JP2744711B2 - 量子細線構造及びその作製方法 - Google Patents

量子細線構造及びその作製方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は量子細線構造に関し、特
に量子井戸の曲がりによって電子波を閉じ込める湾曲電
子導波路構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】量子効果は量子井戸構造において、発光
効率の増大や、電子走行速度の増大，電気光学非線形効
果の増大等の望ましい特質が実証されている。このよう
な効果がより大きく期待できる構造として量子細線構造
が挙げられる。この量子細線構造は量子井戸構造により
２次元方向に制限された電子の運動を、さらにもう一次
元方向規制し一次元電子ガス状態を実現するものであ
る。
【０００３】これまでに、量子細線構造を実現すべく種
々の方法が提案されている。この中には、有機金属化学
析出（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシアル（ＭＢ
Ｅ）法での原子層ステップから結晶成長しやすい性質を
利用したオフ基板上成長の方法や、イオン注入を利用し
た方法などがある。しかし、これらの方法は実際に顕著
な量子細線効果が観測されるまでには至っていないのが
現状である。
【０００４】このため、より制御性の高い方法としてパ
ターン化基板上への量子井戸成長によるアプローチが検
討されている（特公平２−２３７１１０号参照）。この
技術ではストライプ状凹凸を有する基板上への量子井戸
層を成長させることにより、凹凸部にできるポテンシャ
ルの低い細線状の部分に電子を閉じ込めている。この方
式の利点は、量子細線自体のサイズである１０ｎｍオー
ダでの加工技術を開発する必要は特に無いこと、及び一
回の結晶成長で量子細線構造の作製が可能であるため結
晶欠陥の導入を最低限に抑えることが可能であること、
などが挙げられる。
【０００５】しかしながら、本方式では凹凸部における
結晶成長の速度が平坦部分とは異なる上に、凹凸部の形
状によりその成長速度が変化するため、設計した通りの
量子細線を制御性・面内均一性・再現性よく作製するこ
とはほとんど不可能である。このことは、結晶成長での
曲がりを利用した光導波路の再現性・制御性がないこと
のアナロジーとしても予想できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来は制
御性・再現性よく量子細線構造を作製することが困難で
あり、各種デバイスに理論的に期待される種々の特性向
上を現実のものとすることができなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述する問題
を解決するためになされたもので、厚さが２０ｎｍより
小さい第１層と、該第１層の上下に位置し、該第１層よ
り禁制帯幅の大きい第２層、及び第３層と、からなり、
前記第１層は、その断面において複数の平坦部により電
子の閉じ込めを行うような周期的凹凸構造を有してお
り、前記平坦部の幅が全て５０ｎｍ以下であることを特
徴とする量子細線構造を提供するものである。
【０００８】また、前記周期的凹凸構造の斜面部に前記
平坦部を有することを特徴とした請求項１に記載の量子
細線構造を提供するものである。
【０００９】また、前記平坦部は、同一平面上に位置
し、かつ隣接する平坦部の間には湾曲部を有することを
特徴とする請求項１に記載の量子細線構造を提供する。
また、幅が全て５０ｎｍ以下である複数の平坦部を有す
る電子の閉じ込めを行うような周期的凹凸構造を形成す
る工程と、前記周期的凹凸構造上に厚さが２０ｎｍより
小さい第１層と、該第１層の上下に位置し、該第１層よ
り禁制帯幅の大きい第２層、及び第３層とからなる積層
構造を形成する工程を含むことを特徴とする量子細線構
造の作製方法を提供する。
【００１０】
【００１１】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明す
る。図１は本発明の１実施例による量子細線構造を細線
方向に直行する面から観察した断面構造図を示す。ま
ず、ＧａＡｓ基板１００上にＡｌＧａＡｓバッファ層１
０１を厚さ１μｍだけ成長させる。次に、このＡｌＧａ
Ａｓバッファ層１０１表面に電子ビームリソグラフィ技
術とエッチング技術を用いて高さ１５ｎｍ，幅２０ｎ
ｍ，周期７０ｎｍの複数メサストライプ状（グレーティ
ング状）の凹凸１０２を形成する。引き続き、ＭＯＣＶ
Ｄ法によりＡｌＧａＡｓ下部バリア層１０３を厚さ１０
０ｎｍ，ＧａＡｓ量子細線層１０４を厚さ６ｎｍ，Ａｌ
ＧａＡｓ上部バリア層１０５を１μｍ，連続的に成長さ
せる。
【００１２】このようにして作製されたウェハーでは周
期的凹凸構造１０２に対応した形状にそって量子細線層
１０４が成長されている。この素子での量子細線層１０
４の厚さは６ｎｍであり、約２０ｎｍより十分薄くなっ
ているため、電子波の裾は量子細線層１０４から十分に
染み出した状態になっている。（このような状態を実現
するためには量子細線層の厚さは１０ｎｍ未満が望まし
い。）このような状況下での電子波は半導体レーザでの
