JP4701375B2 - Crystal growth method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶成長技術に関し、特に、原子層レベルで制御可能な高品質ヘテロエピタキシャル結晶成長技術にする。
【0002】
【従来の技術】
電子デバイスや光デバイスなどの微細化に伴って、原子層レベルで制御可能な結晶成長技術の重要性が高まってきている。例えば、MBE法又はMOCVD法などを用いると、数原子層レベルでの膜厚制御が可能である。
【0003】
一方、原子層レベルでの膜厚制御が可能になったため、量子効果を積極的に利用したいわゆる量子効果デバイスの研究も盛んに行われている(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
【非特許文献1】
量子効果デバイスのデジタル回路応用、P. Mazumder, S. Kulkarni, M. Bhattacharya, J. P. Sun, and G. I. Haddad, "Digital circuit applications of resonant tunneling devices", Proc. IEEE, vol.86, pp.664-686, 1998.
【0005】
【非特許文献2】
量子カスケードレーザの総説、Federico Capasso, Claire Gmachl, Roberto Paiella, Alessandro Tredicucci, Albert L. Hutchinson, Deborah L. Sivco, J. N. Baillargeon, Alfred Y. Cho, and H. C. Liu, " New Frontiers in Quantum Cascade Lasers and Applications," IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., Millennium Issue, vol.06, no. 06, pp.948, November/December 2000.
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、基板表面全体に一様に結晶を形成する技術である。実際の基板表面は、一般的な研磨法などを用いて鏡面仕上げを行った場合であっても、原子層オーダーでの段差(原子ステップ位置)が存在する。実際上、このようなステップは基板面内においてサブミクロンオーダーで存在することがわかっている。従って、原子ステップ位置で致命的な積層欠陥が生成するような材料の組み合わせの場合には、基板面内の広範囲(ミクロンオーダー)にわたる良質な薄膜を得ることは困難であった。
【0007】
尚、原子ステップ位置で基板材料の結晶構造とコヒーレントに結晶成長が進行する場合には、良好な積層結晶を実現することができる。しかしながら、このような結晶成長は限られた材料の組み合わせでのみ実現可能であり、デバイスの材料選択の余地を狭める重大な制約となっていた。例えば、上記制約が、シリコン基板上に形成される室温動作可能な量子効果デバイスが実現できない1つの原因となっていた。以下に、本技術に関連する2つの結晶成長技術について図面を参照して説明する。
【0008】
第1の関連技術は、一般的な選択成長技術であり、図12を参照してこの選択成長技術について説明する。図12に示すように、例えばシリコン基板101上に、酸化シリコンなどのマスク材料によりマスクパターン103を形成する。このマスクパターン103にシリコン基板101表面を露出する開口部105を形成する。そのマスクパターン103を用いて適切な条件で同種材料又は異種材料107による結晶成長を行うと、マスクパターン103上には結晶は堆積せず、シリコン基板101の表面が露出した開口部105内にのみ選択的に結晶107aを成長させることができる。
【0009】
しかしながら、上記選択成長技術は、マスクパターン103上に入射する同種材料又は異種材料107がマスクパターン103上にはほとんど付着せずに、シリコン基板101上に輸送されるものであり、すなわち、結晶成長を行う位置の制御を主目的としており、原理上、結晶品質の改善は期待できない。
【0010】
第2の関連技術は、マイクロチャンネルエピタキシー技術と称される。図13を参照して、マイクロチャンネルエピタキシー技術について説明する。異なる材料間のヘテロエピタキシー技術において、上記選択成長におけるマスクパターンとして、適当なパターンおよびサイズのマスクを形成すると、元素の種類及び結晶構造・格子定数等が基板と異なる材料でも、高品質の結晶が成長する場合がある。
【0011】
図13に示すように、サファイア基板201上の窒化ガリウム(GaN)又はシリコン基板上のガリウム砒素(GaAs)の結晶成長などに適用される。マイクロチャンネルエピタキシーによって良質の結晶が得られる原理は、基板201上に形成された酸化シリコンなどのマスクパターン203の開口部から露出した基板部分201aの結晶を足場(種結晶)として、マスクパターン203間に結晶層207が成長し、その上に矢印で示すようにノン・エピタキシャル・ラテラル成長(下地の情報と無関係な水平方向の結晶成長)層211が形成される。
【0012】
ノン・エピタキシャル・ラテラル成長により、下地基板との格子定数の不整合の影響を受けない結晶成長を実現することができるため、格子歪の大きい系でも比較的高品質な厚膜結晶がマスクパターン203より上部に得られる。但し、原理上、ラテラル方向成長した島がぶつかり合う場所では、格子が整合するメカニズムが存在しないため必然的に高密度の結晶欠陥215が発生する。
【0013】
すなわち、マイクロチャンネルエピタキシー技術は、局所的に結晶欠陥が生成し高密度に欠陥が存在する部分と、欠陥が少ない高品質部分とを形成し、高品質部分をデバイスに応用する手法であるといえる。ラテラル成長が本質であるため、その原理上、マスク穴の中に高品質結晶が成長するわけではなく、マスクの上方に高品質の結晶が得られることになる。ラテラル方向成長を実現するためには、ある程度の厚み(マスク厚+横方向成長膜厚)が必要であるため、この手法を2から3原子層厚のヘテロ結晶成長に適用するのは困難である。
【0014】
要するに上記第1及び第2技術は、結晶を成長させる位置又は結晶欠陥が発生する位置を制御する技術であり、結晶の位置を制御する技術ではあっても、結晶性を改善するための技術ではない。
【0015】
本発明は、原子層オーダーでの膜厚制御が可能な結晶成長技術を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、基板に、該基板とは異なる材料を結晶成長する方法であって、前記基板に原子ステップ密度を減少させた微小領域を形成する工程と、該微小領域に前記基板とは異なる材料を結晶成長する工程とを有する結晶成長方法が提供される。上記結晶成長方法によれば、原子ステップ密度を低減させた微小領域上に前記基板とは異なる材料を結晶成長するため、成長した結晶が下地の原子ステップの境界にかかる確率が低減され、原子層オーダーでの膜厚制御(膜の平坦化)が可能となる。
【0017】
また、基板に、該基板とは異なる材料を結晶成長する方法であって、前記基板に前記異なる材料を構成する原子の実質的な拡散長以下のサイズを有する微小領域を形成する工程と、該微小領域に前記基板とは異なる材料を結晶成長する工程とを有する結晶成長方法が提供される。上記結晶成長方法によれば、微小領域を形成することによりマイグレーション領域と非マイグレーション領域とを画定した基板のうちマイグレーション領域に異種の原子を結晶成長するため、原子層オーダーでの膜厚制御(膜の平坦化)が可能となる。
【0018】
前記結晶成長する工程は、前記基板とは異なる材料を構成する原子の拡散長が、前記微小領域のサイズより実質的に大きくなる条件下で行うのが好ましい。これにより、成長した結晶が下地の原子ステップの境界にかかる確率が低減する。
【0019】
さらに、前記微小領域を形成する工程と前記結晶成長する工程との間に、前記基板を構成する原子の拡散長が、前記微小領域のサイズより実質的に大きくなる条件下で熱処理を行う工程を含むのが好ましい。これにより、結晶成長前に前記微笑領域内における原子ステップの密度が低減するため、さらに膜厚の制御性(膜の平坦性)が向上する。
【0020】
前記微小領域は、前記基板に形成された凹状又は凸状の領域であるのが好ましい。前記微小領域は、前記基板に形成された絶縁物に形成された開口から露出する領域であるのが好ましい。基板に凹状又は凸状の微小領域又は開口部において露出する領域を形成するだけで、簡単に成長を行うことができる。
【0021】
本発明の他の観点によれば、基板と、該基板に形成された微小凸状領域又は微小凹状領域と、該微小凸状領域上又は微小凹状領域上に形成され、前記基板とは異なる材料により形成された量子構造とを有し、前記微小凸状領域又は微小凹状領域のサイズが、前記基板とは異なる材料の拡散長よりも実質的に小さいことを特徴とする量子デバイスが提供される。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する前に、発明者の行った考察についてまず説明する。発明者は、数原子層レベルの制御が要求される場合に、基板表面の原子ステップ密度を制御し、さらに、結晶成長領域のサイズをマイグレーション長(拡散長)以下に制限することにより、基板直上における数原子層厚の結晶成長過程そのものを人工的に制御する技術を思い付いた。このようにすれば、高品質エピタキシャル成長を実現することができる。
【0023】
以下、上記の考察に基づき、本発明の第1の実施の形態による結晶成長方法について図面を参照して説明する。
【0024】
図1(▲1▼から▲4▼まで)は、本発明の第1の実施の形態による結晶成長工程を示す工程図である。図2は、図1のうち微小領域を形成した状態の構造を示す斜視図である。図1に示すように、基板材料1上にマスク材料3の薄膜を形成する。次いで、マスク材料3に結晶成長領域の窓開け(開口部3aの形成)を行ない、基板材料1の表面を露出させる(図2参照)。開口部3a内に異種原子層5の結晶成長を行う。成長した異種原子層5上に電気的コンタクト(電極)7を形成する。電極7に対してリード線7aを形成することにより、異種原子層5の電気的評価が可能である。以上の工程により、自動的に、開口部3aに形成された高品質部分のみの電気的特性又は光学的特性を利用したデバイスを形成することができる。
【0025】
以下に、上記手法を利用した結晶成長技術の具体例について、図面を参照して説明する。図3は、500nmサイズの微小な開口部25に3原子層のCaF2層27エピタキシャル成長を行なった際の表面AFM像であり、図4(A)はその拡大図である。図3及び図4(A)に示すように、開口部25は1辺が約500nmの略三角形の形状を有している。図4(B)は図4(A)のA−B線に沿う断面を示す図であり、良好な開口部が形成されていることがわかる。より詳細には、図4(C)に示すように、Si(111)基板21上に、SiO2により開口部25を有するマスクパターン23が形成されている。この開口部25により露出されたSi(111)基板21(微小領域)上に、CaF2系の異種結晶層27を形成する。図より明らかなように、境界部分における異常成長なども見られず、良好なエピタキシャル成長が確認されている。
【0026】
上記結晶成長技術を利用して、図5(A)から図5(C)に示す共鳴トンネリングダイオードを製造し、その特性を評価した。図5(A)は、基板の表面を示す図である。図5(A)に示すように、基板51面に、微小領域55を画定する微小開口部パターンが多数形成されている微小領域形成部53と、微小領域55が形成されていないパターン非形成部57とを画定した。微小領域55は、図5(B)に示すように、一辺がLである略正三角形の形状を有している。図5(C)に示すように、n型シリコン基板(111)面51上に、厚さ0.9nmのCaF2障壁層61(成長温度750℃)と、厚さ6.5nmのCdF2井戸層63(成長温度60℃)と、厚さ0.9nmのCaF2障壁層65(成長温度60℃)とを成長した。これにより、弗化カドミウム/弗化カルシウムの二重障壁共鳴トンネルダイオード構造が成長できる。
【0027】
尚、シリコン基板の直上に積む1層目のフッ化カルシウムCaF2層は、650℃程度で成長させるのに対して、その上に成長する2層目のフッ化カドミウムCdF2層は、成長温度60℃から200℃の間で平坦性の良いエピタキシャル成長を行うことができる。最上層のフッ化カルシウムCaF2層は、その下にCdF2層が形成されているため温度を上げられない。そこで、最上層のフッ化カルシウムの成長温度を60℃に下げる代わりに、イオン化加速を1kV程度行うことにより、マイグレーションエネルギーを与え、結晶化を促進する。フッ化カルシウムは、通常60℃ではエピタキシャル成長は困難であるが、イオン化加速処理を適切な条件で組み合わせることにより、60℃でも平坦なエピタキシャル成長が可能となる(参考文献:M.Watanabe, et al.,"Low temperature epitaxial growth of CaF2/Si(111) by Ionized-Cluster-Beam technique", Jpn. J. Appl. Phys., 29[9], pp.1803-1804, 1990.)
【0028】
図6から図9までに、上記弗化カドミウム/弗化カルシウムの二重障壁共鳴トンネルダイオード構造における電気的特性の、微小領域55のサイズ(L)依存性を示す。微小領域サイズ(L)を、パターニングなし(図6)と、400nm(図7)と、200nm(図8)と、100nm(図9)との4種類に関する室温での電流−電圧特性で比較した。
【0029】
その結果、サイズLが400nmよりも大きい場合には、微分負性抵抗自体のピーク対バレー電流比(P/V比)が2以下と小さくなり、さらに、ピークの形状自体もブロードになることがわかった。これに対して、微小領域サイズLが200nmよりも小さくなると、P/V比Rが6を超えるとともに、ピークの形状もシャープになるとともに、素子毎のI−V特性の均一性、再現性、耐圧などについても著しい改善がみられた。
【0030】
この200nmというLの臨界サイズは、実験で用いたシリコン基板51(図5)の原子テラス幅に相当するという点を考慮すると、ナノエリア・ローカルエピタキシー技術で意図したように、素子が原子ステップ(境界)を跨ぐことに起因するデバイス特性の劣化が生じにくくなり、結晶層の高品質化に起因して電子デバイスの特性が向上したためと考えられる。その結果として、この材料系において、初めて、量子井戸の層厚による系統的な特性の変化を実証することができた。
【0031】
次に、本発明の第2の実施の形態による結晶成長方法について図面を参照して説明する。図10(▲1▼から▲4▼まで)は、本実施の形態による結晶成長工程を示す図であり、図11は、上記結晶成長工程の要部における斜視図である。
【0032】
図10に示すように、まず、基板71の表面に、リソグラフィー技術を用いて、凹凸形状を形成する(図11(A)参照)。凸部(メサ部)75の上面部(頂上部分)75a、または、凹部73の露出面(底部分)73aに、熱処理工程又はバッファ層結晶成長工程などにより、原子レベルで平滑な表面(原子ステップ密度の小さい表面)を形成する。次いで、基板71の全面に異種原子層77および81を結晶成長する(図11(B)参照)。
【0033】
マスク材料である絶縁膜83の薄膜を形成した後に、リソグラフィー技術を用いて、凸部(メサ部)の上面部(頂上部分)75a、または、凹部73の露出面(底部分)73aに形成された高品質結晶領域(例えば共鳴トンネルダイオード構造)を露出するコンタクトホール85を形成し、その上に電極層87を形成する。これにより、上記高品質結晶領域の特性を利用したデバイスを形成することができる。
【0034】
上記結晶成長方法は、以下の利点を有する。1)ステップフリー領域を人為的に定義できる。2)原子テラスの幅を人工的に拡大させることができるため、基板傾斜角度及びデバイスサイズ選択の自由度が大きい。3)結晶の外周部分をリソグラフィにより除去できるため、より高品質のデバイスが期待できる。この方法は、凸部又は凹部を形成することにより、微小領域を画定することができるため、簡単にデバイスを形成することができ、ローカルエピタキシーの理想形に近いものと考えられる。
【0035】
以上説明したように、異種材料同士を数原子層厚で積層結晶成長させる際に発生する欠陥の生成を著しく抑制することができる。特に、シリコン基板上への弗化カルシウム結晶成長では、基板に予め存在する原子ステップ近傍で致命的な積層欠陥を低減することができる。
【0036】
本実施の形態による結晶成長技術により、例えば、極めて高品質の弗化カルシウム−弗化カドミウム積層結晶がシリコン基板上に形成可能となり、室温で顕著な量子効果を発現する量子効果デバイスを、既存のシリコン集積回路と同一の基板上に形成可能となる。
【0037】
以上、本実施の形態に沿って説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、種々の変形が可能であるのは言うまでもない。室温においても良好な電流電圧特性を示すため、再現性・均一性も高い高品質の量子効果素子が実現されることにより、集積メモリ、超高周波発振回路、超高速論理回路や、量子サブバンド間遷移レーザ、超高速光スイッチなど、光と電子を融合するエレクトロニクス素子を実現することができる。
【0038】
【発明の効果】
以上、本発明の結晶成長技術を用いると、異種材料同士を数原子層厚で積層結晶成長させる際に発生する欠陥の生成を著しく抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(▲1▼から▲4▼)までは、本発明の第1の実施の形態による結晶成長方法に工程図である。
【図2】図1(▲2▼)に対応する斜視図である。
【図3】図2に対応する図であり、500nmサイズの微小な開口部に3原子層のCaF2エピタキシャル成長を行った際の表面AFM像である。
【図4】図4(A)は図3の拡大図である。図4(B)は図4(A)のA−B線に沿う断面を示す図である。図4(C)は、図4(B)をより詳細に示す断面図である。
【図5】図5(A)は、基板の表面を示す図である。図5(B)は、図5(A)の拡大図である。図5(C)は、成長した結晶の断面構造を示す図である。
【図6】図4及び図5に示す2重障壁共鳴トンネルダイオードのI−V特性を示す図であり、微細領域の無いパターンの場合の特性を示す図である。
【図7】図4及び図5に示す2重障壁共鳴トンネルダイオードのI−V特性を示す図であり、微細領域の一辺の長さLが400nmの場合の特性を示す図である。
【図8】図4及び図5に示す2重障壁共鳴トンネルダイオードのI−V特性を示す図であり、微細領域の一辺の長さLが200nmの場合の特性を示す図である。
【図9】図4及び図5に示す2重障壁共鳴トンネルダイオードのI−V特性を示す図であり、微細領域の一辺の長さLが100nmの場合の特性を示す図である。
【図10】図10(▲1▼から▲4▼)までは、本発明の第2の実施の形態による結晶成長方法に工程図である。
【図11】図11(A)及び図11(B)は、図10(▲1▼)及び図10(▲3▼)に対応する斜視図である。
【図12】従来の選択成長技術の一例を示す図である。
【図13】従来の結晶成長技術の一例を示す図である。
【符号の説明】
1…基板材料、3…マスク材料、3a…開口部、5…異種原子層、7…電気的コンタクト、25…開口部、51…基板、53…微小領域形成部、55…微小領域、61…CaF2障壁層、63…CdF2井戸層、65…CaF2障壁層、71…基板、73…凹部、75…凸部、77、81…異種原子層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a crystal growth technique, and particularly to a high-quality heteroepitaxial crystal growth technique that can be controlled at the atomic layer level.
[0002]
[Prior art]
With the miniaturization of electronic devices and optical devices, the importance of crystal growth technology that can be controlled at the atomic layer level is increasing. For example, when the MBE method or the MOCVD method is used, the film thickness can be controlled at the level of several atomic layers.
[0003]
On the other hand, since film thickness control at the atomic layer level has become possible, so-called quantum effect devices that actively utilize quantum effects have been actively studied (for example, see Non-Patent Document 1).
[0004]
[Non-Patent Document 1]
Application of quantum effect devices to digital circuits, P. Mazumder, S. Kulkarni, M. Bhattacharya, JP Sun, and GI Haddad, "Digital circuit applications of resonant tunneling devices", Proc. IEEE, vol.86, pp.664-686 , 1998.
[0005]
[Non-Patent Document 2]
Review of quantum cascade lasers, Federico Capasso, Claire Gmachl, Roberto Paiella, Alessandro Tredicucci, Albert L. Hutchinson, Deborah L. Sivco, JN Baillargeon, Alfred Y. Cho, and HC Liu, "New Frontiers in Quantum Cascade Lasers and Applications, "IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., Millennium Issue, vol.06, no. 06, pp.948, November / December 2000.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional technique is a technique for forming crystals uniformly over the entire substrate surface. Even if the actual substrate surface is mirror-finished using a general polishing method or the like, there is a step (atomic step position) in the atomic layer order. In practice, it has been found that such steps exist in the submicron order within the substrate plane. Therefore, in the case of a combination of materials in which a fatal stacking fault is generated at the atomic step position, it is difficult to obtain a high-quality thin film over a wide range (micron order) in the substrate surface.
[0007]
When crystal growth proceeds coherently with the crystal structure of the substrate material at the atomic step position, a good stacked crystal can be realized. However, such crystal growth can be realized only with a limited combination of materials, which has been a serious limitation that narrows the room for device material selection. For example, the above-described restriction has been one cause that cannot achieve a room temperature operable quantum effect device formed on a silicon substrate. Hereinafter, two crystal growth techniques related to the present technique will be described with reference to the drawings.
[0008]
The first related technique is a general selective growth technique, which will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 12, for example, a
[0009]
However, the selective growth technique is such that the same or
[0010]
The second related technology is called microchannel epitaxy technology. The microchannel epitaxy technique will be described with reference to FIG. In hetero-epitaxy technology between different materials, if a mask with an appropriate pattern and size is formed as the mask pattern in the selective growth, high quality crystals can be obtained even if the material is different in type and crystal structure / lattice constant from the substrate. May grow.
[0011]
As shown in FIG. 13, the present invention is applied to crystal growth of gallium nitride (GaN) on a sapphire substrate 201 or gallium arsenide (GaAs) on a silicon substrate. The principle of obtaining a good quality crystal by microchannel epitaxy is that the mask pattern 203 is formed between the mask patterns 203 using the crystal of the substrate portion 201a exposed from the opening of the mask pattern 203 such as silicon oxide formed on the substrate 201 as a scaffold (seed crystal). A crystal layer 207 is grown on the substrate, and a non-epitaxial lateral growth (horizontal crystal growth unrelated to underlying information)
[0012]
Non-epitaxial lateral growth can realize crystal growth that is not affected by the mismatch of the lattice constant with the underlying substrate, so that a relatively high quality thick film crystal can be formed in the mask pattern 203 even in a system having a large lattice strain. Obtained at the top. However, in principle, a high
[0013]
In other words, the microchannel epitaxy technique is a technique in which a crystal defect is generated locally and a defect is present at a high density, and a high quality part with few defects is formed, and the high quality part is applied to a device. . Since lateral growth is essential, high-quality crystals are not grown in the mask hole in principle, and high-quality crystals are obtained above the mask. In order to achieve lateral growth, a certain amount of thickness (mask thickness + lateral growth film thickness) is required, so it is difficult to apply this method to heterocrystal growth with a thickness of 2 to 3 atomic layers. .
[0014]
In short, the first and second techniques are techniques for controlling the position where a crystal is grown or a position where a crystal defect is generated. The technique for controlling the position of a crystal is not a technique for improving crystallinity. Absent.
[0015]
An object of the present invention is to provide a crystal growth technique capable of controlling the film thickness on the atomic layer order.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, there is provided a method for crystal growth of a material different from a substrate on a substrate, the step of forming a minute region with reduced atomic step density on the substrate, and the step of forming the minute region on the minute region. There is provided a crystal growth method including a step of crystal growth of a material different from a substrate. According to the crystal growth method, since the material different from the substrate is crystal-grown on the minute region where the atomic step density is reduced, the probability that the grown crystal is applied to the boundary of the underlying atomic step is reduced, and the atomic layer It is possible to control the film thickness on the order (flattening the film).
[0017]
Further, a method for crystal growth of a material different from the substrate on the substrate, the step of forming a micro region having a size not more than a substantial diffusion length of atoms constituting the different material on the substrate, There is provided a crystal growth method including a step of crystal growth of a material different from the substrate in a micro region. According to the above crystal growth method, since different types of atoms are grown in the migration region of the substrate in which the migration region and the non-migration region are defined by forming a microregion, the film thickness control (film Flattening).
[0018]
The crystal growth step is preferably performed under the condition that the diffusion length of atoms constituting a material different from that of the substrate is substantially larger than the size of the minute region. This reduces the probability that the grown crystal will fall on the boundary of the underlying atomic step.
[0019]
And a step of performing a heat treatment under a condition in which a diffusion length of atoms constituting the substrate is substantially larger than a size of the minute region between the step of forming the minute region and the step of growing the crystal. It is preferable to include. Thereby, since the density of atomic steps in the smile region is reduced before crystal growth, film thickness controllability (film flatness) is further improved.
[0020]
The minute region is preferably a concave or convex region formed on the substrate. The minute region is preferably a region exposed from an opening formed in an insulator formed on the substrate. Growth can be performed simply by forming a concave or convex minute region or a region exposed in the opening on the substrate.
[0021]
According to another aspect of the present invention, a substrate, a minute convex region or a minute concave region formed on the substrate, and a material different from the substrate formed on the minute convex region or the minute concave region. And a quantum device characterized in that a size of the micro convex region or micro concave region is substantially smaller than a diffusion length of a material different from that of the substrate. .
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Before describing embodiments of the present invention, considerations made by the inventors will be described first. The inventor controls the atomic step density on the surface of the substrate when a control of several atomic layers is required, and further restricts the size of the crystal growth region to a migration length (diffusion length) or less to directly above the substrate. I came up with a technique to artificially control the crystal growth process itself of several atomic layer thickness. In this way, high quality epitaxial growth can be realized.
[0023]
Based on the above considerations, the crystal growth method according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 ((1) to (4)) is a process diagram showing a crystal growth process according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the structure of FIG. 1 in which a minute region is formed. As shown in FIG. 1, a thin film of a
[0025]
Hereinafter, specific examples of the crystal growth technique using the above method will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a surface AFM image obtained when epitaxial growth of a triatomic CaF 2 layer 27 is performed on a
[0026]
Using the crystal growth technique, resonant tunneling diodes shown in FIGS. 5A to 5C were manufactured and their characteristics were evaluated. FIG. 5A shows the surface of the substrate. As shown in FIG. 5A, on the surface of the
[0027]
The first calcium fluoride CaF 2 layer stacked immediately above the silicon substrate is grown at about 650 ° C., whereas the second cadmium fluoride CdF 2 layer grown thereon is grown at a growth temperature. Epitaxial growth with good flatness can be performed between 60 ° C. and 200 ° C. The temperature of the uppermost calcium fluoride CaF 2 layer cannot be raised because the CdF 2 layer is formed thereunder. Therefore, instead of lowering the growth temperature of the uppermost calcium fluoride to 60 ° C., ionization acceleration is performed at about 1 kV to provide migration energy and promote crystallization. Calcium fluoride is usually difficult to epitaxially grow at 60 ° C., but flat epitaxial growth is possible even at 60 ° C. by combining ionization acceleration treatment under appropriate conditions (reference: M. Watanabe, et al., "Low temperature epitaxial growth of CaF 2 / Si (111) by Ionized-Cluster-Beam technique", Jpn. J. Appl. Phys., 29 [9], pp. 1803-1804, 1990.)
[0028]
FIGS. 6 to 9 show the size (L) dependence of the electrical characteristics in the cadmium fluoride / calcium fluoride double barrier resonant tunneling diode structure. The micro-region size (L) was compared in terms of current-voltage characteristics at room temperature for four types: no patterning (FIG. 6), 400 nm (FIG. 7), 200 nm (FIG. 8), and 100 nm (FIG. 9). .
[0029]
As a result, when the size L is larger than 400 nm, the peak-to-valley current ratio (P / V ratio) of the differential negative resistance itself is as small as 2 or less, and the peak shape itself may be broad. all right. On the other hand, when the micro region size L is smaller than 200 nm, the P / V ratio R exceeds 6, the peak shape becomes sharp, and the uniformity and reproducibility of the IV characteristics for each element. Significant improvement was also seen in the breakdown voltage.
[0030]
In consideration of the fact that the critical size of L of 200 nm corresponds to the atomic terrace width of the silicon substrate 51 (FIG. 5) used in the experiment, as the nano-area / local epitaxy technology intended, the device has an atomic step ( This is considered to be because the deterioration of the device characteristics due to straddling the boundary) is less likely to occur, and the characteristics of the electronic device are improved due to the high quality of the crystal layer. As a result, for the first time in this material system, we were able to demonstrate a systematic change in characteristics due to the quantum well thickness.
[0031]
Next, a crystal growth method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 10 (from (1) to (4)) shows a crystal growth process according to the present embodiment, and FIG. 11 is a perspective view of the main part of the crystal growth process.
[0032]
As shown in FIG. 10, first, a concavo-convex shape is formed on the surface of the
[0033]
After forming a thin film of the insulating
[0034]
The crystal growth method has the following advantages. 1) A step-free area can be artificially defined. 2) Since the width of the atomic terrace can be artificially enlarged, the degree of freedom in selecting the substrate tilt angle and device size is great. 3) Since the outer peripheral portion of the crystal can be removed by lithography, a higher quality device can be expected. In this method, since a minute region can be defined by forming a convex portion or a concave portion, a device can be easily formed, which is considered to be close to the ideal form of local epitaxy.
[0035]
As described above, it is possible to remarkably suppress the generation of defects that occur when different materials are grown in a stacked crystal with a thickness of several atomic layers. In particular, in calcium fluoride crystal growth on a silicon substrate, fatal stacking faults can be reduced in the vicinity of atomic steps preliminarily existing on the substrate.
[0036]
By using the crystal growth technique according to the present embodiment, for example, an extremely high quality calcium fluoride-cadmium fluoride laminated crystal can be formed on a silicon substrate, and a quantum effect device that exhibits a remarkable quantum effect at room temperature is obtained. It can be formed on the same substrate as the silicon integrated circuit.
[0037]
As mentioned above, although demonstrated along this Embodiment, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these examples, and various deformation | transformation are possible. Excellent current-voltage characteristics even at room temperature, realizing high-quality quantum effect devices with high reproducibility and uniformity, enabling integrated memory, ultra-high-frequency oscillation circuits, ultra-high-speed logic circuits, and between quantum subbands Electronic devices that fuse light and electrons, such as transition lasers and ultrafast optical switches, can be realized.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, when the crystal growth technique of the present invention is used, it is possible to remarkably suppress the generation of defects that occur when different types of materials are stacked and grown with a thickness of several atomic layers.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (1) to (4) are process diagrams of a crystal growth method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view corresponding to FIG.
FIG. 3 is a diagram corresponding to FIG. 2, and is a surface AFM image when a CaF 2 epitaxial growth of a triatomic layer is performed on a minute opening having a size of 500 nm.
4A is an enlarged view of FIG. 3. FIG. FIG. 4B is a view showing a cross section taken along the line AB of FIG. FIG. 4C is a cross-sectional view showing FIG. 4B in more detail.
FIG. 5A is a diagram showing a surface of a substrate. FIG. 5B is an enlarged view of FIG. FIG. 5C shows a cross-sectional structure of the grown crystal.
6 is a diagram illustrating IV characteristics of the double-barrier resonant tunneling diode illustrated in FIGS. 4 and 5, and is a diagram illustrating characteristics in the case of a pattern without a fine region. FIG.
7 is a diagram illustrating IV characteristics of the double-barrier resonant tunneling diode illustrated in FIGS. 4 and 5, and is a diagram illustrating characteristics when the length L of one side of a fine region is 400 nm. FIG.
8 is a diagram showing IV characteristics of the double-barrier resonant tunneling diode shown in FIGS. 4 and 5, and is a diagram showing characteristics when the length L of one side of a fine region is 200 nm. FIG.
9 is a diagram showing IV characteristics of the double-barrier resonant tunneling diode shown in FIGS. 4 and 5, and showing the characteristics when the length L of one side of a fine region is 100 nm. FIG.
FIG. 10 ((1) to (4)) is a process diagram of the crystal growth method according to the second embodiment of the present invention.
11 (A) and 11 (B) are perspective views corresponding to FIGS. 10 (1) and 10 (3).
FIG. 12 is a diagram showing an example of a conventional selective growth technique.
FIG. 13 is a diagram showing an example of a conventional crystal growth technique.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基板に前記基板のテラス幅と比べて小さいサイズを有する微小領域を形成する工程と、
該微小領域に前記基板とは異なる材料を結晶成長する工程と、を有し、
前記結晶成長する工程は、前記基板とは異なる材料を構成する原子の拡散長が、前記微小領域のサイズより大きくなる条件下で行い、
さらに、前記微小領域を形成する工程と前記結晶成長する工程との間に、
前記基板を構成する原子の拡散長が、前記微小領域のサイズより大きくなる条件下で熱処理を行う工程を含むことを特徴とする結晶成長方法。A method for crystal growth of a material different from the substrate on a substrate,
Forming a minute region having a size smaller than the terrace width of the substrate on the substrate;
A step of crystal-growing a material different from the substrate in the minute region,
The crystal growth step is performed under the condition that the diffusion length of atoms constituting a material different from that of the substrate is larger than the size of the microregion,
Further, between the step of forming the microregion and the step of crystal growth,
A crystal growth method comprising a step of performing a heat treatment under a condition that a diffusion length of atoms constituting the substrate is larger than a size of the minute region.
該基板に形成された微小凸状領域又は微小凹状領域の少なくともいずれか一方と、
該微小凸状領域上又は微小凹状領域上に形成され、前記基板とは異なる材料により形成された量子構造体とを有し、
前記微小凸状領域又は微小凹状領域のサイズが、前記基板のテラス幅よりも小さい量子デバイスであって、
前記量子構造体は、前記基板を構成する原子の拡散長幅が、前記微小凸状領域又は前記微小凹状領域のサイズより大きくなる条件下で前記基板の熱処理を行った後に、前記基板とは異なる材料を構成する原子の拡散長が、前記微小凸状領域又は前記微小凹状領域のサイズより大きくなる条件下で、前記基板とは異なる材料の成長を行なって形成された量子構造体であることを特徴とする量子デバイス。A substrate,
At least one of a minute convex region or a minute concave region formed on the substrate, and
A quantum structure formed on the minute convex region or the minute concave region and formed of a material different from the substrate;
A quantum device in which the size of the micro convex region or micro concave region is smaller than the terrace width of the substrate ,
The quantum structure differs from the substrate after heat treatment of the substrate under a condition that the diffusion length width of atoms constituting the substrate is larger than the size of the minute convex region or the minute concave region. It is a quantum structure formed by growing a material different from that of the substrate under the condition that the diffusion length of atoms constituting the material is larger than the size of the minute convex region or the minute concave region. Characteristic quantum device.
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