JPH02114648A - 超格子構造素子 - Google Patents
超格子構造素子Info
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- JPH02114648A JPH02114648A JP26840588A JP26840588A JPH02114648A JP H02114648 A JPH02114648 A JP H02114648A JP 26840588 A JP26840588 A JP 26840588A JP 26840588 A JP26840588 A JP 26840588A JP H02114648 A JPH02114648 A JP H02114648A
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- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
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プ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。
子、半導体レーザーなどのオプ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９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Ｇ ａ Ａ ｓ／
Ａ ｔＡ ｓ系などのｍ−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
へ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。
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Ｇ ａ Ａ ｓ／
Ａ ｔＡ ｓ系などのｍ−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
へ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、格子定数に数多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シ込んだ
形でのいわゆる歪超格子も各種試みられはじめている。
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シ込んだ
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。
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シ、そのだ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。
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シ、そのだ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。
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
よシ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。
よシ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せることが可能となる。
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せ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■−■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。これらのへテロエピ
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Ｇ ａ Ａ ｓが最
も適している。
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■−■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。これらのへテロエピ
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Ｇ ａ Ａ ｓが最
も適している。
Ｇ ａ Ａ ｇの格子定数は６．６５３３人であり、ワ
イドバンドギャップの■−■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じてはＺｎＴ
ｅ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Ｇ ａ Ａ ｓ基板とモ均的に格子
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、たとえばポテンシ厚 ヤル井戸のトンネルを利用する場合などは各層１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Ａ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。
イドバンドギャップの■−■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じてはＺｎＴ
ｅ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Ｇ ａ Ａ ｓ基板とモ均的に格子
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、たとえばポテンシ厚 ヤル井戸のトンネルを利用する場合などは各層１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Ａ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■の平均格子定数ｄｓ１．超格子■の平均格子定
数ｄ ３ ｎ 、および基板の格子定数ｄＧａＡｓの大
小関係は ｄＳ■〈ｄＧａＡｓ＜ｄＳｌ であり、ｄ３＋およびｄｓｒｉをｄＧａＡｓ に近い値
とすることはＺｎＴｅ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。
数ｄ ３ ｎ 、および基板の格子定数ｄＧａＡｓの大
小関係は ｄＳ■〈ｄＧａＡｓ＜ｄＳｌ であり、ｄ３＋およびｄｓｒｉをｄＧａＡｓ に近い値
とすることはＺｎＴｅ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２分子線のシャッター繰
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
図に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で
ある。
高純度、非平衡系での低温成長２分子線のシャッター繰
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
図に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で
ある。
基板ホルダー６にセットされたＧ ａ Ａ ｓ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ｅ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。
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ｅ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 Ｔｏｒｒ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ｅｏｏ℃に上げ表面酸化膜を離脱させ
る。このときＲＨＥＥＤによシこのサーマルエツチング
が完了したことを確認する。
、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ｅｏｏ℃に上げ表面酸化膜を離脱させ
る。このときＲＨＥＥＤによシこのサーマルエツチング
が完了したことを確認する。
次に基板温度を３２６℃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１００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１ｏｃ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１０ ａと１０ｂを開ける。
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１００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１ｏｃ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１０ ａ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２Ｘ
１０−６５Ｘ１０ 、ｌＸ１０ Ｔｏｒｒ（電離直
空針によシ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。
積層する。分子線強度はＺｎＳ、Ｚｎ、Ｔｅの順に２Ｘ
１０−６５Ｘ１０ 、ｌＸ１０ Ｔｏｒｒ（電離直
空針によシ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、Ｚｎ
Ｓそれぞれの堆積時間が７秒および３．６秒、超格子■
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ｌを２６４サイクル、超格子ＩＩを１００サイク
ル堆積させた場合、歪の効果がきわめて小さいと仮定し
て平均の格子定数は６．８６３１八であシ、ＧａＡｓ基
板の５．６５３３人に対し０．００２５％というわずか
のミスマツチングであり、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、Ｚｎ
Ｓそれぞれの堆積時間が７秒および３．６秒、超格子■
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ｌを２６４サイクル、超格子ＩＩを１００サイク
ル堆積させた場合、歪の効果がきわめて小さいと仮定し
て平均の格子定数は６．８６３１八であシ、ＧａＡｓ基
板の５．６５３３人に対し０．００２５％というわずか
のミスマツチングであり、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短周期のものでの格子整合をはかる
ことが可能となシ、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。
子では実現不可能な短周期のものでの格子整合をはかる
ことが可能となシ、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、１０ ａ〜１ｏｃ・旧・・シャッ
タ〜１１ａ〜１１ｃ・・川・原料の入ったセル。 代理人の氏名 弁理士 粟 野 重 孝 ほか１名ｄｓ
ｒｒ （ｃｌＧａＡｓ＜ ＣｕＩ ２−ｍ− ３・・− ４・・− ５−・− ６・・・ ７−・− バＰ 翫 糸 ＋ｍ］Ｉｓ 眞倶 暮 折 墨Ｍホル９ コ寵楊型賞量９１汀表置 ｔ＊ｉｉマ糸 ｌ山・α・・シ、、、９− ９−１１ａ４１”−原料のス）たでル
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、１０ ａ〜１ｏｃ・旧・・シャッ
タ〜１１ａ〜１１ｃ・・川・原料の入ったセル。 代理人の氏名 弁理士 粟 野 重 孝 ほか１名ｄｓ
ｒｒ （ｃｌＧａＡｓ＜ ＣｕＩ ２−ｍ− ３・・− ４・・− ５−・− ６・・・ ７−・− バＰ 翫 糸 ＋ｍ］Ｉｓ 眞倶 暮 折 墨Ｍホル９ コ寵楊型賞量９１汀表置 ｔ＊ｉｉマ糸 ｌ山・α・・シ、、、９− ９−１１ａ４１”−原料のス）たでル
Claims (2)
- （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も
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。 - （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 true JPH02114648A (ja) | 1990-04-26 |
| JP2563530B2 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) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04316316A (ja) * | 1991-04-15 | 1992-11-06 | Agency Of Ind Science & Technol | 結晶成長方法 |
-
1988
- 1988-10-25 JP JP63268405A patent/JP2563530B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04316316A (ja) * | 1991-04-15 | 1992-11-06 | Agency Of Ind Science & Technol | 結晶成長方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2563530B2 (ja) | 1996-12-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |