JP2003046202A - 光機能性化合物半導体超格子構造物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光機能性化合物半導体超格子構造物、光機能
性多層体及びこれらの製造方法を提供する。 【解決手段】 基板９００を成長室３００の上部に移動
し、基板９００表面を任意時間Ｇａに晒し、基板９００
表面に一様にＧａを堆積させる。その後、基板９００を
成長室２００の上部に移動し、基板９００表面を任意時
間ＮＨ₃に晒す。この時、基板９００のＡｌＮ上には、
ＧａＮが一原子層形成される。次いで、成長室４００の
上部にて、基板９００を任意時間ＴＭＡに晒してＡｌを
堆積させる。次に、基板９００を成長室２００の上部に
移動し、基板９００表面を任意時間ＮＨ₃に晒す。この
時、基板９００上には、ＡｌＮが一原子層形成される。
以降、ＧａＮの形成とＡｌＮの形成とを所定の順序で繰
り返し、ＧａＮの数十〜数百原子層と、ＡｌＮの１〜数
原子層とを積層し光機能性化合物半導体超格子構造を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光機能性超格子構
造物及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩｎＧａＡｌＮ系の化合物半導体は、２
〜６ｅＶの比較的大きなエネルギーバンドギャップ
(Ｅ_g)を有している。このため、伝導帯と価電子帯との
間での電子遷移を利用した紫外〜緑色領域の光を発する
発光ダイオード或いはレーザダイオードが作製されてい
る。また、ＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮ障壁層とから成る
超格子構造も作製されている。この超格子構造は、アク
セプタ不純物を添加したｐ型低抵抗層として利用されて
いる。さらに、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子内の伝導帯サ
ブバンド間遷移を利用した赤外デバイスに関する研究が
始められている。しかし、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子や
ＡｌＮ／ＧａＮ超格子を発光層として用いる場合には、
大きなピエゾ効果が問題となり、効率の良い発光は得ら
れにくい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上述の
ような紫外〜緑色領域の発光素子への応用のみならず、
ＩｎＧａＡｌＮ系化合物半導体のサブバンド間遷移デバ
イスへの応用に着目している。

【０００４】ＧａＮとＡｌＮとのＥ_gの差は２．８ｅＶ
と比較的大きいため、これら２つの半導体から構成され
る超格子構造においては、２つの半導体層の層厚及び層
厚比を適宜設計することにより様々な光学的特性を実現
可能である。特に、ＧａＮとＡｌＮとのＥ_g差が大きい
こと、さらに伝導帯下端のエネルギー差ΔＥｃが２ｅＶ
程度であることから、様々なバンド構造を実現し得る。

【０００５】本発明者らは、伝導帯中に形成されるサブ
バンドに着目し、サブバンドに関する光学的特性につい
て研究を行った。その結果、井戸層となるＧａＮ層（５
〜１００原子層）と、障壁層となるＡｌＮ層の１〜３原
子層とを交互に積層した超格子構造において、伝導帯に
形成される複数のサブバンドは比較的広いバンド幅を有
することがわかった。しかも、ＧａＮ層及びＡｌＮ層の
層厚を上記範囲内で調整すれば、サブバンドのバンド幅
とサブバンド間のエネルギーギャップとを様々に制御す
ることができ、その結果、様々な光学的性質が奏される
ことがわかった。さらに、このような構造によれば、ピ
エゾ効果を抑えることができることもわかった。すなわ
ち、上記の構成を有する超格子構造によれば、中赤外域
光を発する発光素子を始めとする種々の光学素子の実現
が期待される。言い換えると、上記の構成を有する超格
子構造は、光機能性化合物半導体超格子構造としての特
徴的な光学的性質を備えている。

【０００６】また、本発明者らは鋭意研究を行った結
果、以下の知見を得た。すなわち、ピエゾ効果は効率の
良い発光を妨げるが、これを利用することにより、これ
までにない光学的特性を奏する材料が得られる。本発明
者らは、以上の考えに基づき、本発明に到達した。

【０００７】本発明は、上記の事情を鑑みてなされたも
のであり、光機能性化合物半導体超格子構造物、光機能
性多層体及びこれらの製造方法を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光機能性化
合物半導体超格子構造物は、ｍ原子層(ｍは自然数)のＧ
ａＮから構成される第１の膜と、ｎ原子層(ｎは自然数)
のＡｌＮ、またはＡｌ _xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)から構成
される第２の膜と、が交互に積層され、ｍ＝５〜１０
０、ｎ＝１〜３といった関係を満たすことを特徴とす
る。

【０００９】このような構成を有する光機能性化合物半
導体超格子構造物においては、複数のサブバンドが形成
される。しかも、Ｅ_gの大きい第２の膜(ＡｌＮ又はＡｌ
_xＧａ_1-xＮ)がＥ_gの小さい第１の膜(ＧａＮ)よりも薄く
形成されているため、これらの複数のサブバンドは所定
のバンド幅を有することになる。したがって、この半導
体超格子構造物によれば、サブバンドのバンド幅及びサ
ブバンド間のエネルギーギャップを利用することによ
り、新しい半導体素子を開発することが可能となる。ま
た、第１の膜と第２の膜との厚さ及び厚さの比を適宜調
整することにより様々な光学的特性を有する光機能性化
合物半導体超格子構造物が得られるので、所望の光学的
特性を有する半導体素子を実現することが可能である。

【００１０】本発明に係る光機能性化合物半導体超格子
構造の製造方法は、基板上に複数の原料を供給し、上記
の光機能性化合物半導体超格子構造物を製造する方法で
あって、基板上にガリウム原子を吸着させる第１の工程
と、ガリウム原子が吸着した基板上に窒素原子を吸着さ
せる第２の工程と、基板上にアルミニウム原子、または
アルミニウム原子及びガリウム原子を吸着させる第３の
工程と、アルミニウム原子、またはアルミニウム原子及
びガリウム原子が吸着した基板上に窒素原子を吸着させ
る第４の工程と、を有し、第１の工程と第２の工程とを
１回ずつ又は複数回交互に行うことによるｍ原子層のＧ
ａＮの形成と、第３の工程と第４の工程とを１回ずつ又
は複数回交互に行うことによるｎ原子層のＡｌＮ、また
はＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)の形成と、を交互に行う
ことを特徴とする。このようにすれば、所望の構成を有
する光機能性化合物半導体超格子構造が容易に製造され
る。

【００１１】また、本発明による光機能性化合物半導体
超格子構造の製造方法は、基板上にＧａと窒素原料を同
時に供給してＧａＮをｍ原子層成長させ、第３の工程と
第４の工程とを交互にｎ回(ｎは自然数)行うことによ
り、ｎ原子層のＡｌＮ、またはＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ
＜１)をｍ原子層形成されたＧａＮ層上に形成すること
を特徴としてもよい。これにより、ＧａＮ層とＡｌＮ層
との層厚が精度良く調整された(ＡｌＮ)_n／(ＧａＮ)_mと
いった構造が得られる。

【００１２】また、上記の基板が、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｚｒ
Ｂ₂、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓまたはＺｎＯの何れかか
らなる基板であると好ましい。

【００１３】ＡｌＮ／ＧａＮ超格子の格子歪に起因する
ピエゾ効果は、しばしば、この超格子を発光層として用
いる際の妨げになる恐れがある。しかし、本発明者らの
知見によれば、ピエゾ電界を積極的に利用することもま
た可能である。すなわち、ピエゾ電界を利用すれば、伝
導帯基底サブバンドの電子を上位のサブバンドへ効率良
く注入することも可能である。

【００１４】そこで、本発明に係る光機能性多層体は、
上記の光機能性化合物半導体超格子構造物と、ｎ₂原子
層のＡｌＮ、またはＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)から構
成される量子障壁層と、が交互に積層され、光機能性化
合物半導体超格子構造物内において、ｍ原子層のＧａＮ
から構成される第１の膜の数はｎ₁であり、ｎ原子層の
ＡｌＮから構成される第２の膜の数はｎ₁−１であり、
ｍ＝５〜１００(ｍは自然数)、ｎ＝１〜３(ｎは自然
数)、ｎ₁＝２〜１０(ｎ₁は自然数)、ｎ₂＝４〜１０(ｎ₂
は自然数)、といった関係を満たすことを特徴とする。

【００１５】上記の光機能性多層体は、上記の光機能性
化合物半導体超格子構造物とｎ₂原子層のＡｌＮ層、ま
たはＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)層とが交互に積層され
て構成される。光機能性化合物半導体超格子構造物は、
ｍ原子層の厚さを有するＧａＮ層のｎ₁層と、ｎ原子層
の厚さを有するＡｌＮ層のｎ₁−１層と、が交互に一層
ずつ積層されて構成される。ここで、ｍは５〜１００の
自然数であり、ｎは１〜３の自然数であり、ｎ₁は２〜
１０の自然数であり、ｎ₂は４〜１０の自然数である。

【００１６】このように構成されると、ＡｌＮ層及びＧ
ａＮ層に生じる比較的大きな格子歪により、ピエゾ効果
が強く現れる。ＡｌＮ層には２次元的な圧縮歪が生じ、
ＧａＮ層には２次元的な引張り歪が生じるため、ＡｌＮ
層とＧａＮ層とに生じるピエゾ電界はそれぞれ反対方向
となる。また、ｎ₂原子層のＡｌＮ層とｎ原子層のＡｌ
Ｎ層とには一層当たり同じ大きさのピエゾ電界が発生す
るので、厚さの違いにより、ｎ₂原子層のＡｌＮ層内に
は、ｎ(ｎ＜ｎ₂)原子層のＡｌＮ層内に比べて大きなピ
エゾ電界が発生することとなる。このように生じるピエ
ゾ電界によって、光機能性多層体においては、価電子帯
の上端及び伝導帯の下端に比較的大きな傾きが生じる。
その結果、光機能性化合物半導体超格子構造物中の量子
準位は、個々のＧａＮ層内に局在化されるとともに、ｎ
₂原子層のＡｌＮ層の両側にある２つの光機能性化合物
半導体超格子構造物のうち、一方に形成される各量子準
位は、他方に形成される各量子準位よりも高エネルギー
レベル側に位置することとなる。

【００１７】このようなバンド構造を有する光機能性多
層体に電圧を印加すると、光機能性化合物半導体超格子
構造物の内部に複数のサブバンドが形成されるが、サブ
バンドについても、ｎ₂原子層のＡｌＮ層内に生じるピ
エゾ電界により、この層の両側でサブバンドにレベル差
が生じることとなる。そのため、ｎ₂の値を正しく設計
すれば、ｎ₂原子層のＡｌＮ層を介して隣り合う２つの
光機能性化合物半導体超格子構造物のうち、一方の基底
サブバンド(量子準位ｎ＝１のサブバンド)と他方の第２
サブバンド(量子準位ｎ＝２のサブバンド)とのエネルギ
ーを一致させることができる。したがって、ピエゾ効果
を利用して基底サブバンドから第２サブバンドへのキャ
リアの注入が可能である。

【００１８】本発明に係る光機能性多層体の製造方法
は、基板上に複数の原料を供給し、上記の光機能性多層
体を製造する方法であって、基板上にガリウム原子を吸
着させる第１のステップと、ガリウム原子が吸着した基
板上に窒素原子を吸着させる第２のステップとをｍ回交
互に行うことにより、ｍ原子層のＧａＮを形成する第１
の工程と、基板上に、アルミニウム原子、またはアルミ
ニウム原子及びガリウム原子を吸着させる第３のステッ
プと、アルミニウム原子、またはアルミニウム原子及び
ガリウム原子が吸着した基板上に窒素原子を吸着させる
第４のステップとをｎ回交互に行うことにより、ｎ原子
層のＡｌＮ、またはＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)を形成
する第２の工程と、を有し、第１の工程がｎ₁回とな
り、第２の工程がｎ₁−１回となるように両工程を交互
に繰り返して、光機能性化合物半導体超格子構造物を形
成し、第３のステップと第４のステップとを交互にｎ₂
回繰り返すことにより、ｎ₂原子層のＡｌＮ、またはＡ
ｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)から構成される量子障壁層を
形成することを特徴とする。このようにすれば、上記の
光機能性多層体が確実に製造される。

【００１９】また、上記の第１の工程に替わり、基板上
にＧａと窒素原料を同時に供給し、ｍ原子層のＧａＮを
形成する第３の工程を有することを特徴としても良い。
このようにしても、光機能性多層体を製造することがで
きる。

【００２０】本発明に係る量子カスケードレーザ装置
は、キャリアの注入に応じて光を発生する活性層と、活
性層で発生した光からレーザ光を得るための光共振器
と、を備え、活性層は、上記の光機能性多層体から構成
されることを特徴とする。光機能性多層体においては、
基底サブバンド(量子準位ｎ＝１のサブバンド)から第２
サブバンド(量子準位ｎ＝２のサブバンド)へのキャリア
の注入が容易化される。そのため、この光機能性多層体
を活性層として有するレーザ装置に適用すれば、サブバ
ンド間遷移を利用したレーザ装置が確実に実現される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明におい
て同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略す
る。また、説明の便宜上、光機能性化合物半導体超格子
構造物を(ＡｌＮ)_n／(ＧａＮ)_m超格子層と略称する。

