JPH02289499A - 超格子構造素子 - Google Patents
超格子構造素子Info
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- JPH02289499A JPH02289499A JP1108604A JP10860489A JPH02289499A JP H02289499 A JPH02289499 A JP H02289499A JP 1108604 A JP1108604 A JP 1108604A JP 10860489 A JP10860489 A JP 10860489A JP H02289499 A JPH02289499 A JP H02289499A
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- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
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Landscapes
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- Recrystallisation Techniques (AREA)
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (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、各種の電子素子、発光ダイオードなどのオプ
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超格子構造素子に関する。
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、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を図っ
たり、新たな機能の創造をめざす試みとしてその研究開
発は近年益々盛んになってきている。特にＧａＡｓ／Ａ
ｌＡｓ系などのｍ−■族化合物半導体超格子を利用した
ものは既にデバイス化されているものもある。これらを
はじめとして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同士の結晶格子定数は極めて近い値
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を図っ
たり、新たな機能の創造をめざす試みとしてその研究開
発は近年益々盛んになってきている。特にＧａＡｓ／Ａ
ｌＡｓ系などのｍ−■族化合物半導体超格子を利用した
ものは既にデバイス化されているものもある。これらを
はじめとして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同士の結晶格子定数は極めて近い値
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％あるいはそれ以上の差がある場合
、結晶成長にとっては無視し得ない影響があるが、他の
物質では代用が困難であるなどの理由から、これらの歪
を取り込んだ形でのいわゆる歪超格子も各種試みられて
いる。これは格子が若干の歪を有した状態で、かつ格子
緩和を起こしてしまわないようエピタキシャル成長させ
ようとするものである。
、結晶成長にとっては無視し得ない影響があるが、他の
物質では代用が困難であるなどの理由から、これらの歪
を取り込んだ形でのいわゆる歪超格子も各種試みられて
いる。これは格子が若干の歪を有した状態で、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違に起因する欠陥
の低減は重要な課題であり、そのた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
させてしまった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
加をともない、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、
格子定数の相違を有する場合、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、成長条件によ
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
は制約となるなどの問題点があった。
超格子の成長においても格子定数の相違に起因する欠陥
の低減は重要な課題であり、そのた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
させてしまった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
加をともない、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、
格子定数の相違を有する場合、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、成長条件によ
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
は制約となるなどの問題点があった。
本発明は上記問題点に鑑み、超格子を構成する物質のみ
により基板の格子との整合をとる超格子構造素子を提供
するものである。
により基板の格子との整合をとる超格子構造素子を提供
するものである。
課題を解決するための手段
上記の問題点を解決するために、本発明は、基板物質の
格子定数よりも大きな物質及び小さな物質の組合せであ
るＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体、例えばＺｎＴｅとＺｎＳ
による超格子において、まず平均格子定数が基板のそれ
よりもわずかに小さくなるように超格子を構成するＺｎ
Ｔｅ及びＺｎＳの各層厚を定めた超格子ＩをＩｎＰ基板
上に形成し、次に超格子としての平均格子定数が基板の
それよりもわずかに大きくなるように組み合わせた超格
子ＩＩを前記超格子１上に形成した超格子構造素子を提
供する。
格子定数よりも大きな物質及び小さな物質の組合せであ
るＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体、例えばＺｎＴｅとＺｎＳ
による超格子において、まず平均格子定数が基板のそれ
よりもわずかに小さくなるように超格子を構成するＺｎ
Ｔｅ及びＺｎＳの各層厚を定めた超格子ＩをＩｎＰ基板
上に形成し、次に超格子としての平均格子定数が基板の
それよりもわずかに大きくなるように組み合わせた超格
子ＩＩを前記超格子１上に形成した超格子構造素子を提
供する。
作用
このように同一物質系による超格子を基板の格子定数よ
りも小さなものと大き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り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越えた
厚さまでエピタキシャル成長させることが出来る。
