JPH02122682A - 超格子素子の製造方法 - Google Patents
超格子素子の製造方法Info
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- JPH02122682A JPH02122682A JP27451588A JP27451588A JPH02122682A JP H02122682 A JPH02122682 A JP H02122682A JP 27451588 A JP27451588 A JP 27451588A JP 27451588 A JP27451588 A JP 27451588A JP H02122682 A JPH02122682 A JP H02122682A
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Landscapes
- 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、閉じ込められた電子または正孔の自由度が１
次元となるような超格子素子及びその製造方法に関する
ものである。
次元となるような超格子素子及びその製造方法に関する
ものである。
半導体素子では能動層中にある電子あるいは正孔の運動
の自由度（次元数）は、その素子の特性に大きく影響す
る０例えば、半導体レーザの発振闇値電流密度と活性層
に閉じ込められた電子または正孔の次元数との関係が浅
田氏らによって計算され報告（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｏｔｒｎｉｃｓ。
の自由度（次元数）は、その素子の特性に大きく影響す
る０例えば、半導体レーザの発振闇値電流密度と活性層
に閉じ込められた電子または正孔の次元数との関係が浅
田氏らによって計算され報告（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｏｔｒｎｉｃｓ。
Ｖｏｌ ＱＥ−２２１９１５（１９８６） ） されて
いる。それによると、電子または正孔の自由度が３次元
に広がっている通常のレーザでは、計算例が１０５ＯＡ
／ｃｍ”であるのに対して２次元電子を活性層にもつレ
ーザでは３８０Ａ／ｃｎ”、１次元電子を活性層にもつ
レーザでは１４０Ａ／ｃｍ”、Ｏ次元電子を活性層にも
つレーザでは４５Ａ／ｃｍ”と予想され、次元数の低下
に伴い特性が向上している。このような特性の向上は状
態密度関数の変調によるところが大きい。
いる。それによると、電子または正孔の自由度が３次元
に広がっている通常のレーザでは、計算例が１０５ＯＡ
／ｃｍ”であるのに対して２次元電子を活性層にもつレ
ーザでは３８０Ａ／ｃｎ”、１次元電子を活性層にもつ
レーザでは１４０Ａ／ｃｍ”、Ｏ次元電子を活性層にも
つレーザでは４５Ａ／ｃｍ”と予想され、次元数の低下
に伴い特性が向上している。このような特性の向上は状
態密度関数の変調によるところが大きい。
第５図（ａ）〜（ｄ）はこの状態密度関数を模式的に示
した説明図である。同図（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ３
次元、２次元、１次元、０次元に対応し、横軸に矢印で
示したレーザ発振エネルギーにおける状態密度関数の形
状が重要な働きを行なう。即ぢ、３次元の場合に比べて
２次元の場合は、発振エネルギーでの状態密度関数が階
段状に急峻に増加している。１次元の場合はさらに状態
密度関数が急峻となり、０次元ではデルタ関数状になる
。超格子素子の狙いの１つは、このような次元数の低下
によってもたらされる状態密度関数の変調に伴う特性の
向上にある。
した説明図である。同図（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ３
次元、２次元、１次元、０次元に対応し、横軸に矢印で
示したレーザ発振エネルギーにおける状態密度関数の形
状が重要な働きを行なう。即ぢ、３次元の場合に比べて
２次元の場合は、発振エネルギーでの状態密度関数が階
段状に急峻に増加している。１次元の場合はさらに状態
密度関数が急峻となり、０次元ではデルタ関数状になる
。超格子素子の狙いの１つは、このような次元数の低下
によってもたらされる状態密度関数の変調に伴う特性の
向上にある。
従来技術の超格子素子の最も一般的な構造は、２種類の
半導体層の交互層からなる層状構造をしており、一方の
半導体に閉じ込められた電子または正孔は２次元の自由
度を有している。そして、この構造の交互層の一方の厚
さは、電子または正孔を２次元状態に閉じ込めるため、
電子または正孔のド・ブロイ波長と同程度かそれ以下に
することが必要である。これを実現するための技術とし
て、膜厚制御性に優れた分子線エピタキシー法あるいは
有機金属気相成長法が用いられており、１ｍＡ以下の闇
値電流の半導体レーザが実現されている。
半導体層の交互層からなる層状構造をしており、一方の
半導体に閉じ込められた電子または正孔は２次元の自由
度を有している。そして、この構造の交互層の一方の厚
さは、電子または正孔を２次元状態に閉じ込めるため、
