JPH0279489A - 半導体量子箱構造の作製方法 - Google Patents
半導体量子箱構造の作製方法Info
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- JPH0279489A JPH0279489A JP23170688A JP23170688A JPH0279489A JP H0279489 A JPH0279489 A JP H0279489A JP 23170688 A JP23170688 A JP 23170688A JP 23170688 A JP23170688 A JP 23170688A JP H0279489 A JPH0279489 A JP H0279489A
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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】
（１）（産業上の利用分野）
本発明は半導体量子箱構造の作製方法に関するものであ
る。
る。
（２）（従来の技術）
量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザーでは、狭
線幅、低チャーピング・高速応答などの優れた特性が期
待できる。基板の厚さ方向にのみ電子を１次元的に閉じ
込める半導体量子井戸構造に比べ、２次元的あるいは３
次元的に電子の閉じ込めを行う量子細線あるいは量子箱
半導体レーザーではこれらの特徴がさらに顕著に発揮さ
れる。
線幅、低チャーピング・高速応答などの優れた特性が期
待できる。基板の厚さ方向にのみ電子を１次元的に閉じ
込める半導体量子井戸構造に比べ、２次元的あるいは３
次元的に電子の閉じ込めを行う量子細線あるいは量子箱
半導体レーザーではこれらの特徴がさらに顕著に発揮さ
れる。
一辺の長さが数十人という極めて微細な半導体量子箱構
造を実現するために、従来は半導体基板上に複数の半導
体層を積層して先ず量子井戸構造を作製し、その上に電
子ビーム露光技術あるいはレーザーによる干渉露光技術
により微細なレジストパターンを形成し、これをマスク
にして量子井戸構造の選択エツチングを行うことにより
、量子井戸構造を基板表面に平行方向に数百人の大きさ
に加工する方法が試みられていた。
造を実現するために、従来は半導体基板上に複数の半導
体層を積層して先ず量子井戸構造を作製し、その上に電
子ビーム露光技術あるいはレーザーによる干渉露光技術
により微細なレジストパターンを形成し、これをマスク
にして量子井戸構造の選択エツチングを行うことにより
、量子井戸構造を基板表面に平行方向に数百人の大きさ
に加工する方法が試みられていた。
（３）（発明が解決しようとする課題）しかしながら従
来の作製方法においては、量子サイズ効果が現れる大き
さ（く１００人）まで半導体薄膜を加工し、半導体量子
箱を実現するにはまだ加工精度が荒く、−辺が数十人程
度の半導体量子箱を再現性良く作製することは困難であ
った。また、選択エツチングの際においてエツチング速
度におおきなバラつきが生じ、個々の量子箱の大きさが
揃わないという問題が生じていた。そのような場合には
、たとえ量子箱半導体レーザーを作製しても個々の量子
箱における量子化エネルギー準位が異なり、全体として
ゲインスペク１〜ルは広がり、所望の性能が得られなく
なるという問題があった。
来の作製方法においては、量子サイズ効果が現れる大き
さ（く１００人）まで半導体薄膜を加工し、半導体量子
箱を実現するにはまだ加工精度が荒く、−辺が数十人程
度の半導体量子箱を再現性良く作製することは困難であ
った。また、選択エツチングの際においてエツチング速
度におおきなバラつきが生じ、個々の量子箱の大きさが
揃わないという問題が生じていた。そのような場合には
、たとえ量子箱半導体レーザーを作製しても個々の量子
箱における量子化エネルギー準位が異なり、全体として
ゲインスペク１〜ルは広がり、所望の性能が得られなく
なるという問題があった。
本発明の目的はこのような従来技術の欠点を除去せしめ
て、光デバイスをはじめとする様々な半導体デバイスに
応用することを目的とした半導体量子箱構造の作製方法
を提供することにある。
て、光デバイスをはじめとする様々な半導体デバイスに
応用することを目的とした半導体量子箱構造の作製方法
を提供することにある。
（４）（課題を解決するための手段〉
本発明の作製方法は、半導体基板から成る半導体材料あ
るいは半導体基板上に半導体薄膜を形成して成る半導体
材料の上に整然と並べてマクロモレキュール（Ｍａｃｒ
ｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を一原子層塗布する工程と、前記
