JPH02163928A - 量子細線または量子箱の形成方法 - Google Patents

量子細線または量子箱の形成方法

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JPH02163928A
JPH02163928A JP31918488A JP31918488A JPH02163928A JP H02163928 A JPH02163928 A JP H02163928A JP 31918488 A JP31918488 A JP 31918488A JP 31918488 A JP31918488 A JP 31918488A JP H02163928 A JPH02163928 A JP H02163928A
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JP
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growth
layer
quantum
semiconductor
semiconductor layer
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JP31918488A
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Kunihiko Kodama
邦彦 児玉
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要] 本発明は半導体のエネルギ・バンド構造を利用して、キ
ャリヤを閉じ込める量子井戸構造の形成方法に関し、 キャリヤを2次元或いは3次元方向に閉じ込める量子細
線或いは量子箱を精度良く形成する方法を提供すること
を目的とし、 単結晶半導体基板面に断面擬V字型の窪みを形成する工
程、 等方性の原子層エビタキシャーで禁制帯幅が大である半
導体層を成長させることにより、量子井戸を構成する一
方のバリヤを形成すると共にIJJV字型窪字型底面の
寸法を調整する工程、異方性のエピタキシャル成長法に
より、Iv字の底面に禁制帯幅の狭い半導体層を、キャ
リヤのド・ブロイ波長より小の厚さに形成する工程、お
よび 等方性の原子層エビタキシャーで禁制帯幅が大である半
導体層を成長させることにより、量子井戸を構成する他
方のバリヤを形成する工程を包含して構成される。
〔産業上の利用分野] 本発明は半導体のエネルギ・バンド構造を利用して、キ
ャリヤを閉じ込める量子井戸に関わるものであり、特に
キャリヤを2次元或いは3次元方向に閉じ込める量子井
戸構造である量子細線或いは量子箱の形成方法に関わる
ものである。
量子井戸の形状は禁制帯幅の広い半導体層で禁制帯幅の
狭い半導体層を挟んだ、一種の超格子構造構造であり、
禁制帯幅の狭い半導体層の厚さはキャリヤのド・ブロイ
波長より小である。更に、量子井戸を能動素子に利用す
る場合には、キャリヤ閉じ込め障壁となる禁制帯幅の広
い半導体層の厚さも、キャリヤのトンネリング確率が有
意の値となる程度とすることがある。
一般的に知られている1次元閉じ込め型の量子井戸は、
キャリヤの運動を1次元方向だけ抑制するものであるが
、これを2次元方向に抑制する構造は量子細線と呼ばれ
ており、更に、3次元方向に抑制する構造は量子箱と呼
ばれている。
1次元の閉じ込め構造では、閉じ込め層の厚さだけを数
原子層に制御すれば良かったのに対し、量子細線ではそ
の幅も同程度の値とすることが要求され、量子箱ではそ
れに加えて長さも同程度の値に制御されていなければな
らない。
量子井戸構造を利用した能動素子には種々のものがある
が、例えば半導体レーザの再結合発H領域である活性層
を量子井戸構造とすることにより、量子変換効率が高め
られることが知られており、この量子井戸構造を1次元
の閉じ込め構造から2次元の閉じ込め構造である量子細
線に変えることで、量子変換効率は更に向上すると考え
られている。
〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕1次元閉
じ込め型の量子井戸構造は、原子層エピタキシー(AL
E)により形成される。ALEは、典型的には半導体を
構成する元素毎に1原子層ずつ基板に吸着させることを
繰り返し、それによって原子層単位でエピタキシャル成
長を行うもので、■原子層を越えて吸着を進行させない
ために、セルフリミティング効果を示す原料が用いられ
る。
この方法では、量子井戸を構成する半導体層の厚さを原
子層数で示される程度に制御することは可能であるが、
幅や長さを同じ精度で制御するためには別な制御方法に
依ることが必要である。従来知られている幅および長さ
を制御する方法にはフォーカス・イオンビームを用いる
ものがあるが、成長方向に直角な方向の閉じ込めは量子
サイズ効果が観測される程度であり、量子細線或いは量
子箱の寸法の制御は不十分である。
本発明の目的はエピタキシャル成長させる半導体層の厚
みを制御すると共に、その幅や長さを厚さと同程度の値
に制御する処理法を提供することであり、それによって
量子細線や量子箱の形成をより容易とすることである。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するため、本発明の量子細線または量子
箱の形成方法には 単結晶半導体基板面に、第1の結晶面を側面とし、前記
第1の結晶面とは異なる結晶面である第2の結晶面を底
面とする断面擬V字型の表面形状を形成する工程、 前記形状を設けた半導体基板面に、成長速度が下地結晶
方位に依存せず且つ原子層単位で成長厚を制御し得る成
長方法で第1の半導体層を形成する工程、 前記第1の半導体層を形成した半導体基板面の、前記擬
V字形状の底面をなす第2の結晶面上のみに、前記第1
の半導体よりも禁制帯幅の狭い第2の半導体層を原子層
単位で示される厚みに形成する工程、および 前記第2の半導体層を選択的に形成した半導体基板面に
、成長速度が下地結晶方位に依存せず且つ原子層単位で
成長厚を制御し得る成長方法で、前記第1の半導体層を
形成する工程が包含される。
これは換言すれば、 単結晶半導体基板面に断面擬V字型の窪みを持つ形状を
作る工程、 等方性の原子層エビタキシャーで禁制帯幅が大である半
導体層を成長させることにより、量子井戸を構成する一
方のバリヤを形成すると共に擬V字型窪みの底面の寸法
を調整する工程、異方性のエピタキシャル成長法により
、擬V字の底面に禁制帯幅の狭い半導体層を、キャリヤ
のド・ブロイ波長より小の厚さに形成する工程、および 等方性の原子層エビタキシャーで禁制帯幅が大である半
導体層を成長させることにより、量子井戸を構成する他
方のバリヤを形成する工程、が包含されることである。
[作 用〕 上記エピタキシャル成長工程の中、最初の等方性エピタ
キシャル成長では擬V字型形状の底面および側面に同じ
速度で結晶成長が進行するので、結晶成長の進行に伴っ
て底面の幅や長さといった寸法が縮小することになる。
それ故、該工程の成長層厚を適当な値に設定することに
より底面の幅或いは長さを原子層単位で制御することが
出来る。
このように設定された底面の幅或いは長さが、後続工程
によって形成される量子細線の幅或いは長さとなる。該
工程はまた量子井戸の一方のバリヤを形成する工程であ
る。
続く異方性エピタキシャル成長工程では、結晶方位の関
係から底面のみに結晶成長が進行する処理法によって、
擬v字型形状の底面のみに禁制帯幅の狭い半導体層をエ
ピタキシャル成長させる。
これによって厚さと輻又は厚さと幅と長さが所定の値で
あるキャリヤ閉じ込め層が形成される。
更にその次の等方性原子層エピタキシーでは、前工程で
形成されたキャリヤ閉じ込め層を包むように量子井戸の
バリヤ層が形成され、量子細線或いは量子箱が形成され
る。
以上の工程により、キャリヤ閉じ込め層が2次元或いは
3次元的に所定の微小寸法で形成され、さらにそれを包
んでバリヤ層が、これも所定の厚さに形成される。即ち
、量子細線或いは量子箱が原子層エピタキシーの層数制
御によって形成される。
以上の点については次の実施例の項でも具体的な説明が
行われる。
〔実施例〕
第1図(a)〜(e)は本発明の実施例の工程を示す断
面模式図である。以下、該図面を参照しながら説明を行
う。
同図(a)に示すように、GaAs基板1の(100)
面をSiO□膜2で被覆し、幅d、の5iOzl漠2′
を挟む窓3を開ける。量子細線を形成する場合は、該窓
は紙面に垂直な方向に延びる2つの長方形であり、量子
箱形成の場合、SiO□膜2′は一辺d1の正方形であ
って、これを囲むように同心方形の窓が設けられる。
上記処理を終えたGaAs基板に、有機金属を原料とす
る気相エピタキシャル成長法でGaAs層を成長させる
。該成長法はMOVPEと略称される周知の処理法であ
って、成長速度に異方性があり、(100)面では速く
、(111)、面では殆ど成長しない。
従って、図のように窓を開けた(1.00)面に選択的
にMOVPEを行うと、(1,11)s面で囲まれた、
断面三角形の突起を形成したところで結晶成長は停止し
、該突起に囲まれた断面[V字型の窪みが形作られるこ
とになる。この状態が同図(b)に示されている。次に
、SiO□膜を除去し、ALHによりA、 l G a
 A、 sを成長させる。A、 r−Eは成分元素毎に
原料を供給して、1原子層づつ堆積させる処理法であり
、異方性を示すことがないので、(100)面と同様に
(1,11)s面にも結晶成長が進行し、第1図(C)
に示すようにAQGaAs層5が全面に成長する。
最初d1の幅があった擬V字型底の(100)面は、A
lGaAsのALE進行に伴ってその幅が減少するので
、図示の如く、これがdtになるまでAnGaAsを成
長させる。以後の説明で明らかになるように、このd2
が量子細線或いは量子箱の幅を定めることになる。
続いて、MOVPE法によりGaAs層を数原子層の厚
さに堆積形成する。この厚さはキャリヤ閉じ込めに適し
た値に設定され、原料の供給速度と時間によって制御さ
れる。既述したように、この成長法は異方性を示し、A
LEで形成されたAlGaAsに於いても(111)m
面の成長速度は殆どOであるから、事実上(100)面
のみに結晶成長が進行して、第1図(d)の如く、擬V
字型の底面に幅d2のGaAs層6が形成される。
その後、再びALEによりAfGaAsを成長させる。
このAj!GaAs層7は等方的に成長するので、第1
図(e)のようにGaAs層6を包み込むことになり、
量子細線としての構造が出来上がる。量子箱の場合も同
様であって、幅および長さがd2で、厚さも同程度のG
aAs層がAlGaAsに包まれた構造が得られる。
以上の方法で量子細線や量子箱を形成し、それによって
優れた機能が実現する半導体素子としては、既に述べた
如く半導体レーザが挙げられる。
該素子に於いて、再結合発振領域である活性層を量子井
戸構造とすることにより、量子変換効率が高められるこ
とが知られており、この量子井戸構造を1次元の閉じ込
め構造から2次元の閉じ込め構造である量子細線に変え
ることで、量子変換効率は更に向上すると考えられてい
る。
その他、光学装置におけるファブリ・ベロ干渉計の如く
、量子井戸に於ける電子の波動関数の共振を利用して特
定エネルギの電子のみを透過させる素子でも、量子井戸
構造を1次元の閉じ込め構造から2次元の閉じ込め構造
に、さらに3次元の閉じ込め構造とすることによって、
透過率分布をより優れたものとすることが出来る。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の量子細線或いは量子箱の
形成方法では、閉じ込め領域の厚さと幅或いは厚さと幅
と長さはALEの成長層数により制御されるので、従来
の形成法に比べ、寸法精度が格段に高く、十分なキャリ
ヤ閉じ込め能力を持つ量子細線或いは量子箱が形成され
ることになる。
る第2の半導体層、 7は(100)及び(111)1面に形成されたAfG
aAsである第1の半導体層
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例の工程を示す断面模式図であって、 図に於いて lは(1,00)面GaAs基板、 2.2′は5iOz膜、 3は窓、 4はGaAsT:断面凝■字形状構成体である突起部、 5は(100)及び(IIIL面に形成されたAffi
GaAsである第1の半導体層、6は(IIIL面に形
成されたGaAsであ(a) 上 GaAs基板 (c) 上 GaAs 実施例の工程を示す断面模式図 第 図(そのl) <d> 上 GaAs 実施例の工程を示す断面模式図 第 図 (その2)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 単結晶半導体基板(1)の表面に、該基板面に略平行な
    結晶面を底面とし、該底面とは異なる原子配列を持つ結
    晶面を傾斜側面とする断面擬V字型の表面形状を設ける
    工程、 前記形状を設けた半導体基板面に、成長速度が下地結晶
    面方位に依存せず且つ原子層単位で成長厚を制御し得る
    成長方法で第1の半導体層(5)を形成する工程、 前記第1の半導体層を形成した半導体基板面の、前記擬
    V字形状の底面をなす結晶面上のみに、成長速度が下地
    結晶面方位に依存し且つ原子層単位で成長厚を制御し得
    る成長方法で、前記第1の半導体よりも禁制帯幅の狭い
    第2の半導体層(6)を所定の原子層数だけ堆積形成す
    る工程、および前記第2の半導体層を選択的に形成した
    半導体基板面に、成長速度が下地結晶方位に依存せず且
    つ原子層単位で成長厚を制御し得る成長方法で、前記第
    1の半導体の層(7)を形成する工程とを包含すること
    を特徴とする量子細線または量子箱の形成方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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