JPH04137521A

JPH04137521A - 半導体超格子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04137521A
Application number: JP25695090A
Authority: JP
Inventors: Masao Mashita; 真下　正夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-05-12

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は低しきい値、高い温度安定性を有する半導体レ
ーザや超高速のトランジスタなどに利用される半導体超
格子及びその製造方法に関するものである。

（従来の技術）半導体レーザは光通信や光情報処理技術の分野における
キーデバイスであり、レーザ発光の利得向上が切望され
ている。半導体レーザの基本的な構造は禁制帯幅の狭い
活性層をそれより禁制帯幅の広いクラッド層で挟んだ形
となっている。第１６図はこのような従来の半導体レー
ザの一例を示す断面図である。ｎ型Ｇ１Ａｓ基板１０１
（電子濃度、　　ｎ　＝　２　ｘ　１０１８ｃｍ−３）
に２μｍ厚ｎ−ＧａＡ＋バッファー層　１０２（ｎ＝２
ｘ層１０３　（ｘ＝（１，３、ｎ＝　ＩＪＸＩＯ１８ａ
ｎ−３）　、　０．１２μｍ厚アンドープＧａＡｓ活性
層１ｏ４．および、２μｍ厚ｐ−Ａ１Ｇａ１−、＾Ｓク
ラッド層１０５　（ｘ　＝　　０．３゜ｎ−１，３ＸＩ
ｏ”ａｍ’）を順次エピタキシャル成長させる。その上
にスパッタ５１０２膜＋００１６を　０１μｍ厚形成し
、リソグラフィにより電流を流すための窓を明ける。次
に電極のオーミック接触を取るために０．５μｍ厚ｐ−
ＧａＡ１膜１０７　（＋）　＝　２　Ｘ　１０１９ａｎ
　−”）を成長し、Ｃｔｌ＾Ｕ電極膜を蒸着する。基板
の裏側は＾ｕＧｅ／＾Ｕ膜により電極をとる。

レーザ発光は第１６図に示す電極間に電流を流して活性
層中にキャリアをためることにより実現できる。活性層
の構造として通常のバルク構造に対して第１７図に示す
ような量子井戸、量子細線、量子箱の各超格子構造が提
案されている。図中バルク構造の状態密度は点線で示さ
れている。この際、活性層が３次元的なバルク電子状態
にある場合に比べて量子井戸構造で得られる２次元的電
子状態ではレーザの利得は増加することが理論的に知ら
れている。このような層構造は薄膜成長によって作られ
るが、なんらかの方法によって成長面内にも周期構造を
設けて量子細線や量子箱にすると１次元的電子状態が得
られる。これらの場合には第１７図に示すように電子状
態の次元が小さくなるに従って状態密度が尖鋭になって
利得スペクトルが狭くなり注入されたキャリアの利得へ
の寄与が大きくなるため、２次元的電子状態よりも更に
レーザの利得が大きくてき、発振のためのしきい値電流
を小さくできる。また、３次元構造では温度が上昇する
と電子エネルギーか増加しそれに伴って状態密度が増加
するのでキャリアの分布は大きく変わる。これに対して
、量子井戸箱レーザでは、温度の上昇によってフェルミ
−デイラック分布が広がってもそこに状態密度が存在し
ないので温度変化に対してキャリア分布の変化は小さく
、温度安定性を著しく高めることができる。

実際に、量子箱構造の活性層をもつ１ｎＧａＡ＋／Ｉｎ
Ｐ量子箱レーザをＹ、　Ｍｉ７ａｍｏｔｏ達によって試
作された例がｌｐｎ、　１．　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙ＋、
　２６巻１９８７年Ｌ２５５ページに記載されている。

この例にみられるように、従来、量子箱構造は膜厚方向
に対して分子線エピタキシ（ＭＢＥ）や有機金属気相成
長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて制御されていたか面内構造
についてはＲ，Ｌ、　Ｋｕｂｅｎａ達かＡｐｐｌ、　Ｐ
ｈｙ３　Ｌｅｆｔ、　５０巻１９８７年１５８９ページ
で示しているように膜厚方向に構造をもった結晶表面に
リソグラフィ法を適用して量子細線や量子箱に加工して
いた。

一方、このような微細加工技術を用いないでペトロフは
第１８図に示すような薄膜成長により量子箱を作製する
方法を提案している（ＥｍｅｎｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔ
　ｏｆ　ｔｈｅ　？ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
　Ｗｏ４＋ｈｏｐｏｎ　Ｆｕｔｕ「ｅ　Ｅｌｅｃｔ＋ｏ
ｎ　Ｄｅｖｉｃｅ＋、１９８９．ｐｐ１３−１８）。基
板結晶（１００）面を直交する２方向［＋１０１　、　
　００１１０１に対して斜方研磨し、第１８図（ａ）の
ようにステップが周期的に折れ曲がった表面構造を用意
する。

その上に半導体１を単原子層厚の１７２を成長する。

第１８図（ａ）　はその途中を示すたちのである。同様
に半導体２を単原子層厚の１／２を成長する。このけが
、第１８図（ｂ）のような単原子層厚の構造を得る。上
記、半導体１と半導体２の成長を一周期として繰り返す
ことにより量子箱を作る。しかし、この方法は不可能で
ある。すなわち、薄膜成長時にたとえ第１８図（ａ）の
状態が得られたとしても第１９図（ａ）　に示すように
ａの原子エネルギー的に高く　（すなわち不安定）、ｂ
の原子はエネルギー的に低い（すなわち安定）であるの
てａからｂに原子が拡散する。その結果、第１９図（ｂ
）に示すようにステップはより直線に近ずく。従って、
量子箱作製に必要な１０ｎ１のオーダーの長さを有する
ジグザグ状ステップ構造を薄膜成長中維持することは不
可能である。すなわち、薄膜成長によって量子箱を作製
することはこれまで不可能であった。

電界効果トランジスタも高周波化が要求され電子の高移
動度層を利用した変調ドーピング構造の電界効果トラン
ジスタが開発されている。その−例を第２０図に示す。

半絶縁性のＧａＡｓ基板５０１にアンドープＧａＡｓ層
　５０２を３００ｎｍ　、　ｎ−ＭＸＧａ、−ｘＡｔ層
５０３　　（ｘ＝　０．３．　　ｎ＝３ｘ１０１８ａｎ
−３）を２０ｎｍ、アンドープＧａＡｓ層　５０４を５
ｎｍを連続して成長する。

ソースおよびドレイン電極にオーミック接触を得るため
にｎ＋のイオンインプランテーションを行ってｎ　”　
−ＧａＡ＋領域　５０５を形成し、リソグラフィによっ
てソース電極５０６およびドレイン電極５０７（＾ｕＧ
ｅ／Ｎｉ）　、ゲート電極５０８（Ｔｉ）の各電極を形
成する。ｎ−Ａｌ２ＸＧａ１□＾Ｓ層　５０３から発生
した電子はアンド−プＧａＡｓ層５０２　（３００ｎｍ
）側に２次元電子ガスを形成し、高移動度を示す。更に
、この能動層であるアンドープＧａＡｓ層５０２を紙面
に垂直な方向にＩＯｎｍ程度の周期を有する超格子すな
わち量子細線にすると１次元的電子状態を得ることがで
き、電子の散乱確率が低下して高移動度を得ることがで
きる。この場合も能動層のイオンビーム気を用いて超格
子に加工する方法では結晶欠陥によって電子の移動度を
低め、超格子による効果は得られない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように活性層または能動層をリソグラフィにより
加工する方法ではキャリアの閉し込められる部分に加工
により結晶欠陥が著しく発生し、さらに加工によって量
子細線や量子箱間に利得のない領域が幅広くできてしま
う。いずれも光の損失や移動度の低下を来し問題があっ
た。したがって、これまで量子細線や量子箱の素子への
応用が上記のように試みられているがいずれもバルクを
用いたものに比へてみても良い結果は得られていない。

本発明の目的は上記加工時に生しる結晶欠陥による光の
損失や移動度の低下の問題を改善し、従来よりも容易に
しかも信頼性の高い超格子構造を形成し、バルク結晶を
もちいた場合よりも高利得の半導体レーザや高移動度ト
ランジスタを提供することかできる半導体超格子及びそ
の製造方法を本発明の超格子構造の製造方法は上記問題
点に鑑みてなされたものであり、レーザの発生領域であ
る活性層や電子の走行する能動層を形成する際に所定お
結晶表面に所定の結晶面によって囲まれた凹部を設け、
その上に半導体薄膜結晶を析出させることを特徴とする
。

（作　用）本発明では上記の方法を用いることにより例えばＯ次元
的電子状態の特性を有する半導体レーザを実現している
。この発明によれば超格子構造は厚さ方向についても面
内方向についてもその周期は３０ｎｍ程度にすることか
でき、その時、０次元電子状態の特性が顕著であり、従
来のバルク構造型活性層に比べて高利得の半導体レーザ
が得られる。また、本発明の量子細線により電子を一次
元的電子状態にすることができ、高移動度の電界効果ト
ランジスタを得ることかできる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

（実施例）第１図は本発明の一実施例の半導体超格子及びその製作
法を説明するための図である。本発明による半導体レー
ザの特徴は第１６図の半導体レーザの活性層に超格子構
造を適用した点である。その他のレーザ構造は比較のた
め第１６図に示した従来のレーザ構造と同しにした。念
のため以下に第２図の半導体レーザの断面図にしたがっ
て説明する。ｎ型ＧａＡ＋基板２０１（電子濃度、　　
ｎ、＝２Ｘ１０１８ａｎ−”）に２　ｐ　ｍ　ＦＪ　ｎ
−ＧａＡ＋バッファーコア０２（ｎ　＝　２　ｘ　１０
１８ｃ＋＋＋−３）、１．５μｍ厚ｎＮｌＧａ　　＾Ｓ
１　　　　　−ｒクラット層２０３　（ｘ　＝　　０．３．　　ｎ　＝　
　１．３ｘ　ｌＯ’ｃｍ−３）０１２μｍ厚アンドープ
量子箱構造活性層２０４．および、２　ｕ　ｍ　Ｋ　ｐ
−Ａｌ２　、Ｇａ　＋−，Ａｔクラッド層２０５（ｘ−
〇、　３．　　ｎ　＝　　１．３ｘ　ｌｏ’ａｎ−”）
を順次エビタキンヤル成長させる。その上にスパッタ５
１０２膜２０６を０１μｍ厚形成し、リソグラフィによ
り電流を流すための窓を明ける。次に電極のオーミック
接触を取るために０．５μｍ厚ｐ−ＧａＡｘ層２０７（
ｐ＝２ｘＩＱ”ａｎ−”）を成長し、ＣＩ／Ａｕ電極膜
２０８ヲ蒸ｉする。基板の裏側は＾ｕＧｅ／Ａｕ膜２０
９により電極をとる。

第１図（ａ）　は量子箱作製のために用意するＧａＡｓ
基板２０１の面内構造を示したものである。斜線部は一
辺３０ｎｍおよび深さ４５ｎｍの凹部示し、３０ｎｍの
間隔で２次元的に並んでいる。

凹部は深さと壁面の結晶面を正確に所望の値にすること
が必要であるので、電子ビームとＣ１！２ガスを用いて
原子層エツチングにより正確に結晶面を出しなからエツ
チングした。ＧａＡｓ基板２０１をＩＴＯＴＩの雰囲気
に２秒間晒したあと１秒間真空排気した。加速電圧２５
ｋＶ、ビーム電流２μＡの電子線リソグラフィ装置によ
り基板上に直接パターンを描画した。再び１秒間真空排
気する。このｃ１２供給−真空排気−電子線リソゲラフ
イー真空排気の１サイクルに対してＧａＡｔの１原子層
かエツチングされた。この操作を繰り返すことにより正
確にエツチング深さと結晶方位とを制御することができ
る。

凹部を構成する結晶面は第１図（ｂ）と第１図（ｃ）と
か用いられた。第１図（ｂ）はＧａＡｓ　（Ｏｌｌ）面
に（１１１）　　　（１１１）　　　（ＩＩＩ）および
（１１１）の各面によって囲まれた凹部を構成した場合
である。この場合、凹部底面の（Ｏｌｌ）面は、対向す
る角が、７０゜３２′及び１（１９°６８′の菱形をし
ている。第１図（ｃ）はＧａＡｔ　（００１）面に（１
１０）　　　（１１０）　　　ｆｌｌＯ）　およびｆｉ
ｌＯ）の各面によって囲まれた凹部を構成している。

薄膜成長によって第３図のように量子箱構造が作製され
る。第３図は基板に対して断面図である。まず、上記原
子層エツチングにより形成された凹部を有するＧａＡｓ
基板結晶はエツチングによる汚染や欠陥があるので、そ
れを避けるためにｎ型ＧａＡｓバッファ層を２μｍ成長
する。１５μｍ　ｌＩ　ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、
続いて６０ｎｍＧａＡ＋を成長するこの段階を第３図（
ａ）に示す。この上にＭＸＧ　ａ　１−　ＸＡ　ｈ　（
！　・００１、３８）を６０ｎｍだけ成長すると、第３
図（ｂ）の状態になる。つぎにＧａＡｓを３０ｎｍだけ
成長すると第３図（Ｃ）の状態になる。これを繰り返す
と第３図（ｄ）の構造が得られ、−辺３０ｎｍのＧａＡ
ｓの立方体がＭＸＧ　ａ　＋−〇Ａｓ（ｘ・０３８）中
に３次元的に配列た構造が得られる。ここで禁止帯幅の
広い半導体としてｐＪ　、Ｇａ１−ＸＡｔ　（ｘ＝０．
３８）を用いたがこれは光を閉じこめるためにクラッド
層のＭ組成ｘ：０３より量子箱構造の平均組成！・０２
５と抑えるために用いた。例えば、素子構造によっては
ＡＩＧ　ａ　Ａ　＋の代わりにＭＡＲを用いることもで
きる。本発明の重要な点は第３図（ｂ）の成長段階で凹
部の底面で成長速度が速く、側面で実質上成長しないこ
とである。

すなわち、結晶の面方位によって選択成長を生しる成長
法および成長条件で行うことか必要である。

本実の重要な発明はここにある。第１図（ｂ）の凹部に
対するＡＩ！　Ｇ　ａ　Ａ　ｓおよびＧａＡｓの成長は
減圧有機金属気相成長（ＭｏｃｖＤ）法によって行った
。

第４図に上記実施例に用いた気相成長装置を示す。同図
において、基板４１１はＧａＡｓ結晶で、これにヘリウ
ムキャリアガスとともに■族原料としてトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）　またはＴＭＧとトリメチルアルミニウ
ム（ＴＭＡ）の混合ガス（混合モル比７Ｍ人／ＴＭＧ＝
０．７　）　、ｖ族原料としてトリメチル砒素（ＴＭＡ
ｓ）を石英の反応容器４１２の上部のガス導入口　４２
２から導入した。■／■比は２０、成長温度は６００度
Ｃ１圧力１０Ｔｏ＋＋、流速５Ｇａｎ／ｓの条件で行っ
た。この条件では凹部の側壁には成長せず、第３図に示
すような成長モードとなった。第３図ｆｂ）および（ｃ
）の各成長時間は３分および２分てあった。また、単原
子層成長法においても第４図に示す装置を用いて上記Ｔ
ＭＧまたはＴＭＡとＴＭＧの混合ガス（混合比ＴＭＡ／
ＨＩＧ＝００１，５８）を丁ＭＡｓと交互に成長温度５
００度Ｃで供給すれば同様な成長が可能である。この場
合、各層に対する原料供給サイクルは３００回および１
５０回であった。