マクロモレキュールをマスクとして前記半導体薄膜材料
よりもバンドギャップの小さい半導体材料を選択成長さ
せる工程と、前記マクロモレキュールを除去した後、前
記半導体材料上に、前記バンドギャップの小さい半導体
材料よりもバンドギャップの大きな半導体材料を成長し
てバンドギャップの小さい半導体材料を埋め込む工程と
を備えたことを特徴とする構成になっている。また、も
う１つの作製方法は、前述の各工程に加えてバンドギャ
ップの小さい半導体材料の選択成長工程前にマクロモレ
キュールを炭化させる工程を付加した構成になっている
。
るいは半導体基板上に半導体薄膜を形成して成る半導体
材料の上に整然と並べてマクロモレキュール（Ｍａｃｒ
ｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を一原子層塗布する工程と、前記
マクロモレキュールをマスクとして前記半導体薄膜材料
よりもバンドギャップの小さい半導体材料を選択成長さ
せる工程と、前記マクロモレキュールを除去した後、前
記半導体材料上に、前記バンドギャップの小さい半導体
材料よりもバンドギャップの大きな半導体材料を成長し
てバンドギャップの小さい半導体材料を埋め込む工程と
を備えたことを特徴とする構成になっている。また、も
う１つの作製方法は、前述の各工程に加えてバンドギャ
ップの小さい半導体材料の選択成長工程前にマクロモレ
キュールを炭化させる工程を付加した構成になっている
。
本発明は、大きさの異なる複数のマクロモレキュールを
異なる領域に並べることにより、それらをマスクとして
それぞれの領域に大きさの異なる半導体量子箱構造を形
成することができる。また、バンドギャップの小さい半
導体材料の選択成長において、光エピタキシーによる低
温成長を行うことによって、マクロモレキュールの分解
温度以下の温度において量子箱の成長を行うことかでき
る利点がある。
異なる領域に並べることにより、それらをマスクとして
それぞれの領域に大きさの異なる半導体量子箱構造を形
成することができる。また、バンドギャップの小さい半
導体材料の選択成長において、光エピタキシーによる低
温成長を行うことによって、マクロモレキュールの分解
温度以下の温度において量子箱の成長を行うことかでき
る利点がある。
（５）（作用）
本発明においては、マクロモレキュールという大きさの
揃った直径数１０〜数１０００人の巨大分゛子を選択成
長のマスクとして用いることを特徴としている。量子箱
構造の作製においては各々の量子箱の大きさの均一性が
非常に重要となってくるが、現在のリソグラフィーの技
術ではこの様な数１００人のサイズでのパターニングに
おいて十分な加工サイズの均一性を得ることはかなり困
難であり、従ってマクロモレキュールのように数１００
人のサイズで大きさの揃った粒子を選択成長のマスクと
して用いることによってこの様な均一性の問題は解決さ
れる。また文献（Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ
、Ｂ６（１） ｐ３３３ （１９８８））によると、マ
クロモレキュー・ルを塗布する場合に基板にあらかじめ
細い溝を形成しておくと、これらマクロモレキュールの
一分子層が基板上に整然と並ぶことも実験的に証明され
ており、これらの技術も合わせ用いることにより整った
サイズで整然と並ぶマクロモレキュールのマスクを作製
することも十分可能と言える。従って、この様なマクロ
モレキュールをマスクに用いて、ＭＯＶＰＥ法またはＭ
ＢＥ法による選択成長を行い、マクロモレキュールのマ
スクを除去した後エピタキシャル成長によって全体を埋
め込めば数１０人のサイズで埋め込まれた量子箱構造の
作製が可能である。
揃った直径数１０〜数１０００人の巨大分゛子を選択成
長のマスクとして用いることを特徴としている。量子箱
構造の作製においては各々の量子箱の大きさの均一性が
非常に重要となってくるが、現在のリソグラフィーの技
術ではこの様な数１００人のサイズでのパターニングに
おいて十分な加工サイズの均一性を得ることはかなり困
難であり、従ってマクロモレキュールのように数１００
人のサイズで大きさの揃った粒子を選択成長のマスクと
して用いることによってこの様な均一性の問題は解決さ
れる。また文献（Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ
、Ｂ６（１） ｐ３３３ （１９８８））によると、マ
クロモレキュー・ルを塗布する場合に基板にあらかじめ
細い溝を形成しておくと、これらマクロモレキュールの
一分子層が基板上に整然と並ぶことも実験的に証明され
ており、これらの技術も合わせ用いることにより整った
サイズで整然と並ぶマクロモレキュールのマスクを作製
することも十分可能と言える。従って、この様なマクロ
モレキュールをマスクに用いて、ＭＯＶＰＥ法またはＭ
ＢＥ法による選択成長を行い、マクロモレキュールのマ
スクを除去した後エピタキシャル成長によって全体を埋
め込めば数１０人のサイズで埋め込まれた量子箱構造の
作製が可能である。
（６）（実施例）
次に第１図、第２図を参考にして本発明の実施例につい
て説明する。
て説明する。
第１図は本発明の量子箱構造の作製方法の概略を示すも
のである。まず最初に、（１００）ｎ−ＧａＡｓ基板１
１上にｎ−人ｌＧａＡｓバリヤ層１２を成長させ、次に
直径４００人のポリスチレンボール１３を有機溶媒中に
浮遊させてスピンコーティングした。有機溶媒が完全に
乾いてから真空中６００℃において約３０分間ポリスチ
レンボールの炭化を行い、選択成長用のマスクとしての
耐熱性を強化する（第１図（ａ）〉。次に基板を６００
℃まで加熱しながらＭＥＢによる選択成長を行い、ｎ−
ＡｌＧａＡｓバリヤ層１２の上に直径７０人の島状にｎ
−ＧａＡｓウェル１４を成長させろく第１図（ｂ））
。ウェル１１４は第２図に示すように、ポリスチレンボ
ール上には成長せず、ポリスチレンボールに囲まれ、バ
リヤ層１２が露出している領域のみに成長する。このた
め直径４００人のポリスチレンボールを用いることによ
って、直径約７０人の量子箱を作製できる。この後、残
ったマクロモレキュール（ポリスチレンボール）はプラ
ズマアッシャ−によって完全に除去し、最後にウェハ全
体をｐ −ＡｌＧａＡｓバリヤ層１５によってｎ−Ｇａ
Ａｓウェル層１４を埋め込んだ（第１図（Ｃ））。この
ようにして大きさ約７０人の半導体量子箱構造の作製を
行った。
のである。まず最初に、（１００）ｎ−ＧａＡｓ基板１
１上にｎ−人ｌＧａＡｓバリヤ層１２を成長させ、次に
直径４００人のポリスチレンボール１３を有機溶媒中に
浮遊させてスピンコーティングした。有機溶媒が完全に
乾いてから真空中６００℃において約３０分間ポリスチ
レンボールの炭化を行い、選択成長用のマスクとしての
耐熱性を強化する（第１図（ａ）〉。次に基板を６００
℃まで加熱しながらＭＥＢによる選択成長を行い、ｎ−
ＡｌＧａＡｓバリヤ層１２の上に直径７０人の島状にｎ
−ＧａＡｓウェル１４を成長させろく第１図（ｂ））
。ウェル１１４は第２図に示すように、ポリスチレンボ
ール上には成長せず、ポリスチレンボールに囲まれ、バ
リヤ層１２が露出している領域のみに成長する。このた
め直径４００人のポリスチレンボールを用いることによ
って、直径約７０人の量子箱を作製できる。この後、残
ったマクロモレキュール（ポリスチレンボール）はプラ
ズマアッシャ−によって完全に除去し、最後にウェハ全
体をｐ −ＡｌＧａＡｓバリヤ層１５によってｎ−Ｇａ
Ａｓウェル層１４を埋め込んだ（第１図（Ｃ））。この
ようにして大きさ約７０人の半導体量子箱構造の作製を
行った。
なお、ここではマクロモレキュールとしての大きさの揃
ったポリスチレンボールを用いたが、その他には文献（
八ｐｐ１．Ｐｂｙｓ、Ｌｅｔｔ、ｖｏ１．４８．Ｐ６７
６１９６８））にあるポリメリックチェインモレキュー
ル（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｃｈａｉｎ ｍｏｌｅｃｕｌ
ｅｓ）などを用いることも可能である。またここではＧ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の量子箱構造の作製法について
示したが、むろん材料系はこれに限るものではない。
ったポリスチレンボールを用いたが、その他には文献（
八ｐｐ１．Ｐｂｙｓ、Ｌｅｔｔ、ｖｏ１．４８．Ｐ６７
６１９６８））にあるポリメリックチェインモレキュー
ル（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｃｈａｉｎ ｍｏｌｅｃｕｌ
ｅｓ）などを用いることも可能である。またここではＧ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の量子箱構造の作製法について
示したが、むろん材料系はこれに限るものではない。
本実施例では６００℃の高温成長を行うためにマクロモ
レキュールの炭化を行い、マスクとしての耐熱性を強化
して行う方法について示したが、光エピタキシーではよ
り低い温度での成長が可能であるため、マクロモレキュ
ールを選ぶことによってその分解温度以下の温度での低
温成長も可能となる。
レキュールの炭化を行い、マスクとしての耐熱性を強化
して行う方法について示したが、光エピタキシーではよ
り低い温度での成長が可能であるため、マクロモレキュ
ールを選ぶことによってその分解温度以下の温度での低
温成長も可能となる。
以上のようにして量子箱構造の作製を行い、これを活性
領域とした量子箱半導体レーザーの試作を行った。試作
した量子箱半導体レーザーは室温動作において良好な発
振特性を示し、しきい値電流密度Ｊｔｈは７０Ａ／ｃｍ
２で、１次元量子井戸型レーザーのベストデータを凌ぐ
値が得られた。作製プロセスの改良によりさらに特性向
上が期待できる。
領域とした量子箱半導体レーザーの試作を行った。試作
した量子箱半導体レーザーは室温動作において良好な発
振特性を示し、しきい値電流密度Ｊｔｈは７０Ａ／ｃｍ
２で、１次元量子井戸型レーザーのベストデータを凌ぐ
値が得られた。作製プロセスの改良によりさらに特性向
上が期待できる。
さらに直径４００人、６００人の２種類のポリスチレン
ボールをそれぞれ１５０μｍ四方の領域にそれぞれ並べ
ることにより、それぞれの領域に大きさ７０人、８５人
の量子箱を形成できる。この方法により２種類の大きさ
の量子箱を有する半導体レーザや発光素子を作製したと
ころ、２波長半導体量子箱レーザーおよび２波長選択型
受光素子として動作させることができた。
ボールをそれぞれ１５０μｍ四方の領域にそれぞれ並べ
ることにより、それぞれの領域に大きさ７０人、８５人
の量子箱を形成できる。この方法により２種類の大きさ
の量子箱を有する半導体レーザや発光素子を作製したと
ころ、２波長半導体量子箱レーザーおよび２波長選択型
受光素子として動作させることができた。
（７）（発明の効果）
本発明は実施例に示したＧａＡｓハＩ ＧａＡｓ系のみ
ならず、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系などの■−Ｖ族化合
物半導体やＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体の量子箱構造の形
成にも応用でき、幅広い応用が可能となる。また本発明
の量子箱の製造方法はシンプルであり、従来のリソグラ
フィーの方法とは異なる方法によって作製するもので、
加工精度においても十分作製が可能であり、再現性よく
量子箱構造を提供できる。
ならず、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系などの■−Ｖ族化合
物半導体やＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体の量子箱構造の形
成にも応用でき、幅広い応用が可能となる。また本発明
の量子箱の製造方法はシンプルであり、従来のリソグラ
フィーの方法とは異なる方法によって作製するもので、
加工精度においても十分作製が可能であり、再現性よく
量子箱構造を提供できる。
さらに本発明により作製した量子箱構造を通常の半導体
レーザーの活性領域に置き換えれば、発振しきい値、ス
ペクトル線幅、チャーピング特性などにおいて従来の半
導体レーザーの性能を大幅に凌ぐレーザーが作製できる
。また本発明の構造を通常の電界効果トランジスタのゲ
ート部分に置き換えれば、量子箱構造による電子散乱ポ
テンシャルの大幅な減少によりそのスイッチング速度は
約１桁改善され、これらデバイスをスーパーコンピュー
タの論理演算回路に応用することによって大幅な計算速
度の向上が図られる。
レーザーの活性領域に置き換えれば、発振しきい値、ス
ペクトル線幅、チャーピング特性などにおいて従来の半
導体レーザーの性能を大幅に凌ぐレーザーが作製できる
。また本発明の構造を通常の電界効果トランジスタのゲ
ート部分に置き換えれば、量子箱構造による電子散乱ポ
テンシャルの大幅な減少によりそのスイッチング速度は
約１桁改善され、これらデバイスをスーパーコンピュー
タの論理演算回路に応用することによって大幅な計算速
度の向上が図られる。
第１図は本発明の量子箱構造の作製方法の概略を示す図
てあり、第２図はポリスチレンボールをマスクに用いた
選択成長によって量子箱構造を形成する原理を説明する
図である。 １１ ・＝ ｎ −ＧａＡＳ基板、１２ ・−ｎ−ＡＩ
ＧａＡｓバリヤ層、１３・・・ポリスチレンボール、１
４・・・ｎ −ＧａＡｓウェル層、１５・・・ｐ−Ａｌ
Ｇａ人Ｓバリヤ層。 代理人 弁理士 内 原 音 、／４九−６ｔｖ４ｓフエＩＩ、７舌 （ｂ） ７．５’ ｐ−Ａ１１５ａＡｓ ｌ＼”ソ”ｖ、看
（Ｃ） ガ ｌ 図
てあり、第２図はポリスチレンボールをマスクに用いた
選択成長によって量子箱構造を形成する原理を説明する
図である。 １１ ・＝ ｎ −ＧａＡＳ基板、１２ ・−ｎ−ＡＩ
ＧａＡｓバリヤ層、１３・・・ポリスチレンボール、１
４・・・ｎ −ＧａＡｓウェル層、１５・・・ｐ−Ａｌ
Ｇａ人Ｓバリヤ層。 代理人 弁理士 内 原 音 、／４九−６ｔｖ４ｓフエＩＩ、７舌 （ｂ） ７．５’ ｐ−Ａ１１５ａＡｓ ｌ＼”ソ”ｖ、看
（Ｃ） ガ ｌ 図
Claims (3)
- （１）第１の半導体材料上に整然と並べてマクロモレキ
ュール（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を一原子層塗布
する工程と、前記マクロモレキュールをマスクとして前
記第１の半導体材料よりもバンドギャップの小さい第２
の半導体材料を前記第１半導体材料上に選択成長させる
工程と、前記マクロモレキュールを除去した後、前記第
１の半導体材料上に、前記第２の半導体材料よりもバン
ドギャップの大きな第３の半導体材料を成長して前記第
２の半導体材料を埋め込む工程とを備えたことを特徴と
する半導体量子箱構造の作製方法。 - （２）第１の半導体材料上に整然と並べてマクロモレキ
ュール（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を一原子層塗布
する工程と、前記マクロモレキュールを炭化する工程と
、前記マクロモレキュールをマスクとして前記第１の半
導体材料よりもバンドギャップの小さい第２の半導体材
料を前記第１の半導体材料上に選択成長させる工程と、
前記マクロモレキュールを除去した後、前記第１の半導
体材料上に前記第２の半導体材料よりもバンドギャップ
の大きな第３の半導体材料を成長して前記第２の半導体
材料を埋め込む工程とを備えたことを特徴とする半導体
量子箱構造の作製方法。 - （３）大きさの異なる複数のマクロモレキュールを半導
体材料の異なる領域にそれぞれ並べ、それらをマスクと
してそれぞれの領域に大きさの異なる半導体量子箱構造
を形成することを特徴とする、請求項１及び２記載の半
導体量子箱構造の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23170688A JPH0279489A (ja) | 1988-09-14 | 1988-09-14 | 半導体量子箱構造の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23170688A JPH0279489A (ja) | 1988-09-14 | 1988-09-14 | 半導体量子箱構造の作製方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0279489A true JPH0279489A (ja) | 1990-03-20 |
Family
ID=16927730
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23170688A Pending JPH0279489A (ja) | 1988-09-14 | 1988-09-14 | 半導体量子箱構造の作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0279489A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5313484A (en) * | 1991-06-13 | 1994-05-17 | Fujitsu Limited | Quantum box or quantum wire semiconductor structure and methods of producing same |
| WO1997039159A1 (en) * | 1996-04-12 | 1997-10-23 | The University Of Reading | Coated substrate |
| EP0851506A2 (en) * | 1996-12-27 | 1998-07-01 | Sanyo Electric Co. Ltd | Semiconductor device having quantum box and method of fabricating the same |
| US6929761B2 (en) | 2001-04-19 | 2005-08-16 | Sagoma Plastics Corporation | Molded hologram apparatus method and product |
| EP2177644A1 (en) | 2008-10-14 | 2010-04-21 | Applied Materials, Inc. | Coating of masked substrates |
-
1988
- 1988-09-14 JP JP23170688A patent/JPH0279489A/ja active Pending
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