電子または正孔のド・ブロイ波長と同程度かそれ以下に
することが必要である。これを実現するための技術とし
て、膜厚制御性に優れた分子線エピタキシー法あるいは
有機金属気相成長法が用いられており、１ｍＡ以下の闇
値電流の半導体レーザが実現されている。
そして、電子または正孔の自由度を１次元に限定すれば
さらに特性の向上が期待され、これを実現する構造を量
子細線構造という。従来技術による量子細線構造の製作
方法は大別して３つに分けられる。
さらに特性の向上が期待され、これを実現する構造を量
子細線構造という。従来技術による量子細線構造の製作
方法は大別して３つに分けられる。
まず、第の１方法は、あらかじめ上記の層状構造を製作
してその断面部分を露出させ、そこにゲート電極を形成
して１次元電子を誘起するものである。
してその断面部分を露出させ、そこにゲート電極を形成
して１次元電子を誘起するものである。
第２の方法は、福井氏らにより報告Ｕｏｕｒｎａｌｏｆ
Ｖａｃｕｕｍ ５ｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ、 Ｖｏｌ Ｂ５）されている縦型超格子を
利用し、これを層状構造の一部に造り込むものである。
Ｖａｃｕｕｍ ５ｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ、 Ｖｏｌ Ｂ５）されている縦型超格子を
利用し、これを層状構造の一部に造り込むものである。
第３の方法は、従来技術では最も一般的な方法であって
、電子ビーム描画あるいは集束イオンビーム注入により
基板上に細線パターンを形成し、エツチング、再成長、
超格子の混晶化等の処理を組み合わせて量子細線構造を
得るものである。
、電子ビーム描画あるいは集束イオンビーム注入により
基板上に細線パターンを形成し、エツチング、再成長、
超格子の混晶化等の処理を組み合わせて量子細線構造を
得るものである。
第６図はこの第３の方法を用いて製作した超格子素子の
断面図である。まず、基板６１の上面にＡ Ｉ Ｘ Ｇ
ａ Ｉ−Ｘ Ａ ｓ層６２、ＧａＡｓ層６３、および
Ａ＃１ Ｇａ＋−ｘ Ａｓ層６４の順に成長する。
断面図である。まず、基板６１の上面にＡ Ｉ Ｘ Ｇ
ａ Ｉ−Ｘ Ａ ｓ層６２、ＧａＡｓ層６３、および
Ａ＃１ Ｇａ＋−ｘ Ａｓ層６４の順に成長する。
そして、この層状構造を電子ビームリソグラフィ及び反
応性イオンエツチングにより１１００ｎ以下の幅にリッ
ジ加工し、最後にＡＩ！ｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ層６５に
より埋め込み再成長を行なっている。これにより、各Ａ
ｌｘ Ｇａ＋−ｘ Ａｓ層６２．６４、６５に囲まれた
ＧａＡｓ層６３ （量子細線）を形成することができる
。
応性イオンエツチングにより１１００ｎ以下の幅にリッ
ジ加工し、最後にＡＩ！ｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ層６５に
より埋め込み再成長を行なっている。これにより、各Ａ
ｌｘ Ｇａ＋−ｘ Ａｓ層６２．６４、６５に囲まれた
ＧａＡｓ層６３ （量子細線）を形成することができる
。
しかしながら上記構成の従来の超格子素子は、以下に述
べるような欠点があった。
べるような欠点があった。
第１の方法は、電界効果トランジスタのような基板表面
に能動層を有する素子には適するが、半導体レーザのよ
うに活性層が埋め込まれた構造の素子には適さないとい
う欠点がある。
に能動層を有する素子には適するが、半導体レーザのよ
うに活性層が埋め込まれた構造の素子には適さないとい
う欠点がある。
第２の方法は、成長法が有機金属気相成長法に限られ、
また、ドーピングが困難であるという欠点がある。
また、ドーピングが困難であるという欠点がある。
第３の方法は、電子ビームのゆらぎ、イオンビームのゆ
らぎ、及びレジスト現像、エツチングプロセス、熱処理
混晶化等における統計的ゆらぎにより、量子細線の幅が
ゆらいでしまうという欠点がある。このゆらぎは、従来
技術では±３ｎｍ以下におさえることは困難であり、量
子細線構造により形成された鋭い状態密度関数をぼかす
ことになり、量子細線の利点そのものを相殺する結果と
なっていた。
らぎ、及びレジスト現像、エツチングプロセス、熱処理
混晶化等における統計的ゆらぎにより、量子細線の幅が
ゆらいでしまうという欠点がある。このゆらぎは、従来
技術では±３ｎｍ以下におさえることは困難であり、量
子細線構造により形成された鋭い状態密度関数をぼかす
ことになり、量子細線の利点そのものを相殺する結果と
なっていた。
本発明は上記の欠点を解決するためになされたもので、
量子細線の幅のゆらぎの極めて少ない量子細線構造を得
ることを目的とする。
量子細線の幅のゆらぎの極めて少ない量子細線構造を得
ることを目的とする。
本発明による超格子素子は、半導体基板の上面に形成し
たバッファ層と、このバッファ層の上面に形成した第１
のクラッド層と、この第１のクラフト層の上面に少なく
とも２種類以上の半導体層の交互層からなり斜側面に鋸
歯状段差部を有する超格子層と、この超格子層の鋸歯状