りも小さなものと大き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り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越えた
厚さまでエピタキシャル成長させることが出来る。
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、工ｎＰを基板として用いる場合に、Ｉ
Ｉ−Ｖｌ族化合物半導体で格子定数が基板のそれよりも
大きなものと小さなものとの組合せとして数通りあるが
、ここではＺｎＴｅとＺｎＳの組合せを例にとって具体
的実施例を述べる。
するものであり、工ｎＰを基板として用いる場合に、Ｉ
Ｉ−Ｖｌ族化合物半導体で格子定数が基板のそれよりも
大きなものと小さなものとの組合せとして数通りあるが
、ここではＺｎＴｅとＺｎＳの組合せを例にとって具体
的実施例を述べる。
格子定数の大小のみから単純に考えるならば、Ｚ ｎ
Ｔ ｅｌＺ ｎ Ｓそれぞれを適当な厚さに定めればＩ
ｎＰ基板と平均的に格子整合をとることが可能なように
みえるが、超格子として量子効果、例えばポテンシャル
井戸のトンネルを利用する場合などは各層厚を非常に薄
くする必要があり、特に各層が数十原子層あるいはそれ
以下を要する場合にはどの様に組み合わせても格子整合
を完全にとることはできない。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
も若干小さいものと大きいものの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Ｉの平均格子定数ｄ Ｓ１１
超格子Ｈの平均格子定数ｄｓ＋＋ｓ 及び基板の
格子定数ｄ＋ｎｐの大小関係はｄｓ＋＜ｄ＋、ρ＜ ｄ
ｓ＋＋ である。ＺｎＴｅ及びＺｎＳを交互に積層しただけの単
一構造の超格子に比べ、ｄｓ＋及びｄｓ目をｄｌ。、に
近い値とすることはＺｎＴｅ及びＺｎＳ各層が薄くなっ
ても可能であるから、超格子Ｉと超格子■とによる全体
としての格子定数ははるかに基板のそれに近いものとす
ることが出来る。
Ｔ ｅｌＺ ｎ Ｓそれぞれを適当な厚さに定めればＩ
ｎＰ基板と平均的に格子整合をとることが可能なように
みえるが、超格子として量子効果、例えばポテンシャル
井戸のトンネルを利用する場合などは各層厚を非常に薄
くする必要があり、特に各層が数十原子層あるいはそれ
以下を要する場合にはどの様に組み合わせても格子整合
を完全にとることはできない。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
も若干小さいものと大きいものの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Ｉの平均格子定数ｄ Ｓ１１
超格子Ｈの平均格子定数ｄｓ＋＋ｓ 及び基板の
格子定数ｄ＋ｎｐの大小関係はｄｓ＋＜ｄ＋、ρ＜ ｄ
ｓ＋＋ である。ＺｎＴｅ及びＺｎＳを交互に積層しただけの単
一構造の超格子に比べ、ｄｓ＋及びｄｓ目をｄｌ。、に
近い値とすることはＺｎＴｅ及びＺｎＳ各層が薄くなっ
ても可能であるから、超格子Ｉと超格子■とによる全体
としての格子定数ははるかに基板のそれに近いものとす
ることが出来る。
ＺｎＴｅ−ＺｎＳ系超格子結晶成長は、超高真空下での
高純度、非平衡状態での低温成長、分子線のシャッター
操作による瞬時の切り替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）あるいはそ
の応用である原子層エピタキシー法（ＡＬＥ法）を用い
る。ＭＢＥ法とＡＬＥ法では原料を入れたセルのシャッ
ターの開閉、順序、組合せ、時間などが異なるが、その
ほかの要因に大きな相違はないので、ここではＭＢＥ法
についてのみ述べることにする。
高純度、非平衡状態での低温成長、分子線のシャッター
操作による瞬時の切り替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）あるいはそ
の応用である原子層エピタキシー法（ＡＬＥ法）を用い
る。ＭＢＥ法とＡＬＥ法では原料を入れたセルのシャッ
ターの開閉、順序、組合せ、時間などが異なるが、その
ほかの要因に大きな相違はないので、ここではＭＢＥ法
についてのみ述べることにする。
第２図にＭＢＥ装置の概略構成図を示す。成長室部分の
みを示し、ロードロツタ室、基板移動機構などは省略し
である。基板ホルダー５にセットされたＩｎＰ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種型
質量分析装置６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に映し出される
。
みを示し、ロードロツタ室、基板移動機構などは省略し
である。基板ホルダー５にセットされたＩｎＰ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種型
質量分析装置６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に映し出される
。
排気系２で成長室１内をｌＯす”Ｔｏｒｒ台まで排気し
、また、原料の入ったセルｌｌａ、１１ｂ、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
、ＩｎＰ基板４の温度を６００°Ｃに上げ表面酸化膜を
離脱させる。このときＲＨＥＥＤパターンのシャープな
ストリークを観察することによりこのサーマルエツチン
グが完了したことを確認する。次に基板温度を目的に応
じておよそ２００〜４００℃に下げ、超格子形成を開始
する。堆積する物質の切り替えはシャッタ−１０ａ 、
１０ ｂ 、１０ ｃの開閉により行う。すなわち、Ｚ
ｎＳ堆積中にはＺｎＳ原料の入ったセル１１ｃのシャッ
ター１００をあけ、他のものは閉じておき、一定時間の
後にＺｎＳのシャッター１０ｃを閉じＺｎ及びＴｅ原料
の入ったセル１１ａ及びｆｌｂのシャッター１０ａとｔ
ａｂ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。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。
、また、原料の入ったセルｌｌａ、１１ｂ、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
、ＩｎＰ基板４の温度を６００°Ｃに上げ表面酸化膜を
離脱させる。このときＲＨＥＥＤパターンのシャープな
ストリークを観察することによりこのサーマルエツチン
グが完了したことを確認する。次に基板温度を目的に応
じておよそ２００〜４００℃に下げ、超格子形成を開始
する。堆積する物質の切り替えはシャッタ−１０ａ 、
１０ ｂ 、１０ ｃの開閉により行う。すなわち、Ｚ
ｎＳ堆積中にはＺｎＳ原料の入ったセル１１ｃのシャッ
ター１００をあけ、他のものは閉じておき、一定時間の
後にＺｎＳのシャッター１０ｃを閉じＺｎ及びＴｅ原料
の入ったセル１１ａ及びｆｌｂのシャッター１０ａとｔ
ａｂ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。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、極
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３分子層、ＺｎＳが
２分子層からなるものの形成に、Ｚ ｎ Ｓ＋ Ｚ
ｎｌ Ｔ ｅそれぞれの分子線強度がＩＸ １０−８
． ５Ｘ １０−７． ＩＸ １０−’Ｔｏｒｒ （
ｉ離真空計によるフラックスモニター値）の条件におい
てＺｎＴ ｅｌ Ｚ ｎ Ｓ各々の堆積時間は１１秒
及び５．５秒であった。同様に超格子■としてＺｎＴｅ
が３分子層、ＺｎＳが１分子層からなるものの形成にそ
れぞれの堆積時間は１１秒及び３秒であった。これらの
組合せにより超格子工を１４３サイクル、超格子ＩＩを
１００サイクル堆積させた場合、歪の効果が極めて小さ
いと仮定して平均の格子定数は５．８６８８Ａであり、
ＩｎＰ基板の５．８８８７Ａに対し０．００２％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
ーに達した場合でも格子緩和の影響は回避できる。
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３分子層、ＺｎＳが
２分子層からなるものの形成に、Ｚ ｎ Ｓ＋ Ｚ
ｎｌ Ｔ ｅそれぞれの分子線強度がＩＸ １０−８
． ５Ｘ １０−７． ＩＸ １０−’Ｔｏｒｒ （
ｉ離真空計によるフラックスモニター値）の条件におい
てＺｎＴ ｅｌ Ｚ ｎ Ｓ各々の堆積時間は１１秒
及び５．５秒であった。同様に超格子■としてＺｎＴｅ
が３分子層、ＺｎＳが１分子層からなるものの形成にそ
れぞれの堆積時間は１１秒及び３秒であった。これらの
組合せにより超格子工を１４３サイクル、超格子ＩＩを
１００サイクル堆積させた場合、歪の効果が極めて小さ
いと仮定して平均の格子定数は５．８６８８Ａであり、
ＩｎＰ基板の５．８８８７Ａに対し０．００２％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
ーに達した場合で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格子整合を図りながら短周期の超
格子を形成することが可能となり、格子歪に起因する結
晶欠陥の発生をなりシ、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出来る。これにより
超格子構造設計の自由度が増すため、素子作製などにと
って特に有効である。
格子では実現不可能な格子整合を図りながら短周期の超
格子を形成することが可能となり、格子歪に起因する結
晶欠陥の発生をなりシ、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出来る。これにより
超格子構造設計の自由度が増すため、素子作製などにと
って特に有効である。
第１図は本発明に関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構造素子作製に用
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、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ・・・・シャ
ッター １１ ａ＋１ ｌ ｂ＋１１ ｃ・・・・原料
を入れたセル。
念図、第２図は実施例における超格子構造素子作製に用
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、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ・・・・シャ
ッター １１ ａ＋１ ｌ ｂ＋１１ ｃ・・・・原料
を入れたセル。
Claims (4)
- （１）ＩｎＰよりなる基板上にＺｎＴｅ及びＺｎＳを交
互に積層して作製する超格子構造素子において、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小さ
くなるようにして ＺｎＴｅ及びＺｎＳ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
りも大きくなるようにしてＺｎＴｅ及びＺｎＳよりなる
超格子IIを形成し、前記超格子 I 及び前記超格子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 及び前記超格子IIそ
れぞれの厚さを選定した超格子構造素子。 - （２）ＺｎＳに代えてＺｎＳｅを用いた請求項１に記載
の超格子構造素子。 - （３）ＺｎＴｅに代えてＣｄＳｅを用いた請求項１に記
載の超格子構造素子。 - （４）ＺｎＴｅに代えてＣｄＳｅを、及びＺｎＳに代え
てＺｎＳｅを用いた請求項１に記載の超格子構造素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1108604A JPH02289499A (ja) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | 超格子構造素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1108604A JPH02289499A (ja) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | 超格子構造素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02289499A true JPH02289499A (ja) | 1990-11-29 |
Family
ID=14489013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1108604A Pending JPH02289499A (ja) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | 超格子構造素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02289499A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0335567A (ja) * | 1989-07-03 | 1991-02-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体発光ダイオード |
| JPH0697505A (ja) * | 1992-09-09 | 1994-04-08 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 半導体発光素子 |
-
1989
- 1989-04-26 JP JP1108604A patent/JPH02289499A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0335567A (ja) * | 1989-07-03 | 1991-02-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体発光ダイオード |
| JPH0697505A (ja) * | 1992-09-09 | 1994-04-08 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 半導体発光素子 |
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