活性層に閉じ込められた光波と同様に扱える。すなわ
ち、電子に対するポテンシアル分布は光波における等価
屈折率分布のアナロジーとして理解することが可能とな
る。
【００１３】本実施例での量子細線層１０４の形状は図
示したように約２０ｎｍの幅の平坦部分１０６とその間
に存在する屈曲部分１０７からなっている。量子細線層
１０４の厚さは約２０ｎｍより小さいために、電子は層
厚方向にはＡｌＧａＡｓバリア層１０３，１０５とＧａ
Ａｓ量子細線層１０４の禁制帯幅の差により閉じ込めら
れている。また、図の横方向には量子細線層１０４の湾
曲部１０７により平坦部１０６に電子は閉じ込められ
る。これは、電子波のモードが急峻な湾曲部１０７には
追随できず直線的にバリア層１０３，１０５に染み出
し、禁制帯幅の大きいバリア層１０３，１０５の影響を
より強く受けるためである。このように、湾曲部１０７
で電子波がバリア層１０３，１０５により大きく染み出
すためには、湾曲部１０７周辺の量子細線層１０４のデ
ィメンションが十分に小さい必要がある。このため、本
発明を適用する場合の量子細線層１０４の厚さはド・ブ
ロイ波長より十分に薄い（１０ｎｍ以下）ことが必要で
あり、かつ湾曲部１０７の曲率半径が５０ｎｍ以下であ
ることが望ましい。本実施例では量子細線層１０４の厚
さが６ｎｍ，湾曲部１０７の曲率半径が約３０ｎｍとな
っている。
【００１４】このようにして作製された量子細線（平坦
部１０６に相当）に閉じ込められた電子の感じるポテン
シャルは、量子細線層１０４及びバリア層１０３，１０
５を構成する材料、量子細線層１０４の厚さと、平坦部
１０６の幅により決定される。これらのパラメータは結
晶成長と微細加工の両プロセスにおいて制御性・再現性
よくコントロールすることが可能であり、面内均一性に
ついてもプロセス条件の最適化により十分実用的なレベ
ルまで向上させることができる。従って、本発明により
作製された量子細線構造では設計通りのエネルギーレベ
ルを有する電子を制御性・再現性・面内均一性よく得る
ことができた。
【００１５】図２に第２の実施例における量子細線構造
の断面図を示す。この例では、本発明による量子細線構
造を半導体レーザ素子の活性層として適用した場合を提
示している。構成としては、ｎ−ＧａＡｓ基板２００と
１．５μｍ厚のｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０１，７
０ｎｍ厚の下部ＡｌＧａＡｓ−ＧＲＩＮ層２０３，７ｎ
ｍ厚のＧａＡｓ量子細線層２０４，７０ｎｍ厚の上部Ａ
ｌＧａＡｓＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ）層２
０５，１．５ｎｍ厚のｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０
６，０．７μｍ厚のｐ−コンタクト層２０７からなって
おり、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０１表面は鋸波状
の周期的凹凸構造が加工・形成されている。この凹凸構
造の周期は６０ｎｍ，深さは３０ｎｍであり、加工に際
しては電子ビームリソグラフィー技術と塩酸系の溶液を
用いたエッチング技術を適用した。ＧＲＩＮ層２０３，
２０５はクラッド層２０１，２０６から量子細線層２０
４にかけてＡｌ0・7Ｇａ0・3ＡｓからＡｌ0・3Ｇａ0・7Ａｓ
までの組成を連続的に変化させた。また、この場合の結
晶成長方法としては凹凸構造２０２を忠実に量子細線層
２０４に反映させるためにガスソースＭＢＥ法を適用し
た。
【００１６】前実施例と同様に、量子細線層２０４の厚
さは電子波のド・ブロイ波長より十分に薄く、且つ量子
細線層２０４の湾曲部の曲率半径は約２０ｎｍとなって
いる。このため、電子波２０８は量子細線層２０４の平
坦部分に閉じ込められることとなる。
【００１７】第２の実施例においても量子細線構造の特
性を決定するパラメータは量子細線層２０４とＧＲＩＮ
層２０３，２０５の材料、及び量子細線層２０４の平坦
部の幅（この場合は周期凹凸構造が結晶面方位で規定さ
れる形状を取るため周期の約０．７倍となり、周期自体
がパラメータとなる）の３つである。これらのパラメー
タは結晶成長における湾曲部の層厚や形状に比べて容易
に制御できるため、作製された量子細線構造の特性も設
計通りのものを得ることができる。従って、量子細線内
に閉じ込められた電子のエネルギー準位の制御性・再現
性も良好であった。
【００１８】上述のように本発明を適用することによ
り、制御性・再現性の高い、生産性に富んだ量子細線構
造を実現することが可能となった。次に、本発明を適用
し平坦な面上に量子細線を配列させた場合について説明
を加える。図３にその一例である第３の実施例の断面構
造図を示す。
【００１９】周期凹凸構造３０２を有するウエハー３０
１上に結晶成長された両バリア層３０３，３０５及び厚
さ７ｎｍの量子細線層３０４から構成されている。ま
た、周期凹凸構造３０２は７０ｎｍ間隔で高さ２０ｎ
ｍ，底辺２０ｎｍの三角柱状のストライプから成ってお
り、量子細線層３０４自身も同様の形状を呈している。
すなわち、量子細線層３０４の平坦部３０６の幅は５０
ｎｍ，湾曲部の曲率半径は１５ｎｍであり、電子波が平
坦部３０６に閉じ込まる条件（第１の実施例中のアンダ
ーライン部参照）を満たしていることとなる。このよう
に、本実施例においても平坦な面上に量子細線３０６が
配列した構造を実現できた。
【００２０】このような量子細線構造は図４に示す第４
の実施例のように、複数の周期的溝構造上に同様に作製
された量子細線層でも実現することが可能である。第３
及び第４の実施例構造においても電子の挙動を決定する
パラメータは微細加工された周期構造における平坦部の
幅と湾曲部に対応する凹凸構造のサイズ・形状，及びそ
の上に結晶成長させる材料の組成である。これらのパラ
メータは前２つの実施例と同様、比較的制御し易く、設
計通りの量子細線構造を作製することが可能となった。
【００２１】ここまでに説明した量子細線構造では電子
波が閉じ込められる部分は完全に平坦であったが、量子
細線を構成する上ではまったく平坦である必要はない。
例えば、図５に示す第５の実施例のように曲率の小さい
部分５０１と曲率の大きい部分５０２が交互に存在する
形態でも同様の効果が現れる。ただし、曲率の大きい部
分５０２に対する条件は上述の場合と同様であるが、曲
率の小さな部分５０１（この部分に電子が閉じ込められ
る）は電子波の横モードが変形可能な程度の曲率に留め
ておく必要があり、具体的には電子波のド・ブロイ波長
より十分大きな曲率半径を有する必要がある。すなわ
ち、量子細線部５０１の曲率半径は２００ｎｍ以上であ
り、かつ、この部分の幅が５０ｎｍ以下であることが必
要である。
【００２２】本発明は上記実施例に捕われるものではな
く、以下のような場合にも適用が可能であり、同様の効
果が期待できる。
【００２３】 量子細線構造を構成する材料がＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓ以外の場合（ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
系，ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪系，Ｉｎ
ＧａＡｌＰ／ＧａＡｓ系など） 量子細線を構成する半導体層の形状が異なる場合
（平坦部の幅や湾曲部の曲率などが異なる場合や、各層
の層厚が前述の条件を満たす範囲内で異なる場合） 結晶成長の方法が実施例と異なる場合
【００２４】
【発明の効果】上述の実施例から分かるように、本発明
を適用することにより制御性・再現性・面内均一性よく
量子細線構造を作製することが可能となり、設計通りの
量子細線構造が実現できるようになった。この量子細線
構造を各種デバイスに適用することにより、現在の素子
の特性を飛躍的に改善できる半導体レーザ素子や電子走
行素子を実現することが可能となると期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による断面構造図であ
る。
【図２】本発明の第２の実施例による断面構造図であ
る。
【図３】本発明の第３の実施例による断面構造図であ
る。
【図４】本発明の第４の実施例による断面構造図であ
る。
【図５】本発明の第５の実施例による断面構造図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 瀧口 治久 奈良市青山七丁目98番地 (56)参考文献 特開 平３−173187（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−237110（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−144385（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−101785（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 厚さが２０ｎｍより小さい第１層と、該
    第１層の上下に位置し、該第１層より禁制帯幅の大きい
    第２層、及び第３層と、からなり、 前記第１層は、その断面において、複数の平坦部により
    電子の閉じ込めを行うような周期的凹凸構造を有してお
    り、前記平坦部の幅が全て５０ｎｍ以下であることを特
    徴とする量子細線構造。
  2. 【請求項２】 前記周期的凹凸構造の斜面部に前記平坦
    部を有することを特徴とした請求項１に記載の量子細線
    構造。
  3. 【請求項３】 前記平坦部は、同一平面上に位置し、か
    つ隣接する平坦部の間には湾曲部を有することを特徴と
    する請求項１に記載の量子細線構造。
  4. 【請求項４】 幅が全て５０ｎｍ以下である複数の平坦
    部を有する電子の閉じ込めを行うような周期的凹凸構造
    を形成する工程と、 前記周期的凹凸構造上に厚さが２０ｎｍより小さい第１
    層と、該第１層の上下に位置し、該第１層より禁制帯幅
    の大きい第２層、及び第３層とからなる積層構造を形成
    する工程を含むことを特徴とする量子細線構造の作製方
    法。
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