段差部に形成した半導体細線と、この半導体細線を含む
超格子層の上面に形成した半導体層と、この半導体層の
上面に形成した第２のクラッド層と、この第２のクラッ
ド層の上面に形成したキャップ層とを備えている。
たバッファ層と、このバッファ層の上面に形成した第１
のクラッド層と、この第１のクラフト層の上面に少なく
とも２種類以上の半導体層の交互層からなり斜側面に鋸
歯状段差部を有する超格子層と、この超格子層の鋸歯状
段差部に形成した半導体細線と、この半導体細線を含む
超格子層の上面に形成した半導体層と、この半導体層の
上面に形成した第２のクラッド層と、この第２のクラッ
ド層の上面に形成したキャップ層とを備えている。
また、上記半導体細線を半導体レーザの活性層としてい
る。
る。
また、本発明による超格子素子の製造方法は、半導体基
板の上面にバッファ層を形成する工程と、このバッファ
層の上面に第１のクラッド層を形成する工程と、この第
１のクラッド層の上面に少なくとも２種類以上の半導体
の交互層からなる超格子層を形成する工程と、この超格
子層をエツチングプロセスまたは選択成長により斜側面
を形成する工程と、この超格子層の斜側面に鋸歯状の段
差部を形成する工程と、この鋸歯状の段差部に分子線エ
ピタキシー法を用いて半導体細線を堆積する工程と、こ
の半導体細線含む超格子層の上面に半導体層を形成する
工程と、この半導体層の上面に第２のクラフト層を形成
する工程と、この第２のクラッド層の上面にキャップ層
を形成する工程とを有している。
板の上面にバッファ層を形成する工程と、このバッファ
層の上面に第１のクラッド層を形成する工程と、この第
１のクラッド層の上面に少なくとも２種類以上の半導体
の交互層からなる超格子層を形成する工程と、この超格
子層をエツチングプロセスまたは選択成長により斜側面
を形成する工程と、この超格子層の斜側面に鋸歯状の段
差部を形成する工程と、この鋸歯状の段差部に分子線エ
ピタキシー法を用いて半導体細線を堆積する工程と、こ
の半導体細線含む超格子層の上面に半導体層を形成する
工程と、この半導体層の上面に第２のクラフト層を形成
する工程と、この第２のクラッド層の上面にキャップ層
を形成する工程とを有している。
また、上記の超格子素子の製造方法において、半導体細
線の堆積工程の代わりに鋸歯状の段差部にイオン注入し
て熱処理する工程としている。
線の堆積工程の代わりに鋸歯状の段差部にイオン注入し
て熱処理する工程としている。
また、上記の超格子素子の製造方法において、半導体層
を形成する方法として有機金属気相成長法またはマイグ
レーションエンハンストエピタキシー法を用いている。
を形成する方法として有機金属気相成長法またはマイグ
レーションエンハンストエピタキシー法を用いている。
鋸歯状の段差部に断面寸法が極めて−様な量子細線を高
密度に形成する。
密度に形成する。
大旌炭上
以下、本発明の実施例について図に従って説明する。第
１図（ａ）、 （ｂ）は本発明に係る第１の実施例を
示した超格子素子の断面図である。ここで、同図（ｂ）
は同図（ａ）のＡ部の拡大構造を示している。図におい
て、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はバッファ層、６はｎ型
Ａｌｏ、ａ Ｇａｏ、ｂＡｓクラッド層、７はｎ型ＡＩ
ｔ、、、Ｇａ、、、Ａｓ層１１、アンドープＡ１６．＋
Ｇａｏ、ｗ Ａｓ層１２、及びＧａＡｓ量子細ｖＡ１
６からなる超格子層、８はｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
、９はＰ−ＧａＡｓキャンプ層、３０はｐ型電極層、３
１はｎ型電極層である。また、１７は半導体層にあたる
アンドープＡｌｏ、ｇ Ｇａｏ、ｓ Ａｓ層、１８はｐ
型Ａｌｏ、ｚＧａｏ、ｓＡｓ層、１９はｐ型Ａｌｏ、４
Ｇａｏ、ｈ Ａｓ層である。
１図（ａ）、 （ｂ）は本発明に係る第１の実施例を
示した超格子素子の断面図である。ここで、同図（ｂ）
は同図（ａ）のＡ部の拡大構造を示している。図におい
て、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はバッファ層、６はｎ型
Ａｌｏ、ａ Ｇａｏ、ｂＡｓクラッド層、７はｎ型ＡＩ
ｔ、、、Ｇａ、、、Ａｓ層１１、アンドープＡ１６．＋
Ｇａｏ、ｗ Ａｓ層１２、及びＧａＡｓ量子細ｖＡ１
６からなる超格子層、８はｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
、９はＰ−ＧａＡｓキャンプ層、３０はｐ型電極層、３
１はｎ型電極層である。また、１７は半導体層にあたる
アンドープＡｌｏ、ｇ Ｇａｏ、ｓ Ａｓ層、１８はｐ
型Ａｌｏ、ｚＧａｏ、ｓＡｓ層、１９はｐ型Ａｌｏ、４
Ｇａｏ、ｈ Ａｓ層である。
次に、第２図（ａ）〜（ｄ）は第１図における超格子素
子の製造工程を示した要部断面図である。
子の製造工程を示した要部断面図である。
まず、ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＧａＡｓ又はＧａＡｓ−
ＡｌＧａＡｓのバッファー２層を成長させる。その後、
分子線エピタキシーまたは有機金属気相成長法によりｎ
