JP3193269B2 - 半導体量子細線構造の形成方法 - Google Patents

半導体量子細線構造の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、断面形状がT字型に
配置された半導体薄膜量子井戸構造を具えた半導体量子
細線構造の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種の半導体量子細線構造の形
成方法の一例が、文献:「アプライド・フィジックス・
レータズ(Applied Physics Letters),vol.65,No.20,Nov
ember1994,pg.2510-2512 」に開示されている。この文
献に開示の技術によれば、先ず、化合物半導体基板の主
表面上に、化合物半導体薄膜からなる単一または多重量
子井戸構造を形成する。次に、量子井戸構造を形成した
積層体を、化合物半導体基板の主表面に垂直な方向に劈
開する。次に、この劈開端面に、化合物半導体量子井戸
構造を結晶成長させる。その結果、断面で見てT字型の
量子井戸構造が形成される。この量子井戸層同士がT字
型に交わる交点の部分では、その周囲よりもエネルギー
準位が局所的に低くなっている。このため、この交点の
部分が量子細線となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
文献に開示の技術によれば、劈開端面上に量子井戸構造
の結晶成長を行うという複雑な工程が必要となる。その
結果、量子細線構造の信頼性の低下や歩留の低下するお
それがある。
【0004】このため、T字型の量子井戸構造を容易に
形成できる半導体量子細線の形成方法の実現が望まれて
いた。
【0005】
【課題を解決するための手段】この出願に係る発明の半
導体量子細線の形成方法によれば、第1半導体基板の主
表面上に第1量子井戸構造の第1障壁層および第1井戸
層を順次に積層することにより、表面に該第1井戸層の
主表面が露出した第1積層体を形成する工程と、第2半
導体基板の主表面上に第2量子井戸構造の第2障壁層お
よび第2井戸層を積層することにより、第2積層体を形
成する工程と、第2積層体に、第2井戸層の断面が露出
した端面を形成する工程と、この第1井戸層の主表面
に、この端面を直接接着する工程とを含むことを特徴と
する。
【0006】
【作用】この出願に係る発明の半導体量子細線の形成方
法によれば、第2井戸層の断面が露出した端面を形成
し、この端面を第1井戸層の主表面に直接接着する。こ
のため、従来例に様に量子井戸構造の断面の露出した端
面上に半導体層を結晶成長させる必要がない。その結
果、T字型の量子細線構造を容易に形成することができ
る。
【0007】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明の半導体量
子細線構造の形成方法の例について説明する。尚、参照
する図面は、この発明の構成が理解できる程度に各構成
成分の大きさ、形状および配置関係を概略的に示してあ
るにすぎない。従って、この発明は図示例にのみ限定さ
れるものではない。
【0008】<第1実施例>第1実施例では、図1およ
び図2を参照して、半導体レーザの活性層として用いて
好適な化合物半導体の量子細線構造の形成方法について
説明する。図1の(A)および(B)は、第1実施例の
半導体量子細線の形成方法の説明に供する前半の断面工
程図である。また、図2の(A)および(B)は、図1
の(B)に続く後半の断面工程図である。
【0009】ここでは、第1半導体基板として半絶縁性
GaAs基板10を使用する。この半絶縁性GaAs基
板10の主表面である(100)面10a上に、分子線
エピタキシー(MBE)法を用いて、第1障壁層14お
よび第1井戸層16を順次に成長させて第1量子井戸構
造12を形成する。第1量子井戸構造12の形成にあた
っては、先ず、第1障壁層14としてAl組成0.5程
度のAlGaAs層14を約1μmの厚さに成長させ
る。次に、このAlGaAs層14上に、第1井戸層と
してGaAs層16を約70Åの厚さに成長する。尚、
各層には、量子井戸構造の光吸収を小さくするために、
不純物を意図的に添加していない。第1量子井戸構造の
第1井戸層に対する第1障壁層は、片方がAlGaAs
層12であり、もう片方は第1積層体の雰囲気(例えば
空気)に相当する。
【0010】この様にして、表面に該第1井戸層の主表
面が露出した第1積層体18を形成する(図1の
(A))。
【0011】次に、第2半導体基板としての半絶縁性G
aAs基板20を使用する。この半絶縁性GaAs基板
20の主表面である(100)面20a上に、分子線エ
ピタキシー(MBE)法を用いて多重量子井戸構造の第
2量子井戸構造22形成する。この第2量子井戸構造2
2は、第1クラッド層24a、井戸層26aバリア層2
4b、井戸層26b、バリア層24c、井戸層26c、
および第2クラッド層24dを順次に積層して形成す
る。この第1クラッド層24a、バリア層24bおよび
24c、および第2クラッド層24dが第2障壁層24
を構成し、井戸層26a、26bおよび26cが第2井
戸層26を構成する。
【0012】第2量子井戸構造22の形成にあたって
は、半絶縁性GaAs基板20上に、Al組成0.3程
度のAlGaAs層22を約1μmの厚さに成長させ
る。次に、井戸層26a、26bおよび26cとして厚
さ70Å程度のGaAs層および26c、および、バリ
ア層24bおよび24cとして厚さ200Å程度のAl
GaAs層を交互に積層する。そして、第2クラッド層
24dとしてAl組成0.3程度のAlGaAs層を積
層する。尚、各層にはいずれも不純物を意図的に添加し
ていない。
【0013】この様にして、第2積層体28を形成する
(図1の(B))。次に、第2積層体を劈開して、第2
井戸層26a、26bの断面が露出した端面(劈開面)
30を形成する。
【0014】次に、第1井戸層16の主表面16aに、
第2積層体28の端面30を直接接着する。直接接着に
あたっては、先ず、第1積層体18の第1井戸層16の
主表面16aに、第2積層体28の端面30を物理的に
接触させる。図2の(A)に、この際の第1および第2
積層体18および28の配置を示す。尚、図2の(A)
では、便宜上、第1積層体18と第2積層体28との離
間して図示する。
【0015】次に、第1および第2積層体18および2
8に対して、水素雰囲気中で600度の温度下で約1時
間熱処理を行う。この熱処理によって、第1井戸層16
の主表面16aと、第2積層体28の端面30とが再結
晶化して結合する。
【0016】その結果、断面で見てT字型に配置された
量子井戸構造が形成される。第1量子井戸層16と第2
量子井戸層26a、26bおよび26cとがT字型に交
わった部分(交点X1 、X2 およびX3 )にそれぞれ量
子細線構造が形成される(図2の(B))。
【0017】尚、第1井戸層の主表面と端面との直接接
着させるのに用いた方法は、従来、2枚の基板表面同士
を接着する場合に用いられている方法であり、直接接着
法と呼ばれている。この直接接着法は、例えば文献:
「応用物理、1994年、第63巻、第1号の第53〜
56頁」に「異種半導体基板の直接接着と光デバイスへ
の応用」と題して記載されている。
【0018】<第2実施例>次に、図3を参照して、第
2実施例の半導体量子細線構造の形成方法について説明
する。図3の(A)および(B)は、第2実施例の説明
に供する断面工程図である。図3において、図2に示し
た構成成分と同一の部分については、図2中の符号と同
一の符号を付して説明する。
【0019】第2実施例では、第3半導体基板40上
で、第1積層体18と第2積層体28とを直接接着記す
ことにより、断面で見てT字型の交点に半導体量子細線
構造を形成する。
【0020】第2実施例では、第1積層体18および第
2積層体28を形成する工程、および、第2積層体28
の端面30を形成する工程は、第1実施例と同一であ
る。また、第2実施例では、第1積層体18にも劈開に
より端面32を形成してある。尚、この端面32は、第
1井戸層16の主表面16aと直交している。
【0021】次に、第3半導体基板として、主表面に通
常の表面処理が施されている半絶縁性GaAs基板40
を用いる。そして、この半絶縁性GaAs基板40の主
表面40aと、第2積層体28の第2クラッド層24d
の主表面24sとを物理的に接触させて配置する。ま
た、第1積層体18を、第1積層体18の第1井戸層1
6の主表面16aと第2積層体の端面30とを物理的に
接触させ、かつ、第1積層体の端面32と第3半導体基
板40の主表面40aとを物理的に接触させて配置する
(図3の(A))。尚、図3の(A)では、便宜上、第
3半導体40、第1積層体18および第2積層体28を
互いに離間して図示する。
【0022】次に、第1実施例と同一条件で熱処理を行
う。この熱処理によって、第1井戸層16の主表面16
aと、第2積層体28の端面30とが再結晶化して結合
する。また、第3基板40の主表面40aと、第1積層
体18の端面32および第2積層体28の第2クラッド
層の主表面24sとが再結晶化して結合する。
【0023】その結果、第1実施例と同様に、断面で見
てT字型に配置された量子井戸構造が形成される。第2
実施例においても、第1量子井戸層16と第2量子井戸
層26a、26bおよび26cとがT字型に交わった部
分(交点X1 、X2 およびX3 )にそれぞれ量子細線構
造が形成される(図3の(B))。
【0024】上述した各実施例では、この発明を特定の
材料を使用し、特定の条件で形成した例について説明し
たが、この発明は多くの変更および変形を行うことがで
きる。例えば、上述した実施例では、化合物半導体を用
いて半導体量子細線構造を形成したが、この発明で用い
る材料は、化合物半導体に限定されない。例えば、Si
を用いて量子井戸構造を形成しても良い。
【0025】また、上述した実施例では、各層に不純物
を添加しない例について説明したが、この発明では、各
層に、所望の不純物を添加して量子井戸構造を形成して
も良い。
【0026】また、上述した実施例では、MBE法を用
いて結晶成長を行ったが、この発明では、例えば有機金
属気相成長(MOCVD)法を用いても良い。
【0027】また、上述した実施例では、第2積層体に
多重量子井戸構造を形成したが、この発明では、第2積
層体に単一の量子井戸構造を形成しても良い。
【0028】また、上述した実施例では、第2積層体を
劈開することにより端面を形成したが、この発明では、
例えばエッチングによって端面を形成しても良い。
【0029】また、上述した実施例では、第1および第
2障壁層の材料としてAlGaAsを(1.45〜2.
35eV)を使用し、第1および第2井戸層の材料とし
てGaAs(1.45eV)を使用したが、この発明で
は、障壁層および井戸層の材料は、これに限定されるも
のでない。(第1および第2)障壁層および(第1およ
び第2)井戸層の材料は、、禁制帯幅の互いに異なる半
導体で、量子井戸構造を形成できる材料であれば良い。
さらに、直接接着の際の格子欠陥の発生を抑制するため
には、格子定数が近い(例えば、格子定数の差が±5%
程度以内の)材料同士の組み合わせが望ましい。また、
井戸層および劈開層の材料の組み合わせの例としては、
InGaAs(1.2〜1.45eV)とAlGaA
s(1.45〜2.45eV)、GaInAs(0.
85eV)とInP(1.3eV)、GaInAsP
(0.8〜1.3eV)とInP(1.3eV)が挙げ
られる。尚、括弧の中の数値はバンドギャップエネルギ
ーの値を示す。
【0030】また、上述した各実施例では、第1および
第2積層体を個別に形成したが、この発明では、例え
ば、同一の基板上に多重量子井戸構造を形成したものを
劈開した一方を1積層体としもう一方を第2積層体と
し、さらに、第2積層体の劈開面を第2積層体の表面に
露出した井戸層に直接接着して量子細線構造を形成して
も良い。
【0031】
【発明の効果】この出願に係る発明の半導体量子細線の
形成方法によれば、第2井戸層の断面が露出した端面を
形成し、この端面を第1井戸層の主表面に直接接着す
る。このため、従来例に様に量子井戸構造の断面の露出
した端面上に半導体層を結晶成長させる必要がない。そ
の結果、T字型の量子細線構造を容易に形成することが
できる。このため、量子細線構造の信頼性や歩留の向上
が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)および(B)は、第1実施例の説明に供
する前半の断面工程図である。
【図2】(A)および(B)は、図1の(B)に続く後
半の断面工程図である。
【図3】(A)および(B)は、第2実施例の説明に供
する断面工程図である。
【符号の説明】 10:第1半導体基板(半絶縁性GaAs基板) 10a:主表面、(100)面 12:第1量子井戸構造 14:第1障壁層 16:第1井戸層 16a:主表面 18:第1積層体 20:第2半導体基板(半絶縁性GaAs基板) 20a:主表面、(100)面 22:第2量子井戸構造 24:第2障壁層 24a:第1クラッド層 24b、24c:バリア層 24d:第2クラッド層 26:第2井戸層 26a、26b、26c:井戸層 28:第2積層体 30:端面(劈開面) 32:端面 40:第3半導体基板(半絶縁性GaAs基板) 40a:主表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−308138(JP,A) 特開 平6−163928(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/00 - 29/96

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1半導体基板の主表面上に第1量子井
    戸構造の第1障壁層および第1井戸層を順次に積層する
    ことにより、表面に該第1井戸層の主表面が露出した第
    1積層体を形成する工程と、 第2半導体基板の主表面上に第2量子井戸構造の第2障
    壁層および第2井戸層を積層することにより、第2積層
    体を形成する工程と、 該第2積層体に、前記第2井戸層の断面が露出した端面
    を形成する工程と、 該第1井戸層の主表面に、該端面を直接接着する工程と
    を含むことを特徴とする半導体量子細線構造の形成方
    法。
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