【００２２】（第１の実施形態）第１の実施形態におい
ては、金属のＧａ、トリメチルアルミニウム(Trimethyl
Aluminum：ＴＭＡ)及びＮＨ₃を原料とし、サファイア
(Ａｌ₂Ｏ₃)基板上に、(ＡｌＮ)_n／(ＧａＮ)_m(ｎ＝１〜
３，ｍ＝５〜１００)を成長させる場合を説明する。こ
こで、金属のＧａは、市販のペレット状或いはケーク状
のものでよく、９９．９９９９％程度の純度のＧａを使
用できる。

【００２３】図１は、本実施形態の光機能性化合物半導
体超格子構造物の製造方法に好適に使用されるホットウ
ォール法による化合物半導体結晶成長装置を示す構成図
である。図２(ａ)〜(ｂ)は、本実施形態の光機能性化合
物半導体超格子構造物の製造方法における工程を模式的
に示す図である。

【００２４】図１に示すように、この結晶成長装置１０
は、サファイア基板９００(図４参照)を、その鉛直下方
の表面を露出させて収納すると共に、当該基板に加熱及
び光照射を行う基板収納部１００と、鉛直上方が開放さ
れ、窒素ガスを含む気体を加熱する成長室２００と、鉛
直上方が開放され、成長させるべき陽イオン元素材料を
加熱する成長室３００と、鉛直上方が開放され成長室３
００の陽イオン元素材料とは別の成長させるべき陽イオ
ン元素材料を加熱する成長室４００と、基板収納部１０
０で露出された基板の表面(図示下面)を、成長室２０
０，３００，４００の何れかの開放部の上方へ移動する
基板ステージ５００と、基板収納部１００、成長室２０
０，３００，４００及び基板ステージ５００の駆動部
(不図示)を収納すると共に、内部の残留蒸気圧が１×１
０^-4Ｐａ程度以下とする真空槽６００と、を備えてい
る。

【００２５】基板収納部１００は、サファイア基板を保
持する基板ホルダ１１０と、鉛直下方が開放され基板ホ
ルダ１１０を収納する石英管１２０と、この石英管１２
０に巻回されたタングステン線からなる基板ヒータ１３
０と、石英管１２０及び基板ヒータ１３０の回りを取り
囲むステンレス管１４０と、を備える。ステンレス管１
４０は加熱効率を高める。

【００２６】成長室２００は、有底の石英管２１０と、
この石英管２１０に巻回されたタングステン線からなる
ヒータ２２０と、石英管２１０及びヒータ２２０の回り
を取り囲むステンレス管２３０と、を備える。ステンレ
ス管２３０は加熱効率を高める。石英管２１０には、ア
ンモニア(ＮＨ₃)を供給する石英管２４０が挿入されて
いる。

【００２７】成長室３００は、有底の石英管３１０と、
この石英管３１０に巻回されたタングステン線からなる
ヒータ３２０と、石英管３１０及びヒータ３２０の回り
を取り囲むステンレス管３３０と、を備える。ステンレ
ス管３３０は加熱効率を高める。

【００２８】成長室４００は、有底の石英管４１０と、
この石英管４１０に巻回されたタングステン線からなる
ヒータ４２０と、石英管４１０及びヒータ４２０の回り
を取り囲むステンレス管４３０と、を備える。ステンレ
ス管４３０は加熱効率を高める。石英管４１０には、Ｔ
ＭＡを供給する石英管４４０が挿入されている。

【００２９】基板ステージ５００と、成長室２００，３
００，４００との間のギャップは任意に設定可能であ
り、また、基板ステージ５００は、成長室２００，３０
０，４００の上を自由にスライドすることが可能とされ
ている。

【００３０】なお、サファイア基板の温度は、サファイ
ア基板に接触させた熱電対(不図示)でモニタでき、成長
室２００，３００，４００の底部と開口部とには同じく
熱電対(不図示)が接触されていて温度をモニタすること
ができる。

【００３１】次に、結晶成長装置１０を用いて(ＡｌＮ)
₁／(ＧａＮ)₁超格子層を成長させる方法について説明す
る。

【００３２】（基板清浄化工程）先ず、準備段階とし
て、基板の清浄化を行う。サファイア基板９００を、基
板収納部１００の基板ホルダ１１０に取り付け、石英管
３１０の底部にＧａ金属を導入した後、真空槽６００内
の残留蒸気圧を１×１０^-4Ｐａ台まで真空引きを行い、
不純物ガスを排気する。

【００３３】次に、サファイア基板９００を成長室２０
０の上部に移動して、ヒータ２２０により、基板９００
を１０００℃に加熱して、不純物を蒸発させ、サーマル
クリーニングを施す。このとき、ＮＨ₃は供給しない。
この工程により、基板９００の表面が清浄化される。

【００３４】（初期層堆積工程）引き続き、基板９００
の温度を１０００℃は保ったまま、成長室２００の温度
を８８０℃まで上昇させるとともに、アンモニアガスを
１０〜１００ｃｍ³／ｍｉｎの流量で導入し、３０分
間、基板９００の表面をアンモニアガスに晒す。これに
より、基板９００の表面に窒素が化合される。

【００３５】次いで、アンモニアガスの供給を止め、基
板９００を成長室２００の上部からはずし、基板９００
の温度を５５０℃まで下げる。この間に、成長室３００
の底部及び開口部の温度を８１０℃とする。この温度が
安定、すなわち、Ｇａの蒸気圧が安定した後、基板９０
０を成長室３００の上部に移動させ、温度を５５０℃に
保った状態で１〜１０分の間、Ｇａ蒸着膜を基板９００
の表面に堆積させる。

【００３６】次に、再度、成長室２００にアンモニアガ
スを１０〜１００ｃｍ³／ｍｉｎ供給し、流量が安定し
た後、基板９００を成長室３００の上部から成長室２０
０の上部に移動し、この状態を１分間保つ。その後、基
板９００の位置はそのままに保持し、基板９００の温度
を９１０℃まで３分間程度で上昇させる。９１０℃とな
った後、１分間保持すると、基板９００の表面にＧａＮ
の初期層が形成される。

【００３７】（ＡｌＮ堆積工程）次いで、基板９００を
成長室４００の上部に移動して、ヒータ４２０により基
板９００を所定の温度に加熱しながらＴＭＡを導入し、
基板９００表面を任意時間ＴＭＡに晒し、基板９００表
面に一様にＡｌを堆積させる(図４(ａ)参照)。基板９０
０表面に一様にＡｌが堆積すると、それ以上はＡｌは堆
積しない。

【００３８】次いで、基板９００を成長室２００の上部
に移動して、ヒータ２２０により基板９００を所定の温
度に加熱しながらＮＨ₃を導入し、基板９００表面を任
意時間ＮＨ₃に晒す(図４(ｂ)参照)。この時、基板９０
０上には、１層のＡｌＮが形成される。

【００３９】（ＧａＮ堆積工程）次いで、基板９００を
成長室３００の上部に移動して、ヒータ３２０により基
板９００を所定の温度に加熱しながら基板９００表面を
任意時間Ｇａに晒し、基板９００表面に一様にＧａを堆
積させる(図４(ｃ)参照)。基板９００表面に一様にＧａ
が堆積すると、それ以上はＧａは堆積しない。

【００４０】次いで、基板９００を成長室２００の上部
に移動して、ヒータ２２０により基板９００を所定の温
度に加熱しながらＮＨ₃を導入し、基板９００表面を任
意時間ＮＨ₃に晒す(図４(ｄ)参照)。この時、基板９０
０のＡｌＮ上には、ＧａＮが一層形成される。以上の工
程で、ＡｌＮ層の１原子層とＧａＮ層の１原子層とが形
成される。以降、ＡｌＮ堆積工程とＧａＮ堆積工程とを
交互に繰り返すことにより、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁を得
ることができる。

【００４１】なお、(ＡｌＮ)_n／(ＧａＮ)_m(ｎ＝１〜１
０、ｍ＝１〜１００)の構造を作製する場合には、上記
ＡｌＮ堆積工程をｎ回行い、ＧａＮ堆積工程をｍ回行え
ば良い。そして、これらの工程を繰り返すことにより、
(ＡｌＮ)_n／(ＧａＮ)_mを得ることができる。例えば、ｎ
＝１とし、ｍ＝１８とすることにより、(ＡｌＮ)₁／(Ｇ
ａＮ)₁₈超格子層が得られる。

【００４２】次に、上述の製造方法により作製した(Ａ
ｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₈超格子層の評価結果について説明す
る。

【００４３】図３は、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₈超格子層
のＸ線回折パターンを測定値と理論値とで比較して示す
線図である。同図において、符号Ａで示すパターンは測
定パターンである。また、符号Ｂで示すパターンは、１
８原子層のＧａＮと１原子層のＡｌＮとから成る超格子
層に対する理論計算により求めたパターンである。ただ
し、理論計算においては、Ｘ線回折ピークの強度、各ピ
ークが現れる角度、及び各ピーク幅のみを求めた。

【００４４】図３から、測定結果と理論計算の結果とは
良く一致していることが分かる。すなわち、本実施形態
の製造方法により製造した超格子層は、所望の構成(Ｇ
ａＮ１８原子層、ＡｌＮ１原子層)を有していることが
分かった。

【００４５】図４は、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₈超格子層
のフォトルミネッセンス(Photoluminescence：ＰＬ)の
測定結果を示す線図である。なお、この測定は室温にて
行った。また、励起光として、ヘリウム−カドミウムレ
ーザからの波長 ３２５ｎｍの紫外域光を使用した。

【００４６】図４中、ピークＥは、(ＡｌＮ)₁／(Ｇａ
Ｎ)₁₈超格子層により形成される伝導帯の基底サブバン
ドと価電子帯の基底サブバンドとの間の電子遷移による
発光ピークを表している。このピークＥの強度は、本発
明者らの知見によれば、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮの超
格子構造よりも比較的強い。このことから、本実施形態
の製造方法により製造した超格子層は優れた結晶性を有
していることが分かった。

【００４７】図５は、ＰＬＥ(フォトルミネッセンス励
起スペクトル)の測定結果を示す線図である。また、図
５に点線で示すピークは、図４に示したピークＥであ
る。ＰＬＥは、図４において矢印で示す波長５４０ｎｍ
におけるフォトルミネセンス光の強度をモニターし、そ
の強度が励起光の波長に対してどのように変化するかを
調べたものである。

【００４８】図５に示す通り、ＰＬＥ(曲線Ｆ)は、励起
光の波長が３６０ｎｍ以下では略一定であるが、３６０
ｎｍよりも励起光波長が長くなると急激に減少してい
く。また、励起光の波長が３６５ｎｍ以上では、ＰＬＥ
は認められなくなる。ＰＬＥが減少していく波長は、伝
導帯の基底サブバンドと価電子帯の基底サブバンドとの
間の電子遷移による発光を示すピークＥとほぼ一致して
いる。この結果から、波長５４０ｎｍのフォトルミネセ
ンス光は、伝導帯の基底サブバンドと価電子帯の基底サ
ブバンドとの間に形成された深い準位を介して、伝導帯
の基底サブバンドから価電子帯の基底サブバンドへと電
子が遷移する際に放出される光であることが分かる。こ
の結果は、また、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₈超格子層に、
所望のサブバンドが形成されていることを示唆してい
る。

【００４９】次に、本発明者らは、上述の製造方法によ
り(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₁超格子を作製した。以下に、
(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₁超格子層の特性評価について説
明する。

【００５０】図６は、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₁超格子層
のＸ線回折パターンを測定値と理論値とで比較して示す
線図である。同図において、符号Ｃで示すパターンは測
定パターンであり、符号Ｄで示すパターンは理論計算に
よるパターンである。理論計算は、１１原子層のＧａＮ
と１原子層のＡｌＮとから成る超格子層に対して行い、
Ｘ線回折ピークの強度、各ピークが現れる角度、及び各
ピーク幅を求めた。

【００５１】図６から分かるように、測定結果と理論計
算の結果とは良く一致している。すなわち、本実施形態
の製造方法により製造した超格子層は、目標通り、１１
原子層のＧａＮと１原子層のＡｌＮとから構成されてい
ることが分かった。

【００５２】上述の製造方法によれば、結晶性が良く、
しかも、井戸層及び障壁層の層厚が極めて精度良く調整
された(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)_m超格子層が得られる。ま
た、本実施形態の成長方法によれば、有機金属気相成長
(Metalorganic Chemical VaporDeposition：ＭＯＣＶ
Ｄ)法、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy：
ＭＢＥ)法、及び化学ビームエピタキシー(Chemical Bea
m Epitaxy：ＣＢＥ)法などといった装置構成が複雑で高
価な装置を用いることなく、高品質な(ＡｌＮ)₁／(Ｇａ
Ｎ)_m超格子層を提供できる。

【００５３】(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)_m超格子層は、伝導帯
において、大きなサブバンドブロードニングを持ち、薄
いＡｌＮ障壁層とＧａＮ井戸層の間に生じる格子歪みが
小さいため、ピエゾ効果も小さい。また、サブバンド間
の遷移を利用すれば、中赤外域の発光素子等への応用が
可能である。例えば、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)_m(ｍ＝ ９)
の構造において、波数ｋ＝π／Ｌにおいて電子がサブバ
ンド間遷移すると、中赤外領域に相当する光が放出され
る。さらに、波数ｋ＝０におけるサブバンド間遷移（吸
収）は、光ファイバ通信への応用に好適な波長領域に相
当する。これらの遷移を利用すれば、新たな光学素子が
実現され得る。

【００５４】（第２の実施形態）(ＡｌＮ)_n／(ＧａＮ)_m
超格子層において生じるピエゾ効果を積極的に利用すれ
ば、更に新しい光学素子を実現することも可能である。
第２の実施形態においては、ピエゾ効果が顕著に現れる
半導体光機能性多層体について説明する。なお、以下の
説明では、簡単のため、半導体光機能性多層体を多層体
と記す。

【００５５】図７(ａ)は、外部電圧を印加していないと
きの多層体のバンド構造を示す模式図である。図７(ｂ)
は、外部電圧を印加したときの同多層体のバンド構造を
示す模式図である。なお、図７(ａ)，(ｂ)においては、
伝導帯のバンド構造のみが示されている。

【００５６】図７(ａ)を参照すると、多層体１００は、
ＧａＮ層Ｗ₁〜Ｗ₆とＡｌＮ層Ｂ₁〜Ｂ₅とがＷ₁，Ｂ₁，Ｗ
₂，…，Ｗ₅，Ｂ₅，Ｗ₆といった順に交互に形成された超
格子１０１を有する。さらに、ＧａＮ層Ｗ₆のＡｌＮ層
Ｂ₅と反対側の面にＡｌＮ層Ｐ₁が形成されている。そし
て、ＡｌＮ層Ｐ₁に隣接して超格子１０２が形成され、
さらに、ＡｌＮ層Ｐ₂を介して超格子１０３が形成され
ている。すなわち、多層体１００においては、超格子１
０１，１０２，１０３と、ＡｌＮ層Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃とが
交互に積層されている。ここで、ＧａＮ層Ｗ₁〜Ｗ₆は９
原子層から構成されることができる。また、ＡｌＮ層Ｂ
₁〜Ｂ₅は１原子層から構成されることができ、ＡｌＮ層
Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃はＡｌＮの５原子層から構成されること
ができる。以下、このような構成を場合により[(Ａｌ
Ｎ)₁／(ＧａＮ)₉]₆／(ＡｌＮ)₄と記す。この表記におい
て、[(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₉]₆は、(ＡｌＮ)₁層と(Ｇａ
Ｎ)₉層とが交互に６層ずつ積層されることを示す。すな
わち、上記の表記は、図７(ａ)におけるＧａＮ層Ｗ₆の
ＡｌＮ層Ｂ₅と反対側に１原子層ＡｌＮが形成され、さ
らに、この１原子層ＡｌＮに隣接して(ＡｌＮ)₄層が形
成されていることを示している。この１原子層ＡｌＮと
(ＡｌＮ)₄層とにより、５原子層のＡｌＮ層Ｐ₂が構成さ
れている。

【００５７】このような構成は、例えばサファイア(Ａ
ｌ₂Ｏ₃)基板の（０００１）面上に構成されることがで
きる。この場合、ＡｌＮ及びＧａＮの間には成長面内で
２．４％の格子不整合がある。ＡｌＮの格子定数はＧａ
Ｎより小さいため、多層体１００中では、ＡｌＮ層Ｂ₁
〜Ｂ₅，Ｐ₁〜Ｐ₃には２次元的な引張り応力が働き、Ｇ
ａＮ層Ｗ₁〜Ｗ₆には２次元的な圧縮応力が働く。引張り
応力と圧縮応力とが釣り合い、成長面内での各層の格子
定数は等しくなる。すなわち、ＡｌＮ層には、成長面内
の格子定数がバルクのＡｌＮ層よりも大きくなるよう格
子歪が生じ、ＧａＮ層には、成長面内の格子定数がバル
クのＧａＮよりも小さくなるよう格子歪が生じている。
このようにして生じる格子歪により、各層内にはピエゾ
電圧が発生する。具体的には、ＡｌＮ層Ｂ₁〜Ｂ₅(１原
子層)には０．１Ｖ程度のピエゾ電圧が加わり、ＧａＮ
層Ｗ₁〜Ｗ₆(９原子層)にはＡｌＮと反対方向にピエゾ電
圧が加わる。また、ＡｌＮ層Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃(５原子層)
には、０．５Ｖ程度の比較的高いピエゾ電圧が生じてい
る。各層においてピエゾ電圧が生じる結果、この超格子
の伝導帯の下端は、図７(ａ)に示す通り、平衡状態にお
いて、傾くこととなる。このような傾きにより、平衡状
態時には、超格子１０１〜１０３における量子準位はＧ
ａＮ層Ｗ₁〜Ｗ₆に局在化される。

【００５８】超格子１０１，１０２，１０３内での平均
的な電界がゼロになるように多層体１００に外部電圧を
印加すると、図７(ｂ)に示す通り、局在化された量子準
位からサブバンドが形成される。ここで、量子井戸層Ｐ
₂に生じる０．５Ｖのピエゾ電圧のために、超格子１０
３の基底サブバンドは、超格子１０２の量子準位ｎ＝２
のサブバンド(以下、第２サブバンド)とほぼ等しいエネ
ルギーレベルに位置する。したがって、超格子１０３の
基底サブバンドの電子は、ＡｌＮ層Ｐ₂をトンネルし、
超格子１０２の第２サブバンドへと注入される。すなわ
ち、第２の実施形態の半導体光機能性多層体において
は、電流注入が容易化される。

【００５９】以下に、図１に示す結晶成長装置１０を用
いて実施される多層体１００の製造方法を説明する。先
ず、第１の実施形態において説明した基板清浄化工程及
び初期層堆積工程を行って、基板９００上にＧａＮの初
期層を形成する。

【００６０】（１原子層のＡｌＮを堆積する工程）次い
で、基板９００を成長室４００の上部に移動して、ヒー
タ４２０により基板９００を所定の温度に加熱しながら
ＴＭＡを導入し、基板９００表面を任意時間ＴＭＡに晒
し、基板９００表面に一様にＡｌを堆積させる(図４
(ａ)参照)。基板９００表面に一様にＡｌが堆積した後
には、Ａｌは堆積されない。そのため、基板９００上に
はＡｌ原子が一層分堆積されることとなる。次に、基板
９００を成長室２００の上部に移動して、ヒータ２２０
により基板９００を所定の温度に加熱しながらＮＨ₃を
導入し、基板９００表面を任意時間ＮＨ₃に晒す(図４
(ｂ))。この時、基板９００上には、ＡｌＮが一層形成
される。

【００６１】（超格子形成工程）先ず、ＧａＮを１原子
層だけ堆積する手順を説明する。基板９００を成長室３
００の上部に移動して、ヒータ３２０により基板９００
を所定の温度に加熱しながら基板９００表面を任意時間
Ｇａに晒し、基板９００表面に一様にＧａを堆積させる
(図４(ｃ))。基板９００表面に一様にＧａが堆積した後
には、Ｇａは堆積されない。そのため、基板９００上に
はＧａ原子が一層分だけ堆積されることとなる。次に、
基板９００を成長室２００の上部に移動して、ヒータ２
２０により基板９００を所定の温度に加熱しながらＮＨ
₃を導入し、基板９００表面を任意時間ＮＨ₃に晒す(図
４(ｄ))。以上により、ＧａＮが１原子層堆積される。
この後、ＧａＮを１原子層堆積する手順が８回繰り返さ
れて、９原子層からなるＧａＮ層Ｂ₁が堆積される。

【００６２】次いで、上述した１原子層のＡｌＮを堆積
する工程及び９原子層のＧａＮを堆積する工程が交互に
５回ずつ繰り返されると、１原子層のＡｌＮ層Ｗ₁〜Ｗ₅
と、９原子層のＧａＮ層Ｂ₂〜Ｂ₆とが形成される。すな
わち、超格子１０１が形成される。

【００６３】（５原子層のＡｌＮを堆積する工程）この
工程においては、上述の１原子層のＡｌＮを堆積する工
程が５回繰り返される。これにより、５原子層からなる
ＡｌＮ層Ｐ₁が形成される。

【００６４】以降、超格子形成工程と、５原子層のＡｌ
Ｎを堆積する工程とを交互に繰り返すことにより、[(Ａ
ｌＮ)₁／(ＧａＮ)₉]₆／(ＡｌＮ)₄を得ることができる。
この製造方法においては、超格子１０１を形成する際
に、１原子層のＡｌＮを堆積する工程は９原子層のＧａ
Ｎを堆積する工程と交互に５回行われる。そして、次の
６回目には、この工程そのものが５回繰り返される。こ
のような手順によれば、多層体１００を容易に得ること
ができる。

【００６５】（第３の実施形態）第３の実施形態におい
ては、上記の多層体を応用した量子カスケードレーザ装
置について説明する。図８は、本実施形態の量子カスケ
ードレーザ装置の構造を示す模式図である。量子カスケ
ードレーザ装置１は、サファイア基板２の(０００１)面
上に、バッファ層３、ｎ型コンタクト層４、クラッド層
５、光ガイド層６、活性層７、光ガイド層８、クラッド
層９、及び上部ｎ型コンタクト層１０が順次積層されて
構成される。コンタクト層４の一部には電極１１が設け
られ、コンタクト層１０には電極１２が設けられてい
る。

【００６６】バッファ層３はアンドープＧａＮから形成
される。コンタクト層４は、シリコン(Ｓｉ)が添加され
たＧａＮから形成され、その電子濃度は１×１０¹⁸ｃｍ
^-3とすることができる。クラッド層５は、Ｓｉが添加さ
れたｎ型のＡｌＧａＮから形成されてよく、その電子濃
度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3とすることができる。活性層７
は、上述の[(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₉]₆／(ＡｌＮ)₄といっ
た構成を有する。また、活性層７においては、[(Ａｌ
Ｎ)₁／(ＧａＮ)₉]₆層とＡｌＮ₄層とが交互に数十層から
百層程度積層されている。活性層はアンド−プで電子濃
度は1×１０¹⁷ｃｍ^{- 3}程度とすることができる。光ガイ
ド層８は、アンドープｎ型のＧａＮから形成される。ク
ラッド層９は、Ｓｉが添加されたｎ型のＡｌＧａＮから
形成され、その正孔濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3とすること
ができる。ｎ型コンタクト層１０は、Ｓｉが添加された
ｎ型ＧａＮから形成され、その正孔濃度は１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3とすることができる。また、量子カスケードレーザ
装置１においては対となる端面に、光共振器としてのミ
ラー面７ａ，７ｂが形成されている。なお、活性層７
は、上述の多層体１００の製造方法により形成されるこ
とができる。層３〜６，８〜１０については、図１に示
す結晶成長装置１０を利用して形成できる。

【００６７】以下、量子カスケードレーザ装置１の動作
を図７及び図８を参照しながら説明する。図７におい
て、左が基板側であり、右側に成長表面がある。ＡｌＮ
層とＧａＮ層に生じるピエゾ電界は、成長の際の結晶方
位により異なり、この成長法では、図７(ａ)に示す通
り、ピエゾ電界が加わる。上記の構成を有する量子カス
ケードレーザ装置１において、電極１１に対して電極１
２が負電位となるように両電極１１，１２間に電圧を印
加する。すると、電子が、電極１２、コンタクト層１
０、クラッド層９、及び光ガイド層８を順次通過し、活
性層７へ至る。活性層７においては、図７(ｂ)に例示さ
れる通り、超格子１０３の基底サブバンドから、超格子
１０２の第２サブバンドへと電子が注入される。注入さ
れた電子は基底サブバンドへ遷移する。このとき、両サ
ブバンド間のエネルギーギャップに相当するエネルギー
が光ｈνとして放出される。超格子１０２の基底サブバ
ンドに遷移した電子は、続いて、超格子１０１の第２サ
ブバンドへと注入される。この後、第２サブバンドに注
入された電子は、超格子１０１内において基底サブバン
ドへと遷移する。このときにも、両サブバンド間のエネ
ルギーバンドギャップに相当するエネルギーが光ｈνと
して放出される。このようにして、電子は各超格子へと
次々と移動していき、光ガイド層６へと到達する。以
降、電子は、クラッド層５及びコンタクト層４を順次通
過し、電極１１を通って外部回路(図示せず)に至る。

【００６８】活性層７において、電子がサブバンド間で
遷移する際に放出された光ｈνは、ミラー面７ａ，７ｂ
との間で共振されてレーザ発振が起こり、レーザ光Ｌが
ミラー面７ｂを通して放射される。

【００６９】量子カスケードレーザ装置は、１９９４年
にベル研究所で開発され、現在まで著しい進歩を示して
いる。ベル研究所において開発されたＡｌＧａＡｓ/Ｉ
ｎＧａＡｓ量子カスケードレーザ装置では、文献「J.Fa
ist, F.Capasso, D.L.Sivco,C.Sirtori, A.L.Hutchinso
n, and A.Y.Cho, "Quantum cascade laser," Science,
vol.264, p.553, 1994」)に示されるように、量子井戸
の幅が発光層へと向かう方向に沿って漸次狭くなる構造
を利用し、基底サブバンドから上位のサブバンドへ電流
を注入している。このような構造では、各層の膜厚が高
度に制御されなければ電流注入効率が低下し、発光強度
が低下することとなる。したがって、製造歩留まりを向
上させることは難しい。また、このような構造を形成す
るには、高度な膜厚制御性及び平坦性を可能とする高価
な結晶成長装置が必要である。そのため、当該量子カス
ケードレーザ装置は高価となってしまうという問題もあ
る。

【００７０】これに対し、本実施形態の量子カスケード
レーザ装置１は、上述した多層体１００を活性層７とし
て利用しているため、基底サブバンドから第２サブバン
ドへ電子が容易に注入される。また、量子カスケードレ
ーザ装置１は、従来の量子カスケードレーザ素子と異な
り、量子井戸層幅が漸次変化する注入層を有していない
ため、構成が単純であり、その作製もまた容易である。
高価な結晶成長装置を用いなくても、量子カスケードレ
ーザ装置１は、例えば、図１に示す結晶成長装置１０に
より容易に作製されることができる。

【００７１】さらに、活性層５の ［(ＡｌＮ)_n／(Ｇ
ａＮ)_m］_n1／(ＡｌＮ)_n2―nといった構成において、ｎ
及びｍを適宜決定すれば、レーザ光の波長を所望の値に
することができる。また、ｎ₂を適当な値に選ぶことに
より(ＡｌＮ)_n2層に加わるピエゾ電界を調整できるの
で、電子を伝導帯基底サブバンドから第２サブバンドへ
一層効率良く注入することが可能である。また、［(Ａ
ｌＮ)_n／(ＧａＮ)_m］層の波数ｋ＝π/Ｌでの電子の反転
分布が容易に得られるため、レ−ザ発振が容易に得られ
るという利点も有している。

【００７２】以上、本発明を幾つかの実施形態を参照し
ながら説明したが、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、様々に変形が可能である。また、上記実
施形態においては、伝導帯に形成される量子準位及びサ
ブバンドについて説明したが、価電子帯にも同様に量子
準位及びサブバンドが形成されるため、これらを用いて
も同様の効果が奏されることは言うまでもない。

【００７３】上記実施形態においては、基板としてサフ
ァイア(Ａｌ₂Ｏ₃)基板を用いているが、ＺｒＢ₂、Ｂ
Ｎ、ＳｉＣ、ＧａＡｓまたはＺｎＯの何れかからなる基
板を使用しても同様に良質の窒素系化合物半導体の形成
が可能である。

【００７４】また、上記実施形態においては、化合物半
導体の金属元素材料の供給を、金属のＧａとＴＭＡとを
原料として行っているが、ＴＭＧと金属のＡｌとの組み
合わせであっても良い。

【００７５】さらに、上記実施形態においては、ホット
ウォール法による化合物半導体結晶成長装置を用いた
が、本発明の製造方法は、この成長装置による実施に限
られるものではない。例えば、Ｇａと窒素原料とを基板
上に同時に供給できる成長装置を用いても良い。このよ
うな成長装置は、例えば、成長室２００と同様、成長室
３００にアンモニア(ＮＨ₃)を供給する石英管を設ける
ことにより実現される。この場合には、Ｇａ及び窒素原
料の供給量を適宜調整の上、Ｇａ及び窒素原料を同時に
基板上に供給することにより、ＧａＮがｍ原子層成長さ
れる。その後、成長室２００と成長室４００とを用い
て、上述のＡｌＮの作製工程をｎ回行なうことにより、
ＡｌＮ層がｎ原子層形成される。以降、このようなＧａ
Ｎのｍ原子層の成長と、ＡｌＮのｎ原子層の成長とを繰
り返すことにより、ｎ原子層のＡｌＮとｍ原子層のＧａ
Ｎと有する光機能性化合物半導体超格子構造物が製造さ
れ得る。また、光機能性多層体における光機能性化合物
半導体超格子構造物を製造する際に、Ｇａ及び窒素原料
を同時に基板上に供給することにより、ｍ原子層のＧａ
Ｎを形成することもできる。

【００７６】さらに、各成長室の温度、ＮＨ₃ガスの供
給量、基板をＮＨ₃ガスに晒す時間、及び真空槽内の圧
力等の成長条件は適宜設定されて良いことは言うまでも
ない。

【００７７】さらにまた、第３の実施形態における多層
体１００は、９原子層のＧａＮ６層と１原子層のＡｌＮ
５層とが交互に積層された超格子と、５原子層のＡｌＮ
とが交互に積層されて構成された。しかしながら、本発
明に係る光機能性多層体は、Ｎ₁層のｍ原子層ＧａＮ及
びｎ₁−１層のｎ原子層ＡｌＮ又はＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜
ｘ＜１)とが交互に積層された光機能性化合物半導体超
格子構造物と、ｎ₂原子層のＡｌＮとが交互に積層され
て構成されてよい。ここで、ｍは５〜１００の範囲の自
然数であり、ｎは１〜３の範囲の自然数であり、ｎ₁は
２〜１００の範囲の自然数であり、ｎ₂は４〜１０の範
囲の自然数であるように、適宜選択されて良い。これら
を適宜選択することにより、所望の性質を有する光機能
性多層体を得ることができる。また、このような光機能
性多層体を用いれば、所望の特性を有する量子カスケー
ドレーザ装置を実現できる。

【００７８】なお、ＧａＮとＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜
１)とが交互に積層された光機能性化合物半導体超格子
構造物を作製する場合には、第１の実施形態におけるＡ
ｌＮ堆積工程において、基板９００表面にＡｌ原子を堆
積させた後、基板９００を成長室３００の上部に移動す
る。次に、基板９００表面にＧａ原子を堆積させた後、
基板９００を成長室２００の上部に移動する。そして、
基板９００表面にＮ原子を堆積させれば良い。Ａｌ原子
を堆積させる際に、ＴＭＡ供給量、ＴＭＡ供給時間、又
は基板９００の温度を調整することにより、基板９００
表面に堆積するＡｌ原子の数を決定できる。また、Ｇａ
原子を堆積させる際に、堆積時間又は基板９００の温度
を調整することにより、基板９００表面に堆積されるＧ
ａ原子の数を決定できる。すなわち、これら条件を調整
することにより、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)の組成比
ｘを決定できる。本発明に係る光機能性化合物半導体超
格子構造物において、第２の膜がＡｌ_xＧａ_1-xＮから構
成されると、ＡｌＮから構成される場合に比べ、第１サ
ブバンドのバンド幅を広く保った状態で、第１及び第２
のサブバンド間のエネルギー差を小さくできる。この小
さなエネルギー差を利用すれば、レーザ光の長波長化が
実現される。また、このエネルギー差を利用すれば、長
波長光レーザ装置の高温動作が実現される。

【００７９】さらに、第３の実施形態においては、ミラ
ー面７ａ，７ｂを有するファブリ・ペロー共振器型の量
子カスケードレーザ装置を例示したが、本発明に係る量
子カスケードレーザ装置は、分布帰還(distributed fee
dback：ＤＦＢ)型共振器、又は分布ブラッグ反射(Distr
ibuted Bragg Reflector：ＤＢＲ)型共振器を備えるよ
う構成されてよい。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、独特な
光学的特性を有する光機能性化合物半導体超格子構造物
を提供するものである。また、本発明による光機能性化
合物半導体超格子構造物の製造方法によれば、結晶性に
優れ、しかも、井戸層及び障壁層の層厚が極めて精度良
く調整された光機能性化合物半導体超格子構造物が提供
される。すなわち、本発明によれば、従来にない特性を
有する光学素子が実現される可能性が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本実施形態による光機能性化合物半導
体超格子構造物の製造方法に好適に使用されるホットウ
ォール法による化合物半導体結晶成長装置を示す構成図
である。

【図２】図２(ａ)〜(ｄ)は、本実施形態の光機能性化合
物半導体超格子構造物の製造方法における工程を模式的
に示す図である。

【図３】図３は、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₈超格子層のＸ
線回折パターンを測定値と理論値とで比較して示す線図
である。

【図４】図４は、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₈超格子構造の
フォトルミネッセンス測定結果を示す線図である。

【図５】図５は、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₈超格子構造の
フォトルミネッセンス励起スペクトル測定結果を示す線
図である。

【図６】図６は、(ＡｌＮ)₁／(ＧａＮ)₁₁超格子構造の
Ｘ線回折パターンを測定値と理論値とで比較して示す線
図である。

【図７】図７(ａ)は、外部電圧を印加していない場合の
半導体構造物のバンド構造を示す模式図である。図７
(b)は、外部電圧を印加したときの当該半導体構造物の
バンド構造を示す模式図である。

【図８】図８は、本発明に係る量子カスケードレーザ装
置の一実施形態を示す概略図である。

【符号の説明】

１００…基板収納部、１１０…基板ホルダ、１２０…石
英管、１３０…基板ヒータ、１４０…ステンレス管、２
００…成長室、２１０…石英管、２２０…ヒータ、２３
０…ステンレス管、２４０…石英管、３００…成長室、
３１０…石英管、３２０…ヒータ、３３０…ステンレス
管、５００…基板ステージ、６００…真空槽、９００…
基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 正志 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE11 BE13 BE15 DB08 ED06 EF05 HA02 5F041 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA66 5F073 AA45 AA74 CA02 CA07 CB05 CB07 DA06 5F103 AA03 BB36 DD30 GG01 HH03 LL03 RR05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｍ原子層(ｍは自然数)のＧａＮから構成
   される第１の膜と、ｎ原子層(ｎは自然数)のＡｌＮ、ま
   たはＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)から構成される第２の
   膜と、が交互に積層され、 ｍ＝５〜１００、 ｎ＝１〜３、 といった関係を満たすことを特徴とする光機能性化合物
   半導体超格子構造物。
2. 【請求項２】 基板上に複数の原料を供給し、請求項１
   記載の光機能性化合物半導体超格子構造物を製造する方
   法であって、 前記基板上にガリウム原子を吸着させる第１の工程と、 ガリウム原子が吸着した前記基板上に窒素原子を吸着さ
   せる第２の工程と、 前記基板上にアルミニウム原子、またはアルミニウム原
   子及びガリウム原子を吸着させる第３の工程と、 アルミニウム原子、またはアルミニウム原子及びガリウ
   ム原子が吸着した前記基板上に窒素原子を吸着させる第
   ４の工程と、を有し、 前記第１の工程と前記第２の工程とを１回ずつ又は複数
   回交互に行うことによる前記ｍ原子層のＧａＮの形成
   と、 前記第３の工程と前記第４の工程とを１回ずつ又は複数
   回交互に行うことによる前記ｎ原子層のＡｌＮ、または
   Ａｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)の形成と、を交互に行うこ
   とを特徴とする光機能性化合物半導体超格子構造物の製
   造方法。
3. 【請求項３】 基板上にＧａと窒素原料を同時に供給し
   てＧａＮをｍ原子層成長させ、 前記第３の工程と前記第４の工程とを交互にｎ回(ｎは
   自然数)行うことにより、前記ｎ原子層のＡｌＮ、また
   はＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)をｍ原子層形成された前
   記ＧａＮ層上に形成することを特徴とする請求項２記載
   の光機能性化合物半導体超格子構造物の製造方法。
4. 【請求項４】 前記基板が、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＢ₂、Ｂ
   Ｎ、ＳｉＣ、ＧａＡｓまたはＺｎＯの何れかからなる基
   板であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光機
   能性化合物半導体超格子構造物の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載の光機能性化合物半導体超
   格子構造物と、ｎ₂原子層のＡｌＮ、またはＡｌ_xＧａ
   _1-xＮ(０＜ｘ＜１)から構成される量子障壁層と、が交
   互に積層され、 前記光機能性化合物半導体超格子構造物内において、ｍ
   原子層のＧａＮから構成される第１の膜の数はｎ₁であ
   り、ｎ原子層のＡｌＮから構成される第２の膜の数はｎ
   ₁−１であり、 ｍ＝５〜１００(ｍは自然数)、 ｎ＝１〜３(ｎは自然数)、 ｎ₁＝２〜１０(ｎ₁は自然数)、 ｎ₂＝４〜１０(ｎ₂は自然数)、 といった関係を満たすことを特徴とする光機能性多層
   体。
6. 【請求項６】 基板上に複数の原料を供給し、請求項５
   記載の光機能性多層体を製造する方法であって、 前記基板上にガリウム原子を吸着させる第１のステップ
   と、前記ガリウム原子が吸着した前記基板上に窒素原子
   を吸着させる第２のステップとをｍ回交互に行うことに
   より、前記ｍ原子層のＧａＮを形成する第１の工程と、 前記基板上に、アルミニウム原子、またはアルミニウム
   原子及びガリウム原子を吸着させる第３のステップと、
   アルミニウム原子、またはアルミニウム原子及びガリウ
   ム原子が吸着した前記基板上に窒素原子を吸着させる第
   ４のステップとをｎ回交互に行うことにより、前記ｎ原
   子層のＡｌＮ、またはＡｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)を形
   成する第２の工程と、を有し、 前記第１の工程がｎ₁回となり、前記第２の工程がｎ₁−
   １回となるように両工程を交互に繰り返して、前記光機
   能性化合物半導体超格子構造物を形成し、 前記第３のステップと前記第４のステップとを交互にｎ
   ₂回繰り返すことにより、ｎ₂原子層のＡｌＮ、またはＡ
   ｌ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜１)から構成される量子障壁層を
   形成することを特徴とする光機能性多層体の製造方法。
7. 【請求項７】 前記第１の工程に替わり、前記基板上に
   Ｇａ及び窒素原料を同時に供給し、前記ｍ原子層のＧａ
   Ｎを形成する第３の工程を有することを特徴とする請求
   項６記載の光機能性多層体の製造方法。
8. 【請求項８】 キャリアの注入に応じて光を発生する活
   性層と、 前記活性層で発生した光からレーザ光を得るための光共
   振器と、を備え、 前記活性層は、請求項５記載の光機能性多層体から構成
   されることを特徴とする量子カスケードレーザ装置。