型Ａ ｊ！ ｏ、ａ Ｇ ａ ｏ、６ Ａ ｓクラッド
層６を２μｍ成長させ、次に５層ｍのアンドープＡｊｔ
ｏ、＋ Ｇａｏ、＊ Ａｓ１ｉ１２と２５層ｍのｎ型Ａ
！。、４ Ｇａ６１Ａ３層１１との交互層よりなる超格
子Ｎ７を０．１〜１μｍ成長させる。そして、次に述べ
るエツチングプロセスの保護層として、０．１〜０．５
μｍのＧａＡｓ層１０を成長させる。
ＡｌＧａＡｓのバッファー２層を成長させる。その後、
分子線エピタキシーまたは有機金属気相成長法によりｎ
型Ａ ｊ！ ｏ、ａ Ｇ ａ ｏ、６ Ａ ｓクラッド
層６を２μｍ成長させ、次に５層ｍのアンドープＡｊｔ
ｏ、＋ Ｇａｏ、＊ Ａｓ１ｉ１２と２５層ｍのｎ型Ａ
！。、４ Ｇａ６１Ａ３層１１との交互層よりなる超格
子Ｎ７を０．１〜１μｍ成長させる。そして、次に述べ
るエツチングプロセスの保護層として、０．１〜０．５
μｍのＧａＡｓ層１０を成長させる。
次に、この基板をフォトリソプロセス及びエツチングプ
ロセスにより、同図（ａ）の図中に破線Ａで示した形状
に加工し、超格子層７の断面がメサの側面（斜側面）に
現れる構造を形成する。そして、フン酸系エッチャント
によりｎ型Ａ１゜、４Ｇａ（１，６層８層１１のみを選
択エツチングして、同図（ｂ）に拡大して示したように
、メサ側面に鋸歯状の段差を形成する。なお、ＧａＡｓ
層１０はこの工程で全て除去される。この工程の後、同
図（Ｃ）に示すように、分子線エピタキシー法により矢
印１４で示した方向から飛来するＧａ分子線及び矢印１
４又は１５で示した方向から飛来するＡｓ分子線を用い
、アンドープＡ１゜１Ｇａ０．。
ロセスにより、同図（ａ）の図中に破線Ａで示した形状
に加工し、超格子層７の断面がメサの側面（斜側面）に
現れる構造を形成する。そして、フン酸系エッチャント
によりｎ型Ａ１゜、４Ｇａ（１，６層８層１１のみを選
択エツチングして、同図（ｂ）に拡大して示したように
、メサ側面に鋸歯状の段差を形成する。なお、ＧａＡｓ
層１０はこの工程で全て除去される。この工程の後、同
図（Ｃ）に示すように、分子線エピタキシー法により矢
印１４で示した方向から飛来するＧａ分子線及び矢印１
４又は１５で示した方向から飛来するＡｓ分子線を用い
、アンドープＡ１゜１Ｇａ０．。
Ａｓ１ｉ１２のせりだし部、即ち段差部１２ａをマスク
としてＧａＡｓ量子細線１６を成長きせる。その後、同
図（ｃ）と同様に、矢印１５で示した方向から飛来する
ＧａおよびＡｆｆｉ分子線及び矢印１４または１５で示
した方向から飛来するＡｓ分子線を用いた分子線エピタ
キシー法、または堀越氏らにより報告（Ｊｐｎ、 Ｊ、
Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 Ｖｏｌ、２５ Ｌ８６Ｂ（
１９８６） ）されているマイグレイジョンエンハンス
トエビタキシー法（ＭＥＥ法）、または有機金属気相成
長法（ＭＯＣＶＤ法）により、同図（ｃ）に示すように
アンドープＡ１゜、、Ｇａｏ１Ａｓ層１７を形成する。
としてＧａＡｓ量子細線１６を成長きせる。その後、同
図（ｃ）と同様に、矢印１５で示した方向から飛来する
ＧａおよびＡｆｆｉ分子線及び矢印１４または１５で示
した方向から飛来するＡｓ分子線を用いた分子線エピタ
キシー法、または堀越氏らにより報告（Ｊｐｎ、 Ｊ、
Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 Ｖｏｌ、２５ Ｌ８６Ｂ（
１９８６） ）されているマイグレイジョンエンハンス
トエビタキシー法（ＭＥＥ法）、または有機金属気相成
長法（ＭＯＣＶＤ法）により、同図（ｃ）に示すように
アンドープＡ１゜、、Ｇａｏ１Ａｓ層１７を形成する。
続いて、ｐ型Ａ１６．ｚ Ｇａｏ、ｅＡｓＡｌＢ１２ｐ
型Ａｆ６．、Ｇａ、、ｈＡｓＡｌＢ１９長させる。ここ
で、ＭＥＥ法及びＭＯＣＶＤ法では、結晶成長に寄与す
る原子または分子の成長表面での移動度が大きいために
、凹凸の著しい面への成長であるアンドープＡｌｏ、ｔ
Ｇａｏ１Ａｓ層１７の成長において、高品質の層を得
やすいという利点がある。この後、図示していないが超
格子層７の上面にｐ型Ａｊ！ＧａＡｓクラフト層８及び
Ｐ−ＧａＡｓキャップ層９を形成すると共に、ｐ復電極
層３０及びｎ型電極層３１を形成する。
型Ａｆ６．、Ｇａ、、ｈＡｓＡｌＢ１９長させる。ここ
で、ＭＥＥ法及びＭＯＣＶＤ法では、結晶成長に寄与す
る原子または分子の成長表面での移動度が大きいために
、凹凸の著しい面への成長であるアンドープＡｌｏ、ｔ
Ｇａｏ１Ａｓ層１７の成長において、高品質の層を得
やすいという利点がある。この後、図示していないが超
格子層７の上面にｐ型Ａｊ！ＧａＡｓクラフト層８及び
Ｐ−ＧａＡｓキャップ層９を形成すると共に、ｐ復電極
層３０及びｎ型電極層３１を形成する。
さて、ｐ及びｎ型電極層３０．３１から注入させた正孔
及び電子は、アンドープＡｊ！ｏ、ｇ Ｇａｏ、ｓＡｓ
Ａｓ層中７中め込まれたＧａＡｓ量子細線１６によるポ
テンシャル井戸中で再結合発光を行なう。
及び電子は、アンドープＡｊ！ｏ、ｇ Ｇａｏ、ｓＡｓ
Ａｓ層中７中め込まれたＧａＡｓ量子細線１６によるポ
テンシャル井戸中で再結合発光を行なう。
