【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、原子層成長を選択的に
実施することにより、半導体デバイス等を構成する量子
細線および量子箱を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体結晶中の電子の波長以下の大きさ
（数十ｎｍ程度）を有する微細構造いわゆる量子細線お
よび量子箱では、内部に閉じ込められた電子による量子
効果が現れることが知られており、このような現象を利
用した半導体デバイス等の開発が行われている。
【０００３】このような量子細線および量子箱を形成す
る方法としては、成長速度の面方位依存性を用いて結晶
成長を行うＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）による方
法が知られている。この方法では、化学的エッチング等
の基板加工によって基板上にＶ字状の凹部を形成するこ
と等により、結晶成長前に基板面に複数の面方位を出
し、この後ＭＯＶＰＥ成長によって所望の面に選択的に
薄膜を形成する。なお、ＭＯＶＰＥ成長では、例えばＧ
ａＡｓ膜を形成する場合、Ｇａを含む原料ガスとＡｓを
含む原料ガスを同時に供給して気相中で反応を生じさせ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のＭＯＶＰＥによる方法では、面方位に対する成
長速度の差をあまり大きくすることができず、理想的な
量子細線および量子箱を作成するような形状制御を行う
ことが困難であるという問題があった。また、ＭＯＶＰ
Ｅによる方法では、非結晶成長部位から結晶成長部位に
未反応の原料ガスが流れてくるため、特にこれらの部位
の境界部分において異常成長が生じ易く、その制御が困
難であるという問題もある。
【０００５】本発明は、かかる従来の事情に対処してな
されたもので、面方位による成長速度の差を大きくする
ことができるとともに異常成長の発生等がなく、従来に
較べて形状制御性を向上させることができ、良好な形状
の量子細線および量子箱を形成することのできる原子層
成長による量子細線および量子箱の形成方法を提供しよ
うとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１の原
子層成長による量子細線および量子箱の形成方法は、基
板上に断面Ｖ字状の凹部を形成して、当該基板表面に面
方位の異なる結晶面を露出させ、この後、それぞれ薄膜
を構成する異なった原料物質を含む少なくとも２種類の
原料ガスを所定の時間間隔を設けて交互に供給するとと
もに、成長温度を前記断面Ｖ字状の凹部内の所望の結晶
面にのみ選択的に原子層成長が行われる温度に設定し
て、所望の結晶面にのみ原子層成長により選択的に薄膜
を形成し、量子細線構造又は量子箱構造を形成すること
を特徴とする。また、請求項２の原子層成長による量子
細線および量子箱の形成方法は、基板上に断面矩形状の
凹部を形成して、当該基板表面に面方位の異なる結晶面
を露出させ、この後、それぞれ薄膜を構成する異なった
原料物質を含む少なくとも２種類の原料ガスを所定の時
間間隔を設けて交互に供給するとともに、成長温度を前
記断面矩形状の凹部内の所望の結晶面にのみ選択的に原
子層成長が行われる温度に設定して、所望の結晶面にの
み原子層成長により選択的に薄膜を形成し、量子細線構
造又は量子箱構造を形成することを特徴とする。また、
請求項３の原子層成長による量子細線および量子箱の形
成方法は、請求項１又は２において、前記薄膜がＧａＡ
ｓとＡｌＧａＡｓからなる積層構造であることを特徴と
する。
【０００７】
【作用】本発明者等は、例えば、ＧａＡｓ膜を形成する
場合、Ｇａを含む原料ガスとＡｓを含む原料ガスとを交
互に供給し、１原子層単位で薄膜を形成する原子層成長
（ＡＬＥ）に係る技術の研究を従来から行っており、こ
の結果次のような知見を得ることができた。
【０００８】すなわち、原子層成長においては、面方位
による化学結合手の数の違いに起因して、原子吸着（ま
たは吸着後の離脱）の面方位依存性があり、これを利用
することにより面方位に対する成長速度の差を大きくす
ることができ、結晶の面方位選択成長が可能となる。
【０００９】ここで、縦軸を結晶成長速度、横軸を成長
温度とした図２のグラフは、ＧａＡｓ−ＡＬＥ成長にお
ける成長温度に対する成長速度の面方位依存性を示した
ものである。同図に示すように、ＧａＡｓ（１００）面
で原子層成長が実現されている温度領域５３０〜５７０
℃において、５６０℃以上の温度では（１１１）Ａ面お
よび（１１０）面の成長速度がゼロになる。
【００１０】そこで、本発明方法では、原子層成長が選
択的に行われる成長温度、例えば、ＧａＡｓ膜の場合上
述した５６０℃以上、で原子層成長を行い、所望の結晶
面、例えば（１００）面に選択的に薄膜を形成し、これ
によって量子細線および量子箱を形成する。
【００１１】本発明方法では、成長温度のみでなく、例
えば、原料ガス供給と原料ガス供給との間の時間間隔を
長くすれば、この間に原子吸着後の離脱が進み、面方位
に対する成長速度の差を大きくすることができる。
【００１２】また、原子層成長では、例えば、Ｇａを含
む原料ガスとＡｓを含む原料ガス等を交互に供給すると
１回の原料供給サイクル当たり、１原子層だけ薄膜が形
成されるため、未反応の原料ガスが薄膜形成部位に余分
に供給されても異常成長が起きない。このため、ＭＯＶ
ＰＥによる方法では異常成長によって形状制御が困難で
あった形、例えば、矩形状の凹部内へ成膜して量子細線
および量子箱を形成することができる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【００１４】図１は、本実施例に用いた装置の構成を示
すもので、同図において符号１は２重管構造の真空容器
を示している。この真空容器１内には、カーボン製のサ
セプタ２が設けられており、このサセプタ２上に基板３
を載置し、真空容器１の外部に設けられたランプ４によ
ってサセプタ２の裏面側から基板３を所定温度に加熱す
ることができるよう構成されている。
【００１５】また、真空容器１の一端には、それぞれ図
示しない所定の原料ガス供給源から原料ガスを供給する
原料ガス供給配管５が、真空容器１の他端近傍には排気
配管６が接続されており、これらの原料ガス供給配管５
および排気配管６によって、真空容器１内に所望の原料
ガスを流通させることができるよう構成されている。な
お、各原料ガス供給配管５には、バルブ７が介挿されて
おり、所望のタイミングで原料ガスの切り替えを行うこ
とができるようになっている。
【００１６】本実施例では、図３に示すように、予め化
学エッチングにより基板（ＧａＡｓ基板）３上に断面Ｖ
字状の凹部を形成し、基板表面に（１１１）Ａ面（図中
傾斜面）を出し、この基板３を真空容器１内のサセプタ
２上に載置し、ランプ６でこの基板３を５６０℃に加熱
しつつバルブ７を開閉し、以下のようにして基板３の凹
部内に、原子層成長によってＡｌＧａＡｓ膜とＧａＡｓ
膜を交互に形成し、量子細線構造を形成した。
【００１７】各原料ガスは、Ａｌの原料ガスがＤＭＡＨ
（ジメチルアルミハイドライド）、Ｇａの原料ガスがＴ
ＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｓの原料ガスがＡｓＨ
3であり、キャリアガスとしてＨ2ガスを用いた。各原
料ガスの供給は、図４に示すように、ＤＭＡＨおよびＴ
ＭＧの１回の供給時間が２秒、ＡｓＨ3の１回の供給時
間が１秒、ガス供給とガス供給との間の間隔が１秒とな
るようバルブ７を開閉して行った。この時のガス供給量
は、ＤＭＡＨおよびＴＭＧの場合が１０-7mol/cycle 、
ＡｓＨ3の場合が１０-5mol/cycle である。
【００１８】このようにして原子層成長を行った基板３
を電子顕微鏡で観察したところ、図５に示すように、
（１００）面に対して、高い選択性で成膜を行うことが
でき、量子細線構造を得ることができた。
【００１９】なお上記実施例において、例えば、原料ガ
ス供給と原料ガス供給との間の時間間隔を長くすれば、
この間に原子吸着後の離脱が進み、面方位に対する成長
速度の差をさらに大きくすることができる。
【００２０】また、上記実施例では、断面Ｖ字状の凹部
内に量子細線構造を形成したが、図６に示すように、断
面矩形上の凹部内に量子細線構造を形成することもでき
る。この場合、例えば電子ビームリソグラフィー等によ
っても、幅５０ｎｍ程度の溝しか形成することができな
いので、まず、電子ビームリソグラフィー等によって基
板２０に幅５０ｎｍ程度の矩形状の溝２１を形成する
（ａ）。
【００２１】次に、比較的低温（５３０℃程度）で、主
として横方向（１１０）面に、原子層成長によってＡｌ
ＧａＡｓ膜２２等を形成して溝２１の幅を、量子細線と
なる１０ｎｍ程度にまで狭める（ｂ）。
【００２２】この後、上述した実施例と同様に、高温
（５６０℃程度）で（１００）面に選択的にＧａＡｓ膜
２３、ＡｌＧａＡｓ膜２２等を形成して量子細線構造を
形成することができる（ｃ）。
【００２３】また、このようにして、断面矩形状の井戸
型の凹部内に、量子箱構造を形成することもできる。な
お、このような矩形溝内に量子細線等を形成する場合、
従来のＭＯＶＰＥによる方法では異常成長が生じてしま
い、その形状制御が困難であった。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の原子層成
長による量子細線および量子箱の形成方法によれば、面
方位による成長速度の差を大きくすることができるとと
もに異常成長の発生等がなく、従来に較べて形状制御性
を向上させることができ、良好な形状の量子細線および
量子箱を形成することができる。
【図面の簡単な説明】【図１】本発明の一実施例に用いた装置の構成を示す
図。
【図２】成長温度に対する成長速度の面方位依存性を示
す図。
【図３】基板面の状態を拡大して示す図。
【図４】原料ガス供給のタイミングを説明するための
図。
【図５】実施例における原子層成長の結果を模式的に示
す図。
【図６】断面矩形状の凹部内に量子細線を形成する手順
を説明するための図。
【符号の説明】 １ 真空容器 ２ サセプタ ３ 基板 ４ ランプ ５ 原料ガス供給配管 ６ 排気配管 ７ バルブ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−84807（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−163928（ＪＰ，Ａ) Ａｋｉｒａ Ｕｓｕｉ，Ｈａｒｕｏ Ｓｕｎａｋａｗａ，Ｆｒａｎｋ Ｊ．Ｓ ｔｕｔｚｌｅｒ，Ｋｏｉｃｈｉ Ｉｓｈ ｉｄａ，”ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ ｓｉ ｎｇｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏ ｎ ＧａＡｓ ｆａｃｅｔ ｗａｌｌｓ ｂｙ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ａｔｏｍｉ ｃ ｌａｙｅｒ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ ｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，1990年 １月15日，Ｖｏｌ．56，Ｎｏ．３，ｐ ｐ．289−291，ｅｐｉｔａｘｙ" Ｙ．Ｉｄｅ，Ｂ．Ｔ．ＭｃＤｅｒｍｏ ｔｔ，Ｍ．Ｈａｓｈｅｍｉ，Ｓ．Ｍ．Ｂ ｅｄａｉｒ，Ｗ．Ｄ．Ｇｏｏｄｈｕ ｅ，”Ｓｉｄｅｗａｌｌ ｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｅ ｐｉｔａｘｙ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ ｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，1988年12 月 ５日，Ｖｏｌ．53，Ｎｏ．23，ｐ ｐ．2314−2316Ｑ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/205 H01L 29/06 H01L 29/66 Ｗｅｂ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