JP2575901B2 - グリッド入り量子構造 - Google Patents

グリッド入り量子構造

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子や光の制御素子として用いるグリッド
入り量子構造に関する。
〔従来の技術〕
分子線エピタキシー法や有機金属CVD法等の構造成長
技術を利用した新しい概念のデバイスとして、例えば量
子井戸レーザー、量子箱レーザー、量子細線レーザー
（トランジスタ）等の量子構造を用いた素子が提案され
ている。
量子井戸レーザーは、活性層を電子のド・ブロイ波長
λと同程度（約100Å程度）の厚さの量子構造とするこ
とにより、厚さ方向に電子を量子的に閉じ込め、電子が
膜厚に沿った２次元方向にのみ自由粒子としてふるまう
ことができるようにしたものである。この量子井戸レー
ザーの特徴は、膜厚等の構造制御により発振波長の制御
が可能であり、優れた発振閾値電流特性が得られること
である。
上記の如く構造の厚さ方向（ｚ）に電子を量子的に閉
じ込めた量込井戸レーザーに対して、さらに膜厚に沿っ
た２次元方向（x,y）も電子を量子的に閉じ込めたのが
量子箱レーザーであり、これらの一方に電子を量子的に
閉じ込めたのが量子細線レーザーである。
ところで、上記の量子構造を用いたデバイスを実現す
るためには、量子細線や箱の寸法を細かくする必要があ
る。その寸法としては、数100Å以下、通常は500Å以下
の結晶構造にすることが望ましいが、従来の電子ビーム
や微細加工では、このようなデバイスを作製することは
難しかった。
第10図は２次元ステップ構造の例を示す図、第11図は
周期的なステップ構造の作製方法を説明するための図、
第12図は結晶成長方法を用いた量子井戸デバイスの作製
方法を説明するための図、第13図は縦型に組成の異なる
結晶を形成した量子井戸デバイスの例を示す図である。
図中、71基板、72は構造、73と74は障壁、75は原子層を
示す。
第11図において、基板71は、例えばGaAsの結晶を示
し、これを結晶の或る特定の方位から特定の角度φで研
磨すると、図示の如き周期的なステップ構造が得られ
る。これは、○からなる原子層が構成されているとする
と、点線の○の原子が研磨により削り取られるため、原
子層の厚みに相当するステップ構造が形成されることに
よる。つまり、１原子が部分的に研磨されることはない
から、部分的に研磨に引っ掛かる部分（点線の○）は削
り取られることになり、原子単位で段差ができることに
なる。従って、研磨する角度によってステップ幅は変化
し、角度φが大きくなる程狭く、逆に角度が小さくなる
程広くなる。例えば角度φとステップ幅Λでは、 のような関係が得られる。また、研磨の方向によって第
10図に示す２次元のステップ構造を形成することもでき
る。
そこで、このようにして作製された基板21に、第12図
に示すように材料Ａ、材料Ｂを堆積化してゆくと、縦型
に異なる組成の結晶をつくってゆくことができる。すな
わち、まず、材料Ａを数原子分堆積化すると、ステップ
の隅では下と横の２面で結合するため、この隅の部分か
ら順に結晶ができる。このようにして第13図に示すよう
な電子閉じ込め層としての障壁73,74間に構造の原子層7
5を形成することができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記の如き結晶では、例えば材料Ａの
上にさらに同じ材料Ａを30〜40原子層にわたって堆積化
する必要があるが、なかなか同じ材料の上に何層もの原
子層を載せることができず、堆積化の制御性を高くしな
いと積層が困難であるという問題がある。また、量子箱
を作る点でも困難さがある。
本発明は、上記の課題を解決するものであって、積層
効果を高め量子サイズによる制御効果が得られるグリッ
ド入り量子構造を提供することを目的とするものであ
る。
〔課題を解決するための手段〕
そのために本発明は、電子親和力の異なる材料を片側
又は両側に配置した量子サイズ効果を示す薄膜構造にお
いて、数10原子層の薄膜の中心付近に引力ポテンシャル
又は斥力ポテンシャルを有する数原子数の異種材料で構
成したグリッドを等間隔に埋め込み配置すると共に、さ
らにその端部断面にドーピング層や、量子井戸となる層
及び量子障壁となる層を重ね配置したことを特徴とし、
あるいは電子親和力の異なる材料を片側又は両側に配置
した量サイズ効果を示す薄膜構造において、その端部断
面に引力ポテンシャル又は斥力ポテンシャルを有する数
原子層の異種材料で構成したグリッドを等間隔で線状に
埋め込み配置し、さらに数10原子層の量子井戸となる層
及び量子障壁となる層を重ね配置したことを特徴とす
る。
〔作用〕
本発明のグリッド入り量子構造では、引力ポテンシャ
ル又は斥力ポテンシャルを有する異種材料で構成したグ
リッドを等間隔で配置するので、構造内の電子とグリッ
ドとの相互作用によりグリッドのない領域或いはグリッ
ドの周りに電子を閉じ込めることができる。しかもグリ
ッドのポテンシャルの作用が有効に働くので、１又は数
原子層で数10原子層の異種材料による結晶と同じ効果を
得ることができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
第１図は本発明に係るグリッド入り量子構造の１実施
例構造を示す図である。図中、１は原子層、２はグリッ
ド、３と４は障壁を示す。
第１において、原子層１は、30〜40原子層からなり、
その中心付近に異なる組成のグリッド２を有している。
原子層１としては、電子閉じ込めの可能な構造であれば
どのようなものでもよい。例えば選択ドープ技術又はゲ
ート電極などを用いた場合には、（AlGa）AsとGaAsとの
接合部に静電的に形成される伝導チャネルでもよい。グ
リッド２は、量子力学的な効果が起きる程度に近い間隔
で配置され、原子層１内では自由に電子が動けるがこの
電子の動きに制約を与えるものである。すなわち、原子
層１では、グリッド２におけるポテンシャルが高いため
グリッド２のない領域に電子がたまり、グリッド２によ
って電子を動きやすくするか否か、電子をため込むか否
かをきめている。すなわち、第１図に示す構造では、電
子が図示の白い領域でグリッド２に沿ったｘ方向に流れ
やすく、グリッド２に直角な方向すなわちｙ方向に流れ
にくくなるので量子細線となる。しかも、その程度はグ
リッド２の幅や厚さによって変わる。なお、障壁３、４
は、電子閉じ込め層を形成するものである。
この原子層１は、第13図に示した従来の構造を比較的
単純にしたものであり、その製作は、障壁３の上ひまず
同じ材料で結晶を成長させ、中心付近で１〜10層程度の
厚さで異種の材料を入れる。そしてまたその上に同じ材
料で結晶を成長させ、所定の厚さに原子層を積み上げて
ゆく。例えば30〜40原子層があるとすると、その中に１
〜10層程度の異種原子層を入れるだけで大きな効果が得
られる。先に第12図及び第13図で述べたように30〜40原
子層を異種の材料により縦型に結晶を積み上げていくこ
とは非常に難しいが、これに比べると、第１図に示すよ
うに中心付近にのみ１〜10原子層のグリッド２を入れる
方がはるかに容易である。このグリッド２は、その周囲
に比べてポテンシャルが高く、例えば１層だけでも50〜
100meV程度のポテンシャルに該当するので、電子の閉じ
込め効果が大きく、30〜40原子層を異種の材料により縦
型に積み上げた結晶構造に匹敵する効果が期待できる。
さらに、このグリッド２は、その幅や厚さを変えること
により特性を自由に制御することができる。
なお、上記の実施例では、１方向にのみグリッドを設
けたが、ｘ方向とｙ方向、ｘ方向とｚ方向、ｙ方向とｚ
方向のように２方向（メッシュ状）にグリッドを設けた
り、さらには多層にして或いは３次元の各方向にグリッ
ドを設けるように構成してもよい。
第２図は上記のグリッド入り量子構造を使用した量子
構造デバイスの構成例を示す図であり、11と12は電極、
13はゲート、14はグリッド入り量子構造、15はｐ層、16
はｎ層を示す。
上記のグリッド入り量子構造は、第２図に示すような
種々のデバイスに応用することができる。
例えば、同図（ａ）に示すようにグリッド入り量子構
造14のグリッドと直角になる面に電極11、12を取り付
け、上面にゲート13を設けることによって量子細線状の
FETを構成することができる。また、同図（ｂ）に示す
ように電極11、12、ゲート13の位置を変えることによっ
てゲート制御超格子に応用することができる。通常グリ
ッドを横切る形では電流が流れにくいが、グリッドを細
くするとある程度の確率で電流が流れる。ゲート制御超
格子は、この性質を利用するものであり、電子の波長と
超格子の波長が合うとブラッグ反射で負性抵抗になった
り電流が流れないようになったりする。これらの構造で
は、ゲート電極の作用で電子数を変えた時、その光学吸
収特性に変化が生じるので、これを用いて光変調器が実
現できる。
さらにレーザやLED（発行ダイオード）に応用した例
を示したのが同図であり、ｐ層15とｎ層16との間にグリ
ッド入り量子構造14を配置している。グリッド入り量子
構造14では、電子が閉じ込められるだけにレーザやLED
に応用しても優れた特性が得られる。
また、ｐ−ｎ接合の中に入れたグリッド入り量子構造
14では、逆バイアスを加えると光の吸収係数の波長依存
性が長波長側へシフトし、量子箱ではこの吸収係数がス
テップ状ではなく離散的になるため、第２図（ｄ）に示
すように構成して変調器や光スイッチとしても応用する
ことができ、いろいろな波長域で違った形の変調ができ
る。
第２図（ｅ）は赤外光の検出器に応用した構成例を示
している。グリッド入り量子構造14では、電子の閉じ込
め状態が定在波的な状態になる。従来の膜構造であると
膜に垂直な方向で定在波が立つが、メッシュにすると、
メッシュの方向にも定在波が立ち、膜に垂直なｚ方向だ
けでなく膜面のxy方向にも定在波が立つ。定在波の山が
１つの状態と２つの状態との間に光が入ると、電子の状
態が移るという性質があるので、この性質を使うことに
よって光検出器に応用することができる。従来は、ｚ方
向にしか定在波がなかったために、光を面に沿って入れ
なければならなかったが、xy方向にも定在波が立ち、垂
直方向から光を入れてもxy方向にも定在波があるため、
グリッド入り量子構造14では、その方向も変位して導電
率に変化を起こす光検出器として使うこともできる。
以上のように本発明に係るグリッド入り量子構造は、
電子親和力の強い例えばGaAsの原子層と異種材料例えば
GaAsに対してによる障壁からAlAsなる量子構造を作り、
さらに異種材料のグリッドを電子層に埋め込むことによ
って電子閉じ込めを行うものであるが、グリッドは、の
ように斥力ポテンシャルを有するものAlAsだけでなく、
引力ポテンシャルを有する異種材料、例えばInAsを使用
してもよい。
さらに、本発明の他の実施例を説明する。
第３図は引力ポテンシャルの線状グリッドを用いた例
を示す図、第４図は引力ポテンシャルの矩形状グリッド
を用いた例を示す図であり、21、22、25と29は障壁、2
3、26と28は原子層、24と27はグリッドを示す。
第３図において、グリッド24は引力ポテンシャルを有
する例えばInAsを用いたものである。先に説明したAlAs
は、電子に対して斥力を働かせグリッドの間に電子を閉
じ込めるようにしたが、InAsは、電子に対して引力を働
かせるので、電子がグリッドの周りに纏わりつくように
なり、一点鎖線の楕円Ａの領域に電子を閉じ込めること
ができる。したがって、第３図に示すグリッド入り量子
構造の場合には、グリッド24の周りに線状に電子が閉じ
込められる。
また、第４図に示す例は、AlAsの障壁29、GaAsの原子
層28を積層した上にInAsの矩形状グリッド27を島状に埋
め込み、さらにその上にGaAsの原子層26、AlAsの障壁25
を積層してグリッド入り量子構造を構成したものであ
る。この場合も第３図と同様、引力ポテンシャルを有す
るInAsをグリッド27とすることにより、一点鎖線の楕円
Ｂの領域に電子を閉じ込めることができ、量子箱とする
ことができる。
第５図は接合界面に形成される電気伝導層を利用した
複合構造の量子箱の例を示す図、第６図及び第７図は量
子箱の製法を説明するための図である。
第５図に示す例は、HEMT（高電子移動度トランジス
タ）と同じ原理を利用した複合構造の量子箱である。こ
れは、高純度のGaAsの上にｎ−AlGaAsを成長させた場合
に界面に電子がたまり電気導電層を形成するという性質
を利用したものである。原子層32は、この高純度のGaAs
を用いたものであり、その中にAlAsのグリッド35を埋め
込み、上下にAlAsの障壁31、33を成長させてサンドイッ
チ構造にすると共に、グリッド35が露出した原子層32、
グリッド35と直角又はある角度をもつ断面にｎ−AIGaAs
の被覆層36を成長させたものである。このようにする
と、同図（ｂ）の上断面図、（ｃ）の横断面図に示すよ
うに原子層32でグリッド35の中間、原子層32が突き当た
るｎ−AlGaAsの被覆層36の界面部分で点線Ｃで示す領域
に電子が閉じ込められ、量子箱となる。このような複合
構造のグリッド入り量子構造の製法の例を示したのが第
６図及び第７図である。
第６図に示す製法では、まず、障壁33、グリッド35を
埋め込んだ電子層32、障壁31を成長させる。しかる後、
図示（ａ）のようにＶ溝を切り、その切り口に同図
（ｂ）に示すようにｎ−AlGaAsの被覆層37を再成長させ
る。
また、第７図に示す製法では、まず、GaAsの基板41上
にSiO2の層42をつけおき、ここに例えばMO−CVD法で選
択的にAlAsの障壁43を成長させると、図示のように突起
状の層が形成される。そこで、この突起状の障壁43の上
にさらにAlAsのグリッド入りGaAs原子層43、AlAsの障壁
44を成長させる。しかる後、突起部の断面部にｎ−AlGa
Asの被覆層46を成長させる。なお、この場合には、結晶
の方位を選ぶことが必要である。例えば突起部の断面と
なる部分の方位が「111」Ｂ面、奥行き方向が「110」又
はそれと等価な方向となればよい。しかも、奥行き方向
には図示のようにステップを作る必要があるので、基板
側を傾けておき、方位を選んで成長させてゆくことも必
要である。
第８図及び第９図は複層構造を利用したグリッド入り
量子構造の他の実施例を示す図である。
第８図に示すグリッド入り量子構造は、AlAsとGaAsを
用いた障壁51、53、グリッド54入りの原子層52からなる
サンドイッチ構造のものにおいて、グリッド54が露出し
た断面に被覆層としてまず原子層と同じGaAsの層56から
なる量子井戸となる層、さらにその外側にAlGaAsの層５
からなる量子障壁となる層を成長させたものである。こ
のグリッド入り量子構造では、グリッド54の先端に電子
のいやすいGaAsの被覆層56が存在するので、電子が原子
層52から被覆層56側に滲みでて閉じ込められる。つま
り、GaAsの原子層52と被覆層56の三叉路の交点でグリッ
ド54のない領域に電子がたまりやすくなり閉じ込められ
る。まこ、このようにすると、電子とグリッド54との相
互作用が弱められるが、その外側がドープなしの被覆層
であるので、電子だけでなく正孔も一緒に閉じ込めるこ
とができる。レーザを作るときには、電子だけでなく正
孔も閉じ込めることが必要になるので、このグリッド入
り量子構造は、レーザを作るのに便利な構造となる。
第９図に示すグリッド入り量子構造は、AlGaAsとGaAs
を用いた障壁61、63、グリッドのない原子層62からなる
サンドイッチ構造のものにおいて、その断面を図示のよ
うにやや斜めにして縦方向ステップ状にAlAsのグリッド
64を埋め込み、その上にGaAsの被覆層66からなる量子井
戸となる層を被せ、さらにｎ−AlGaAsの被覆層65からな
る量子障壁となる層を被せる。このようにすると、AlAs
のグリッド64がないGaAsの原子層62と被覆層66が突き当
たった三叉路の部分（同図（ｂ）の点線Ｅの領域）に電
子を閉じ込めることができる。
なお、本発明は、単層の量子構造の例について説明を
加えたが、上記の実施例に限定されるものではなく、量
子構造を複層化したものなど種々の変形が可能である。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、構
造内部に異種材料で構成したグリッドを等間隔で挿入
し、グリッドのポテンシャルを高めたり、低めたりする
ことができるので、10層以下の原子層で数10原子層の異
種材料による結晶と同じ効果を得ることができる。しか
も、グリッドの配置によって種々の制御が可能であり、
その幅や厚さによって特性を変えることができる。ま
た、10層以下の原子層の積層でよいので、作製が容易に
なる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係るグリッド入り量子構造の１実施例
構成を示す図、第２図はグリッド入り量子構造を使用し
た量子構造デバイスの構成例を示す図、第３図は引力ポ
テンシャルの線状グリッドを用いた例を示す図、第４図
は引力ポテンシャルの矩形状グリッドを用いた例を示す
図、第５図は接合界面に形成される電気伝導層を利用し
た複合構造の量子箱の例を示す図、第６図及び第７図は
量子箱の製法を説明するための図、第８図及び第９図は
複層構造を利用したグリッド入り量子構造の他の実施例
を示す図、第10図は２次元ステップ構造の例を示す図、
第11図は周期的なステップ構造の作製方法を説明するた
めの図、第12図は結晶成長方法を用いた量子井戸デバイ
スの作製方法を説明するための図、第13図は縦型に組成
の異なる結晶を形成した量子井戸デバイスの例を示す図
である。 １……原子層、２……グリッド、３と４……障壁、11と
12……電極、13……ゲート、14……グリッド入り量子構
造、15……ｐ層、16……ｎ層。
───────────────────────────────────────────────────── 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 29/812 7376−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 29/80 Ｈ 33/00 Ｈ０１Ｓ 3/18

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子親和力の異なる材料を片側又は両側に
    配置した量子サイズ効果を示す薄膜構造において、数10
    原子層の薄膜の中心付近に引力ポテンシャル又は斥力ポ
    テンシャルを有する数原子層の異種材料で構成したグリ
    ッドを等間隔に埋め込み配置すると共に、さらにその端
    部断面にドーピング層を配置したことを特徴とするグリ
    ッド入り量子構造。
  2. 【請求項２】電子親和力の異なる材料を片側又は両側に
    配置した量子サイズ効果を示す薄膜構造において、数10
    原子層の薄膜の中心付近に引力ポテンシャル又は斥力ポ
    テンシャルを有する数原子層の異種材料で構成したグリ
    ッドを等間隔に埋め込み配置すると共に、さらにその端
    部断面に量子井戸となる層及び量子障壁となる層を重ね
    配置したことを特徴とするグリッド入り量子構造。
  3. 【請求項３】電子親和力の異なる材料を片側又は両側に
    配置した量子サイズ効果を示す薄膜構造において、その
    端部断面に引力ポテンシャル又は斥力ポテンシャルを有
    する数原子層の異種材料で構成したグリッドを等間隔で
    線状に埋め込み配置し、さらに第10原子層の量子井戸と
    なる層及び量子障壁となる層を重ね配置したことを特徴
    とするグリッド入り量子構造。
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