そして、この光は周囲のクラッド層より屈折率の小さい
アンドープＡ’ｏ、ｚ Ｇａｏ、ｓ Ａ ｓ層１７及び
ｐ型Ａｌｏ、ｔ Ｇａｏ、ａ Ａｓ層１８に閉じ込めら
れ、レーザ発光をおこなう。
アンドープＡ’ｏ、ｚ Ｇａｏ、ｓ Ａ ｓ層１７及び
ｐ型Ａｌｏ、ｔ Ｇａｏ、ａ Ａｓ層１８に閉じ込めら
れ、レーザ発光をおこなう。
本実施例は、量子井戸細線の最も重要なパラメータであ
るＧａＡｓ量子細線１６の断面の寸法を正確に決定する
ことができる。即ち、分子線エピタキシー法における各
分子線は真空中を直進するため、堆積量はＧａＡｓの場
合、Ｇａ分子線の供給量により決められる。従って、Ｇ
ａＡｓ量子細線１６の幅はメサの角度、超格子層７の周
期、Ｇａ分子線１４の入射角度により決定され、ＧａＡ
ｓ量子細線１６高さは、第２図（ｃ）に示す矢印１４か
らのＧａ分子線の供給量により決められる。そして、Ｇ
ａＡｓ量子細線１６の高さと超格子層７の周期は、１原
子層の精度で制御することができる。
るＧａＡｓ量子細線１６の断面の寸法を正確に決定する
ことができる。即ち、分子線エピタキシー法における各
分子線は真空中を直進するため、堆積量はＧａＡｓの場
合、Ｇａ分子線の供給量により決められる。従って、Ｇ
ａＡｓ量子細線１６の幅はメサの角度、超格子層７の周
期、Ｇａ分子線１４の入射角度により決定され、ＧａＡ
ｓ量子細線１６高さは、第２図（ｃ）に示す矢印１４か
らのＧａ分子線の供給量により決められる。そして、Ｇ
ａＡｓ量子細線１６の高さと超格子層７の周期は、１原
子層の精度で制御することができる。
また、メサの角度は、低指数面のファセットを利用する
ことにより、正確に制御することが可能である。さらに
、第６図におけるＧａＡｓ層６３（量子細線）が基板面
内に平面的に並べられた構造であるのに対して、本実施
例では立体的に配置されるため、活性層内での細線密度
が高められるという利点もある。
ことにより、正確に制御することが可能である。さらに
、第６図におけるＧａＡｓ層６３（量子細線）が基板面
内に平面的に並べられた構造であるのに対して、本実施
例では立体的に配置されるため、活性層内での細線密度
が高められるという利点もある。
これらの結果から明らかなように本実施例では、量子細
線の量子化準位を決定する細線の寸法のゆらぎが極めて
小さく、且つレーザの活性層全域にわたって一様である
ため、量子細線の特徴である低閾値のレーザを実現する
ことができる。
線の量子化準位を決定する細線の寸法のゆらぎが極めて
小さく、且つレーザの活性層全域にわたって一様である
ため、量子細線の特徴である低閾値のレーザを実現する
ことができる。
なお、アンドープＡ １６． Ｉ Ｇ ａ ｏ、ｑ Ａ
３層１２に閉じ込められる２次元電子及び正孔の量子
準位エネルギーが、ＧａＡ３量子細線１６に閉じ込めら
れる１次元電子及び正孔の量子準位エネルギーより大き
ければ、アンドープＡ ｌ 、、 、 Ｇ ａ ００ｇ
、Ａ ｓ層１２はＧａＡｓ層により置き換えてもよい
。
３層１２に閉じ込められる２次元電子及び正孔の量子
準位エネルギーが、ＧａＡ３量子細線１６に閉じ込めら
れる１次元電子及び正孔の量子準位エネルギーより大き
ければ、アンドープＡ ｌ 、、 、 Ｇ ａ ００ｇ
、Ａ ｓ層１２はＧａＡｓ層により置き換えてもよい
。
裏膳±１
本発明の第２の実施例は、第１の実施例において形成し
た第２図（ａ）の破線Ａで示した形状の代わりに、第３
図に示す構造を浅井氏らにより報告（Ａｐｐｌ、 Ｐｈ
ｙｓ、 Ｌｅｔｔ、５１ Ｎｏ、９１５１８ （１９８
７） ）されている有機金属気相成長法により形成し、
以機箱１の実施例と同様の工程を実施するものである。
た第２図（ａ）の破線Ａで示した形状の代わりに、第３
図に示す構造を浅井氏らにより報告（Ａｐｐｌ、 Ｐｈ
ｙｓ、 Ｌｅｔｔ、５１ Ｎｏ、９１５１８ （１９８
７） ）されている有機金属気相成長法により形成し、
以機箱１の実施例と同様の工程を実施するものである。
第３図の構造は、（１００）ＧａＡｓ基板上に成長させ
たｎ型Ａ １ ｏ、ａ Ｇ ａ ｏ、６ Ａ ｓ層２０
の表面の（１１０）の方向にＳ ｉ ０２ストライプ２
１を形成し、第２図（ａ）の超格子層７に相当する超格
子層２２を成長させるものである。ここで、有機金属気
相成長法によればｓｔａ！ストライプ２１の上には結晶
は成長しないため、成長条件を適当に設定することによ
り、（１１１）面ファセット成長をさせ得るので、第３
図に示した構造を得ることができる。なお、以後の工程
であるＭＢＢ成長では、Ｓｉｎ、ストライプ２１の上に
おいて成長初期に多結晶層が成長するが、ストライブ幅
を狭くしておくことにより引き続（成長において周囲の
単結晶層が優勢となり、単結晶で覆われるので問題はな
い。
たｎ型Ａ １ ｏ、ａ Ｇ ａ ｏ、６ Ａ ｓ層２０
の表面の（１１０）の方向にＳ ｉ ０２ストライプ２
１を形成し、第２図（ａ）の超格子層７に相当する超格
子層２２を成長させるものである。ここで、有機金属気
相成長法によればｓｔａ！ストライプ２１の上には結晶
は成長しないため、成長条件を適当に設定することによ
り、（１１１）面ファセット成長をさせ得るので、第３
図に示した構造を得ることができる。なお、以後の工程
であるＭＢＢ成長では、Ｓｉｎ、ストライプ２１の上に
おいて成長初期に多結晶層が成長するが、ストライブ幅
を狭くしておくことにより引き続（成長において周囲の
単結晶層が優勢となり、単結晶で覆われるので問題はな
い。
大立医主
本発明の第３の実施例は、第１及び第２の実施例におい
て超格子層７もしくは２２を構成するｎ型Ａ １１１．
４ Ｇ ａ ｏ、６ Ａ ９層１１の代わりにＧａＡ３
層を成長させたものである。そして、メサエッチングの
工程の後、アンモニアと過酸化水素水の混合液によりＧ
ａＡｓ層を選択的にエツチングし、アンドープＡｌ。、
、Ｇａｏ、ｅ Ａｓ層１２をマスクとして鋸歯状の段差
を形成する。次に、ＧａＡｓ量子細線１６の代わりにＩ
ｎを添加したＩ ｎｇ Ｇ ａ ｌ−ＸＡｓとしている
。この場合、ＩｎＡｓの組成Ｘは、量子細線からの発光
が超格子層７もしくは２２に吸収されないような値に設
定しておく必要がある。
て超格子層７もしくは２２を構成するｎ型Ａ １１１．
４ Ｇ ａ ｏ、６ Ａ ９層１１の代わりにＧａＡ３
層を成長させたものである。そして、メサエッチングの
工程の後、アンモニアと過酸化水素水の混合液によりＧ
ａＡｓ層を選択的にエツチングし、アンドープＡｌ。、
、Ｇａｏ、ｅ Ａｓ層１２をマスクとして鋸歯状の段差
を形成する。次に、ＧａＡｓ量子細線１６の代わりにＩ
ｎを添加したＩ ｎｇ Ｇ ａ ｌ−ＸＡｓとしている
。この場合、ＩｎＡｓの組成Ｘは、量子細線からの発光
が超格子層７もしくは２２に吸収されないような値に設
定しておく必要がある。
裏施五土
本発明の第４の実施例は、第１及び第２の実施例におい
て超格子層７もしくは２２を構成するアンドープｋ１６
．＋ Ｇａｏ、＊ Ａｓ層１２の代わりにＡ １ ｏ、
ａ Ｇ ａ Ｏ，Ａ Ａ ８層を、さらにｎ型Ａ Ｉｔ
ｏ、ａＧａ＠、６Ａｓ層１１の代わりにｎ型Ａ １．
、 、 Ｇ ａ 、、 。
て超格子層７もしくは２２を構成するアンドープｋ１６
．＋ Ｇａｏ、＊ Ａｓ層１２の代わりにＡ １ ｏ、
ａ Ｇ ａ Ｏ，Ａ Ａ ８層を、さらにｎ型Ａ Ｉｔ
ｏ、ａＧａ＠、６Ａｓ層１１の代わりにｎ型Ａ １．
、 、 Ｇ ａ 、、 。
Ａｓ層を成長させたものである。そして、メサエッチン
グの工程の後、分子線エピタキシー装置に試料を装填し
、Ａｓ分子線を供給しながら熱処理を行ない、ｎ型Ａ１
６．＋ Ｇａｏ、ｑ Ａ！ｉ層を選択的にエツチングす
る。これにより、上記のＡｌｏ、４ＧａＯ，＆Ａ！１層
をマスクとして鋸歯状の段差を形成している。ここで、
ＡＩ！、Ｇａ１−ｘ Ａｓ層上への再成長は、Ａｊ！Ａ
ｓの組成比Ｘが大きいと酸化のために良質なエピタキシ
ャル層が得にくいといわれているが、本実施例では選択
エツチングを超高真空中で行なっているため、この問題
を回避することができ、高品質の量子細線１６を得るこ
とができる。
グの工程の後、分子線エピタキシー装置に試料を装填し
、Ａｓ分子線を供給しながら熱処理を行ない、ｎ型Ａ１
６．＋ Ｇａｏ、ｑ Ａ！ｉ層を選択的にエツチングす
る。これにより、上記のＡｌｏ、４ＧａＯ，＆Ａ！１層
をマスクとして鋸歯状の段差を形成している。ここで、
ＡＩ！、Ｇａ１−ｘ Ａｓ層上への再成長は、Ａｊ！Ａ
ｓの組成比Ｘが大きいと酸化のために良質なエピタキシ
ャル層が得にくいといわれているが、本実施例では選択
エツチングを超高真空中で行なっているため、この問題
を回避することができ、高品質の量子細線１６を得るこ
とができる。
１韮１ｂ工
本発明の第５の実施例は、第３の実施例においてＧａＡ
ｓ層の選択エツチングの方法代わりとして、実施例４に
示した分子線エピタキシー装置内での熱処理を用いるも
のである。
ｓ層の選択エツチングの方法代わりとして、実施例４に
示した分子線エピタキシー装置内での熱処理を用いるも
のである。
大籐Ａ工
第４図は本発明に係る第６の実施例を示した超格子素子
の一部断面図である。ここでは、第１の実施例における
第２図（ｄ）と同様に鋸歯状の構造を示している。２０
ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層２４と３Ｑｎｍのｐ型Ａ１１ｏ、
ａ Ｇａ６，６ Ａｓ層２３の交互層からなる超格子を
成長させ、その後、第１の実施例の方法により、鋸歯状
の段差を形成する。
の一部断面図である。ここでは、第１の実施例における
第２図（ｄ）と同様に鋸歯状の構造を示している。２０
ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層２４と３Ｑｎｍのｐ型Ａ１１ｏ、
ａ Ｇａ６，６ Ａｓ層２３の交互層からなる超格子を
成長させ、その後、第１の実施例の方法により、鋸歯状
の段差を形成する。
次に、矢印２７で示す方向から１０〜２０ｋＶのＳｉイ
オンを注入しＧａＡｓ層２４の一部２５をｎ型の伝導型
に改質する。そして、ｐ型ＧａＡｓ層２６を成長するこ
とによりｎ型ｃａＡｓｌＢ＆’ｉがｐ型ＧａＡｓ層によ
り囲まれた構造が形成される。
オンを注入しＧａＡｓ層２４の一部２５をｎ型の伝導型
に改質する。そして、ｐ型ＧａＡｓ層２６を成長するこ
とによりｎ型ｃａＡｓｌＢ＆’ｉがｐ型ＧａＡｓ層によ
り囲まれた構造が形成される。
本実施例では、正孔はｐ型領域２４及び２６に広がり、
細線構造の内部には閉じ込められないが電子はｎ型の細
線２５に閉じ込められ１次元電子としての応用が期待さ
れている。
細線構造の内部には閉じ込められないが電子はｎ型の細
線２５に閉じ込められ１次元電子としての応用が期待さ
れている。
このように本実施例における超格子素子は、断面寸法が
極めて−様な量子細線を高密度に形成することができる
ので、超格子素子の特性を飛躍的に改善することができ
る。
極めて−様な量子細線を高密度に形成することができる
ので、超格子素子の特性を飛躍的に改善することができ
る。
なお、上記実施例では、成膜の材料として主にＧａＡｓ
ＡｌＸＧａ＋−ＸＡｓ系を用いた場合を説明したが
、ＩｎＰ Ｔ ｒｌｘ Ｇａ＋−ｘ ＡＳｙ Ｐ＋−
ｙ系、ＧａＡｓ−１ｎｘ Ｇａ、、Ａｓ系、および、Ｉ
ｎＸＧａ、−ＸＡｓ−Ａｊ！、Ｇａ＋−ｙ Ａｓ系な
どの他の材料の組み合わせを用いてもよい。
ＡｌＸＧａ＋−ＸＡｓ系を用いた場合を説明したが
、ＩｎＰ Ｔ ｒｌｘ Ｇａ＋−ｘ ＡＳｙ Ｐ＋−
ｙ系、ＧａＡｓ−１ｎｘ Ｇａ、、Ａｓ系、および、Ｉ
ｎＸＧａ、−ＸＡｓ−Ａｊ！、Ｇａ＋−ｙ Ａｓ系な
どの他の材料の組み合わせを用いてもよい。
以上説明したように本発明は、断面寸法が極めて−様な
量子細線を高密度に形成することができるので、下記の
ような優れた効果を有する。
量子細線を高密度に形成することができるので、下記の
ような優れた効果を有する。
（１）闇値電流の極めて低い量子井戸レーザを実現する
ことができる。
ことができる。
（２）変調帯域幅が広くスペクトル線幅の狭いレーザを
得ることができる。
得ることができる。
（３）移動度が極めて高いチャネル層を有するＦＥＴ素
子が実現できる。
子が実現できる。
第１図（ａ）、 （ｂ）は本発明の第１の実施例を示
す超格子素子の断面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は超格子
素子の製造工程を示す要部断面図、第３図は本発明の第
２の実施例を示す超格子素子の要部断面図、第４図は本
発明の第６の実施例を示す超格子素子の要部断面図、第
５図（ａ）〜（ｄ）は状態密度関数を模式的に示した説
明図、第６図は従来の超格子素子の断面図である。 １・・・ｎ型ＧａＡｓ基板、２・・・バッファ層、６−
・−ｎ型Ａｌｏ、ａ Ｇａａ、６Ａｓクラッド層、７・
・・超格子層、８・・・、、Ａｊ！ＧａＡＳクラッド層
、１１・＝ｎ型Ａ１６．ａ Ｇａｏ、ｂＡｓ層、１２−
・−アンドープＡｊ２ｏ、＋ Ｇａｏ、ｑＡｓ層、１６
・・・ＧａＡｓ量子細線、１７・・・アンドープＡ １
６．ｔ Ｇ ａ ｏ、ｅ Ａ ３層。 特許出願人 日本電信電話株式会社 第 図 （Ｑ） （ｂ） 第 図 （ａ） Δ 第 図 第 図 第 図
す超格子素子の断面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は超格子
素子の製造工程を示す要部断面図、第３図は本発明の第
２の実施例を示す超格子素子の要部断面図、第４図は本
発明の第６の実施例を示す超格子素子の要部断面図、第
５図（ａ）〜（ｄ）は状態密度関数を模式的に示した説
明図、第６図は従来の超格子素子の断面図である。 １・・・ｎ型ＧａＡｓ基板、２・・・バッファ層、６−
・−ｎ型Ａｌｏ、ａ Ｇａａ、６Ａｓクラッド層、７・
・・超格子層、８・・・、、Ａｊ！ＧａＡＳクラッド層
、１１・＝ｎ型Ａ１６．ａ Ｇａｏ、ｂＡｓ層、１２−
・−アンドープＡｊ２ｏ、＋ Ｇａｏ、ｑＡｓ層、１６
・・・ＧａＡｓ量子細線、１７・・・アンドープＡ １
６．ｔ Ｇ ａ ｏ、ｅ Ａ ３層。 特許出願人 日本電信電話株式会社 第 図 （Ｑ） （ｂ） 第 図 （ａ） Δ 第 図 第 図 第 図
Claims (5)
- （１）半導体基板の上面に形成したバッファ層と、この
バッファ層の上面に形成した第１のクラッド層と、 この第１のクラッド層の上面に形成した少なくとも２種
類以上の半導体層の交互層からなり斜側面に鋸歯状段差
部を有する超格子層と、 この超格子層の鋸歯状段差部に形成した半導体細線と、 この半導体細線を含む前記超格子層の上面に形成した半
導体層と、 この半導体層の上面に形成した第２のクラッド層と、 この第２のクラッド層の上面に形成したキャップ層とを
備えたことを特徴とする超格子素子。 - （２）請求項１において半導体細線を半導体レーザの活
性層としたことを特徴とする超格子素子。 - （３）半導体基板の上面にバッファ層を形成する工程と
、 このバッファ層の上面に第１のクラッド層を形成する工
程と、 この第１のクラッド層の上面に少なくとも２種類以上の
半導体の交互層からなる超格子層を形成する工程と、 この超格子層をエッチングプロセスまたは選択成長によ
り斜側面を形成する工程と、 この超格子層の斜側面に鋸歯状の段差部を形成する工程
と、 この鋸歯状の段差部に分子線エピタキシー法を用いて半
導体細線を堆積する工程と、 この半導体細線含む前記超格子層の上面に半導体層を形
成する工程と、 この半導体層の上面に第２のクラッド層を形成する工程
と、 この第２のクラッド層の上面にキャップ層を形成する工
程とを有することを特徴とする超格子素子の製造方法。 - （４）請求項３において半導体細線の堆積工程の代わり
に、鋸歯状の段差部にイオン注入して熱処理する工程と
することを特徴とする超格子素子の製造方法。 - （５）請求項３または請求項４において半導体層を形成
する方法として有機金属気相成長法またはマイグレーシ
ョンエンハンストエピタキシー法を用いたことを特徴と
する超格子素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63274515A JP2757258B2 (ja) | 1988-11-01 | 1988-11-01 | 超格子素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63274515A JP2757258B2 (ja) | 1988-11-01 | 1988-11-01 | 超格子素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02122682A true JPH02122682A (ja) | 1990-05-10 |
| JP2757258B2 JP2757258B2 (ja) | 1998-05-25 |
Family
ID=17542774
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63274515A Expired - Fee Related JP2757258B2 (ja) | 1988-11-01 | 1988-11-01 | 超格子素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2757258B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5330612A (en) * | 1991-10-02 | 1994-07-19 | Advantest Corporation | Method of fabricating nano-size thin wires and devices made of such thin wires |
| JPH07202349A (ja) * | 1993-12-14 | 1995-08-04 | Korea Electron Telecommun | Ｍｂｅ材結晶成長の分子線回折を利用した量子細線レーザーダイオードの製造方法 |
| US6583451B2 (en) * | 1999-12-16 | 2003-06-24 | Stmicroelectronics S.A. | Process for fabricating a network of nanometric lines made of single-crystal silicon and device obtained |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6289383A (ja) * | 1985-10-16 | 1987-04-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体レ−ザ |
-
1988
- 1988-11-01 JP JP63274515A patent/JP2757258B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6289383A (ja) * | 1985-10-16 | 1987-04-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体レ−ザ |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5330612A (en) * | 1991-10-02 | 1994-07-19 | Advantest Corporation | Method of fabricating nano-size thin wires and devices made of such thin wires |
| JPH07202349A (ja) * | 1993-12-14 | 1995-08-04 | Korea Electron Telecommun | Ｍｂｅ材結晶成長の分子線回折を利用した量子細線レーザーダイオードの製造方法 |
| US6583451B2 (en) * | 1999-12-16 | 2003-06-24 | Stmicroelectronics S.A. | Process for fabricating a network of nanometric lines made of single-crystal silicon and device obtained |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2757258B2 (ja) | 1998-05-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |