JP2563530B2 - 超格子構造素子 - Google Patents
超格子構造素子Info
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Landscapes
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は高移動度トランジスターをはじめとする電子
素子、半導体レーザーなどのオブトエレクトロニクス素
子、その他高品質の結晶性を要求される超格子構造を利
用した素子等に用いられる超格子構造素子に関する。
素子、半導体レーザーなどのオブトエレクトロニクス素
子、その他高品質の結晶性を要求される超格子構造を利
用した素子等に用いられる超格子構造素子に関する。
従来の技術 超格子は自然界には存在しない原子，分子配列を持つ
物質を人工的に作製し、在来物質による機能の向上、新
しい機能の創造をめざす試みとしてその研究開発は近年
ますますさかんになってきている。特にGaAs/AlAs系な
どのIII−Ｖ族化合物半導体超格子を利用したものは一
部デバイス化されている。これらをはじめとしてすでに
実用化されているヘテロ積層構造あるいは超格子構造に
おいては、基板と超格子、あるいは超格子を構成してい
る物質どうしの結晶格子定数はきわめて近い値を有して
おり、結晶欠陥を生ずることなく良質のヘテロエピタキ
シャル成長が可能な組合せが比較的容易に得られてい
る。
物質を人工的に作製し、在来物質による機能の向上、新
しい機能の創造をめざす試みとしてその研究開発は近年
ますますさかんになってきている。特にGaAs/AlAs系な
どのIII−Ｖ族化合物半導体超格子を利用したものは一
部デバイス化されている。これらをはじめとしてすでに
実用化されているヘテロ積層構造あるいは超格子構造に
おいては、基板と超格子、あるいは超格子を構成してい
る物質どうしの結晶格子定数はきわめて近い値を有して
おり、結晶欠陥を生ずることなく良質のヘテロエピタキ
シャル成長が可能な組合せが比較的容易に得られてい
る。
一方、格子定数に数％あるいはそれ以上の差があり、
結晶成長にとっては無視しえない影響があるが、他の物
質では代用の可能性がないためにこれらの歪をとり込ん
だ形でのいわゆる歪超格子も各種試みられはじめてい
る。これは格子が若干の歪みを有した状態で、かつ格子
緩和を起こしてしまわないようにエピタキシャル成長さ
せようとするものである。
結晶成長にとっては無視しえない影響があるが、他の物
質では代用の可能性がないためにこれらの歪をとり込ん
だ形でのいわゆる歪超格子も各種試みられはじめてい
る。これは格子が若干の歪みを有した状態で、かつ格子
緩和を起こしてしまわないようにエピタキシャル成長さ
せようとするものである。
発明が解決しようとする課題 １種類の物質によるヘテロエピタキシャル成長あるい
は超格子の成長においても格子定数の相異に起因する欠
陥の低減は重要な課題であり、そのために数々の制約が
生じている。基板とその上にエピタキシャル成長させよ
うとする膜との間にバッファー層を形成し格子緩和を終
了させてしまって後に必要な膜を形成するという対応策
があるが、この方法ではバッファー層形成という工程の
増加を伴い、また、基板と膜との直接コンタクトをデバ
イス機能上必要とする場合には不適当である。一方、格
子定数の相異を有する場合、成長させる膜厚をその格子
定数の差に依存したある厚さ以下にとどめるならば欠陥
を生じないことが知られているが、この臨界膜厚は必ず
しも理論的に決定できるものではなく、成膜条件によっ
ても左右されることがわかってきている。したがって、
膜厚をある厚さ以下にとどめる方法は必ずしも有効とは
言えず、様々な機能を追求する超格子の設計にとっては
制約となってしまう。
は超格子の成長においても格子定数の相異に起因する欠
陥の低減は重要な課題であり、そのために数々の制約が
生じている。基板とその上にエピタキシャル成長させよ
うとする膜との間にバッファー層を形成し格子緩和を終
了させてしまって後に必要な膜を形成するという対応策
があるが、この方法ではバッファー層形成という工程の
増加を伴い、また、基板と膜との直接コンタクトをデバ
イス機能上必要とする場合には不適当である。一方、格
子定数の相異を有する場合、成長させる膜厚をその格子
定数の差に依存したある厚さ以下にとどめるならば欠陥
を生じないことが知られているが、この臨界膜厚は必ず
しも理論的に決定できるものではなく、成膜条件によっ
ても左右されることがわかってきている。したがって、
膜厚をある厚さ以下にとどめる方法は必ずしも有効とは
言えず、様々な機能を追求する超格子の設計にとっては
制約となってしまう。
課題を解決するための手段 そこで、本発明においては超格子を構成する物質のみ
により各層の層厚の組合せを次のようにすることにより
基板の格子との整合をとる。すなわち、基板物質の格子
定数よりも大きな物質および小さな物質の組合せによる
超格子において、まず平均の格子定数が基板のそれより
もわずかに大きくなるように超格子を構成する２種類の
物質の各層厚を定めた超格子Ｉを基板上に形成し、次に
超格子としての平均の格子定数が基板のよりもわずかに
小さくなるように組合せた超格子IIを形成する。
により各層の層厚の組合せを次のようにすることにより
基板の格子との整合をとる。すなわち、基板物質の格子
定数よりも大きな物質および小さな物質の組合せによる
超格子において、まず平均の格子定数が基板のそれより
もわずかに大きくなるように超格子を構成する２種類の
物質の各層厚を定めた超格子Ｉを基板上に形成し、次に
超格子としての平均の格子定数が基板のよりもわずかに
小さくなるように組合せた超格子IIを形成する。
作用 このように同一物質系による超格子を基格の格子定数
よりも大きなものと小さなものとの組合せとして構成す
ることにより、単一構造の超格子では必ずしも基板との
格子整合がとれない薄層の繰返しによる超格子において
もはるかに整合性良く、単一超格子の臨界膜厚を超えた
厚さまでエピタキシャル成長されることが可能となる。
よりも大きなものと小さなものとの組合せとして構成す
ることにより、単一構造の超格子では必ずしも基板との
格子整合がとれない薄層の繰返しによる超格子において
もはるかに整合性良く、単一超格子の臨界膜厚を超えた
厚さまでエピタキシャル成長されることが可能となる。
実 施 例 本発明は格子定数の異なる物質の組合せを積極的に利
用するものであり、各種の物質に適用できるが、ここで
はワイドバンドギャップのII−VI族化合物半導体による
超格子に関し具体的実施例を述べる。これらのヘテロエ
ピタキシャル成長に用いる基板としてはその品質，取扱
いに関する技術の蓄積等を考慮するとGaAsが最も適して
いる。GaAsの格子定数は5.6533Åであり、ワイドバンド
ギャップのII−VI族化合物半導体の中で格子定数が大き
いものと小さいものの組合せとしてはZnTeおよびZnSが
可能である。格子定数の大小のみから単純に考えるなら
ばZnTeとZnSをそれぞれ適当な厚さに定めればGaAs基板
と平均的に格子整合をとることが可能なようにみえる
が、超格子としての量子効果、たとえばポテンシャル井
戸のトンネルを利用する場合などは各層厚を非常に薄く
する必要があり、特に各層が数十原子層あるいはそれ以
下を要する場合にはどのように組合せても格子整合はと
れない。したがって各層を薄くする場合には超格子をそ
の平均格子定数が基板のものよりも若干大きいものと小
さいものの２部分に分け、全体の平均として格子整合を
とる必要がある。この様子を模式的に第１図に示す。超
格子Ｉの平均格子定数dSI,超格子IIの平均格子定数dS
II,および基板の格子定数dGaAsの大小関係は dS II＜dGaAs＜dS I であり、dSIおよびdS IIをdGaAsに近い値とすることはZ
nTeおよびZnS各層が薄くなっても可能であるから、超格
子ＩとIIを合わせた全体としての格子整合が可能とな
る。
用するものであり、各種の物質に適用できるが、ここで
はワイドバンドギャップのII−VI族化合物半導体による
超格子に関し具体的実施例を述べる。これらのヘテロエ
ピタキシャル成長に用いる基板としてはその品質，取扱
いに関する技術の蓄積等を考慮するとGaAsが最も適して
いる。GaAsの格子定数は5.6533Åであり、ワイドバンド
ギャップのII−VI族化合物半導体の中で格子定数が大き
いものと小さいものの組合せとしてはZnTeおよびZnSが
可能である。格子定数の大小のみから単純に考えるなら
ばZnTeとZnSをそれぞれ適当な厚さに定めればGaAs基板
と平均的に格子整合をとることが可能なようにみえる
が、超格子としての量子効果、たとえばポテンシャル井
戸のトンネルを利用する場合などは各層厚を非常に薄く
する必要があり、特に各層が数十原子層あるいはそれ以
下を要する場合にはどのように組合せても格子整合はと
れない。したがって各層を薄くする場合には超格子をそ
の平均格子定数が基板のものよりも若干大きいものと小
さいものの２部分に分け、全体の平均として格子整合を
とる必要がある。この様子を模式的に第１図に示す。超
格子Ｉの平均格子定数dSI,超格子IIの平均格子定数dS
II,および基板の格子定数dGaAsの大小関係は dS II＜dGaAs＜dS I であり、dSIおよびdS IIをdGaAsに近い値とすることはZ
nTeおよびZnS各層が薄くなっても可能であるから、超格
子ＩとIIを合わせた全体としての格子整合が可能とな
る。
ZnTe・ZnS系超格子結晶成長は、超高真空下での高純
度，非平衡系での低温成長，分子線のシャッター操作に
よる瞬時の切換えによる急峻な界面などの利点を考え、
分子線エピタキシー法（MBE法）を用いる。第２図はMBE
装置の概略構成図を示す。成長室部分のみを図示し、ロ
ードロック室，基板移動機構などは省略してある。基板
ホルダー５にセットされたGaAs基板４は加熱機構３によ
って必要な温度に加熱される。成長室１内の真空度は電
離真空計７で、また、残留ガスは四重極型質量分析装置
６によってモニターされる。薄膜結晶成長中の様子は反
射高速電子線回折（RHEED）９によって観察し、そのパ
ターンはスクリーン８にうつし出される。
度，非平衡系での低温成長，分子線のシャッター操作に
よる瞬時の切換えによる急峻な界面などの利点を考え、
分子線エピタキシー法（MBE法）を用いる。第２図はMBE
装置の概略構成図を示す。成長室部分のみを図示し、ロ
ードロック室，基板移動機構などは省略してある。基板
ホルダー５にセットされたGaAs基板４は加熱機構３によ
って必要な温度に加熱される。成長室１内の真空度は電
離真空計７で、また、残留ガスは四重極型質量分析装置
６によってモニターされる。薄膜結晶成長中の様子は反
射高速電子線回折（RHEED）９によって観察し、そのパ
ターンはスクリーン８にうつし出される。
排気系２で成長室１内を10-10Torr代まで排気し、ま
た原料の入ったセル11a〜11cをそれぞれ所定の分子線強
度が得られる温度にし安定した後、GaAs基板４の温度を
600℃に上げ表面酸化膜を離脱させる。このときRHEEDに
よりこのサーマルエッチングが完了したことを確認す
る。次に基板温度を325℃に下げ、膜形成を開始する。
堆積する物質の切り替えはシャッター10a〜10cの開閉に
より行なう。すなわちZnS堆積中はZnS原料の入ったセル
11cのシャッター10cを開け、他のものは閉じておき、一
定時間の後にZnSのシャッター10cを閉じZnおよびTe原料
の入ったセル11aおよび11bのシャッター10aと10bを開け
る。この操作を繰り返し、ZnSとZnTeとを交互に積層す
る。分子線強度はZnS,Zn,Teの順に２×10-6,5×10-7,1
×10-6Torr（電離直空計によりフラックスをモニター）
である。各層の厚さは各々のシャッターの開閉時間によ
り制御し、分子線強度は一定に保持しておく。
た原料の入ったセル11a〜11cをそれぞれ所定の分子線強
度が得られる温度にし安定した後、GaAs基板４の温度を
600℃に上げ表面酸化膜を離脱させる。このときRHEEDに
よりこのサーマルエッチングが完了したことを確認す
る。次に基板温度を325℃に下げ、膜形成を開始する。
堆積する物質の切り替えはシャッター10a〜10cの開閉に
より行なう。すなわちZnS堆積中はZnS原料の入ったセル
11cのシャッター10cを開け、他のものは閉じておき、一
定時間の後にZnSのシャッター10cを閉じZnおよびTe原料
の入ったセル11aおよび11bのシャッター10aと10bを開け
る。この操作を繰り返し、ZnSとZnTeとを交互に積層す
る。分子線強度はZnS,Zn,Teの順に２×10-6,5×10-7,1
×10-6Torr（電離直空計によりフラックスをモニター）
である。各層の厚さは各々のシャッターの開閉時間によ
り制御し、分子線強度は一定に保持しておく。
MBE法は１原子層の精度で成膜を制御できるので、き
わめて薄い層からなる超格子の作製が可能である。第１
図における超格子ＩとしてZnTeが２分子層,ZnSが３分子
層からなるものを形成するにはZnTe,ZnSそれぞれの堆積
時間が７秒および3.5秒，超格子IIとしてZnTeが１分子
層,ZnSが３分子層からなるものの形成にZnTe,ZnSそれぞ
れの堆積時間は３秒および3.5秒であった。これらの組
合せにより超格子Ｉを264サイクル，超格子IIを100サイ
クル堆積させた場合、歪の効果きわめて小さいと仮定し
て平均の格子定数は5.6531Åであり、GaAs基板の5.6533
Åに対し0.0025％というわずかのミスマッチングであ
り、膜厚がミクロンオーダーに達した場合にも格子緩和
の影響は回避できる。
わめて薄い層からなる超格子の作製が可能である。第１
図における超格子ＩとしてZnTeが２分子層,ZnSが３分子
層からなるものを形成するにはZnTe,ZnSそれぞれの堆積
時間が７秒および3.5秒，超格子IIとしてZnTeが１分子
層,ZnSが３分子層からなるものの形成にZnTe,ZnSそれぞ
れの堆積時間は３秒および3.5秒であった。これらの組
合せにより超格子Ｉを264サイクル，超格子IIを100サイ
クル堆積させた場合、歪の効果きわめて小さいと仮定し
て平均の格子定数は5.6531Åであり、GaAs基板の5.6533
Åに対し0.0025％というわずかのミスマッチングであ
り、膜厚がミクロンオーダーに達した場合にも格子緩和
の影響は回避できる。
発明の効果 本発明による超格子構造を用いるならば単一構造の超
格子では実現不可能な単周期のものでの格子整合をはか
ることが可能となり、格子歪に起因する結晶欠陥の発生
をなくし、基板上に直接必要とする物質による超格子を
作製し、かつ、単一超格子での臨界膜厚を越えた厚さに
まで成長させることができる。これにより超格子構造設
計の自由度が増し、素子などへの応用に特に有効であ
る。
格子では実現不可能な単周期のものでの格子整合をはか
ることが可能となり、格子歪に起因する結晶欠陥の発生
をなくし、基板上に直接必要とする物質による超格子を
作製し、かつ、単一超格子での臨界膜厚を越えた厚さに
まで成長させることができる。これにより超格子構造設
計の自由度が増し、素子などへの応用に特に有効であ
る。
第１図は本発明にかかわる超格子構造を説明するための
概念図、第２図は実施例における超格子作製に用いる分
子線エピタキシー装置の概略構成図である。 ４……基板、10a〜10c……シャッター、11a〜11c……原
料の入ったセル。
概念図、第２図は実施例における超格子作製に用いる分
子線エピタキシー装置の概略構成図である。 ４……基板、10a〜10c……シャッター、11a〜11c……原
料の入ったセル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/221 Ｈ０１Ｓ 3/18 Ｈ０１Ｓ 3/18 Ｈ０１Ｌ 29/223
Claims (2)
- 【請求項１】格子定数の異なる２種類の物質を交互に積
層して作製する超格子素子において、基板として格子定
数が前記超格子を構成する物質の一方よりも大きく他方
より小さいような物質を用い、前記基板上に、平均格子
定数が前記基板の格子定数よりも大きくなるようにして
前記２種類の物質よりなる超格子Ｉを形成し、前記超格
子Ｉ上に平均格子定数が前記基板の格子定数よりも小さ
くなるようにして前記２種類の物質よりなる超格子IIを
形成し、前記超格子Ｉおよび前記超格子IIよりなる系全
体の平均格子定数が前記基板の格子定数にほぼ等しくな
るように前記超格子Ｉおよび前記超格子IIそれぞれの厚
さを選定した超格子構造素子。 - 【請求項２】ZnTeおよびZnS交互の積層構造からなる超
格子素子において、GaAsを基板として用いる特許請求の
範囲第１項記載の超格子構造素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63268405A JP2563530B2 (ja) | 1988-10-25 | 1988-10-25 | 超格子構造素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63268405A JP2563530B2 (ja) | 1988-10-25 | 1988-10-25 | 超格子構造素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02114648A JPH02114648A (ja) | 1990-04-26 |
| JP2563530B2 true JP2563530B2 (ja) | 1996-12-11 |
Family
ID=17458019
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63268405A Expired - Fee Related JP2563530B2 (ja) | 1988-10-25 | 1988-10-25 | 超格子構造素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2563530B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2507904B2 (ja) * | 1991-04-15 | 1996-06-19 | 工業技術院長 | 結晶成長方法 |
-
1988
- 1988-10-25 JP JP63268405A patent/JP2563530B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02114648A (ja) | 1990-04-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |