半導体基板１とアモルファスシリコン層３との界面５から膜厚方向ＤＲ１へ結晶成長する長さＬ１〜Ｌ４は、長くなる。そして、電子ビームの照射時間が３００μｓｅｃ，４００μｓｅｃの場合にドット形状の結晶層（領域８，９）が形成される。
【００４０】
従って、図２に示す工程（ｂ）においては、電子ビームを３００μｓｅｃ以上照射する。これにより、断面形状が略柱状形状からなる高さが約５ｎｍ以上のドットが形成される。
【００４１】
図４は、電子ビームの照射によって結晶成長したドットの拡大断面模式図である。電子ビームの照射によって結晶成長したドット４は、内部に欠陥１２を含む（図４の（ａ）参照）。この状態で、ドット４，４，・・・に電子ビームを照射すると、内部に形成された欠陥１２は、ドット４の頂上面４１及び側面４２，４３へ移動し、内部に欠陥１２が存在しない量子ドット２，２，・・・が形成される（図４の（ｂ）参照）。このように、電子ビームを用いた固相成長によって結晶成長したドット４の頂上面４１及び側面４２，４３は、内部の欠陥１２が蓄積され易い領域である。
【００４２】
従って、半導体デバイス１０の製造工程においては、図２の（ｄ）の工程に示すようにドット２が形成された後に、ドット２に電子ビームを照射して内部に欠陥１２が存在しない量子ドット２を作製することにしたものである。
【００４３】
上述した方法によって作製した複数の量子ドット２，２，２，・・・を備える半導体デバイス１０は、半導体レーザおよび検出器等の各種の光デバイスに応用可能である。半導体デバイス１０は、半導体基板１の一主面１Ａに均一に形成された複数のドット２，２，・・・を含むので、半導体デバイス１０を備える各種の光デバイスの特性を均一化できる。また、半導体デバイス１０の複数のドット２，２，・・・と半導体基板１との界面５には、電子に対する障壁が存在しないので、電子をドット２内に閉じ込め易くなり、半導体デバイス１０を備える各種の光デバイスの特性を向上できる。
【００４４】
上記においては、複数のドット２，２，２，・・・は、半導体基板１の一主面１Ａに碁盤目状に形成されると説明したが、この発明は、複数の量子ドット２，２，２，・・・は、碁盤目状以外の形状に配置されてもよく、ランダムに配置されてもよい。
【００４５】
また、上記においては、単結晶シリコンからなる半導体基板１上にシリコンゲルマニウムからなる複数の量子ドットを形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる半導体基板の一主面にインジウムヒ素（ＩｎＡｓ）からなる複数の量子ドットを作製するようにしてもよい。この場合、ガリウムヒ素にインジウムをイオン注入してガリウムヒ素の一部をアモルファス化し、そのアモルファス化した領域に電子ビームを照射してインジウムヒ素からなる複数のドットを結晶成長させる。その後、複数のドットに電子ビームを照射してドット内部の欠陥を低減し、複数のドット以外のアモルファス領域を除去する。
【００４６】
そして、この発明においては、一般的には、半導体基板の材料と異なる材料からなる複数の量子ドットであれば、どのような複数のドットでも半導体基板の一主面に形成することができる。
【００４７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
この発明は、均一な量子ドットを備える半導体デバイスに適用される。また、この発明は、均一な量子ドットを備える半導体デバイスの製造方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の実施の形態による半導体デバイスの斜視図である。
【図２】図１に示す半導体デバイス１０を製造する工程図である。
【図３】電子ビームの照射時間による結晶成長の違いを示す模式図である。
【図４】電子ビームの照射によって結晶成長したドットの拡大断面模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  半導体基板、１Ａ  一主面、２  量子ドット、３  アモルファスシリコン層、４  ドット、５  界面、６〜９  領域、１０  半導体デバイス、１２  欠陥、４１  頂上面、４２，４３  側面。
【図１】
2005203441.tif 000003
【図２】
2005203441.tif 000004
【図３】
2005203441.tif 000005
【図４】
2005203441.tif 000006