ここで第１図（ｂ）の凹部で生ずる選択成長の機構につ
いて述べる。（１１１）等側面の表面原子はＧａまたは
Ａｓである。原料ガスとしてＴＭＡ、　ＴＭＧ、　ＴＭ
Ａｓを用いた時、表面はＭｅ　−Ｇａ＜　、　Ｍｅ　−
％　＜またはＭｅＡＩ＜となって安定化する。すなわち
、結合は飽和していて原料ガスは結合することができず
成長しない。一方、（１１０）面ではａｌとＧａとが表
面に存在し、それぞれ１個ずつ余った結合を持っている
。

それらはエネルギー的に安定化するために結合し表面特
有の構造を作っている。しかし、この表面特有の結合は
温度など一定の条件では原料が吸着すると壊れて原料分
子と反応する。すなわち成長する。

次ぎに第１図（ｃ）の凹部に対しても第４図に示す装置
を用いて単原子層成長法により成長した。

ＴＭＡ／丁ＭＧ＝０．５８混合ガスまたはＴＭＡと丁Ｈ
Ａｓを交互に供給し、成長温度５００度Ｃ１圧カｌ０Ｔ
ｏ＋ｒのもとでＭｘＧａ１□ＡＳ層（ｘＪ、　３８）、
ＧａＡｔ層のそれぞれ供給サイクルは　２１４回、　１
０７回であった。以上、Ａｌ２　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ中に一
辺３０ｎｍのＧａＡｓ量子箱構造を活性層い用いた第２
図のレーザは通常のバルク構造活性総レーザに比へて、
発振しきい値電流密度は減少し、その温度安定性は増加
した。

ここで、第１図（ｃ）の凹部で生ずる選択成長の機構に
ついて述べておく。凹部の底面は（００１）面で側面は
（１１０）等側面である。（１１０）面は上記の通り、
表面に＾＄とＧａとが存在し、表面で余った結合はお互
いに結合して安定化している。この表面特有の構造は低
温では原料が吸着しても壊れず反応しない。すなわち成
長しない。しかし、底面（ＤＩ）面では表面Ａｓ原子に
不対原子がありＧａ原料ガスが化学吸着する。表面にＧ
ａが存在する時は電子を受は入れることの出来る空の軌
道があり人ｓ原料ガスが化学吸着する。いずれにしても
原料ガスが吸着・分解して成長する。

一方、第１図（ａ）の代わりに第５図のように基板表面
に線状に凹部が形成された場合には、その後の結晶成長
により、断面構造が第６図のようになる。ただし、この
場合は紙面に垂直方向には構造を持たない、すなわち量
子細線となる。成長方法および条件は上記実施例と全く
同しである。この構造を第７図に示すように電界効果ト
ランジスタの能動層に適用した結果、第２０図のバルク
素子に比べて移動度か増加した。この場合、第７図で量
子細線の方向は紙面と平行で電子はこの中を一次元的に
走行する。ここで第７図に示す電界効果トランジスタの
製造方法について述べる。上記原子層エツチングにより
第５図のように基板表面に線状に凹部（深さ４５ｎｍ、
幅３０ｎｍ、間隔３０ｎｍ）か形成された半絶縁性のＧ
ａＡｓ基板にアンドープＧａＡｓを１１０００ｎ、断面
構造か第６図のようなアンドブ量子細線構造”ｘＧａｌ
−ｘ＾ｓ（ｘ：０．３８）とＧａＡｓとから構成）を３
００ｎｍ　、　ｎ−Ａｌ２ＸＧａ、−、Ａｔ　（ｘ：０
．３．　ｎ＝３ｘＯ＋８．−３．を２０ｎｍ、　　アン
ドープＧａｋｓを５ｎｍを連続して成長する。ソースお
よびトレイン電極にオミック接触を得るためにｎ　のイ
オンインプランテーションを行い、リソグラフィによっ
てソースおよびドレイン（＾ｕＧ＋／Ｎｉ）　、ゲート
（Ｔｉ）の各電極を形成した。

他の実施例として第１図（ａ）の代わりに第８図のよう
に２種類の凹部を有する基板構造に成長すると、Ａ−人
′の断面に対して第９図のような構造となる。この場合
はＧａＡｓ量子箱は小さい直方体と、大きい直方体の２
種類かできる。量子箱に閉じ込められた電子状態にも２
種類でき、電界や光照射による２つの量子箱間の相互作
用を利用してスイッチング動作をおこなわせることかで
きる。超格子としても長周期や異方性か生し、電子状態
にも異方性が生しる。また、長周期により光の変調が可
能で、例えばレーザ光の波長を安定化させることができ
る。

一方、第５図の代わりに第１０図のように凹部の幅と間
隔か同してない場合にはその上に成長した量子細線は第
１１図のようになる。この場合も基板に垂直方向と平行
方向で異方性が派生する。電界効果トランジスタに用い
る場合にはこの異方性を積極的に利用して電子を強く閉
じ込めることができる。

上記実施例では平溝体材料としてＧＩＡ（およびｆＪ　
Ｇ　ａ　Ａ　ｓを用いたか、他の化合物半導体、ＧａＰ
、＾ＩＰｎＰ、　ｌｎＡ＋やこれらの間の混晶を用いた
場合についても同様に有効である。Ｐの原料としてはト
リメチルンホスヒン（ＴＭＰ）　、　　Ｉｎの原料とし
てはトリメチルンインヂウム（ＴＭＩ）を用いることか
できる。

また、上記実施例ではＧ　ａ　、１　ｈ基板を用いたか
他の化合物半導体基板、ｌｎＰやｌ　ｎ　Ａ　ｓなどて
も可能である。

上記実施例では量子箱、量子細線の断面は３０ｎｍｘ３
０ｎｍとしたかこれに限られるものではなく、電子のド
ブロイ波長（約２０ｎｍ）近くの値であれば良い。また
、電界効果トランジスタの場合の量子細線は電子の平均
自由行程以下であれば良く、１０００ｎｎ程度以下で良
い。また、第３図、第６図（Ｃ）、第９図における凹部
の深さａ、ＡｉＧａＡ＋９７さす、　ＧａＡｓの厚さＣ
の間の関係は実施例で：＝・ａ＞Ｃとなている。例えば
上記関係か逆になる二量子箱あるいは量子細線同志がつ
なかつてしまうが、この場合でもキャリアの閉し込め効
果はなくならない。しかし、この場合、量子箱、量子細
線の相互作用か強くなり、量子準位の幅が広くなってし
まう。したかって、好ましくはｂ≧ａ≧Ｃである。また
、キャリアの閉じ込めが強く要求されない場合は第３図
、第６図（Ｃ）、第９図においてＧａＡｓとＭ　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓとを反転することも可能である。

量子細線を作る方法の他の実施例を述へる。すなわち、
基板表面の凹部として単原子ステップを利用した場合に
ついて述べる。Ｇ＋Ａｓの（＋００）　結晶基板を［０
１１１方向に０２７度たけ傾いた面で研磨すると第１２
図（ａ）のように平均６０ｎｍのステラを生ずる。その
上に第１３図に示す装置を用いて７Ｍ人をガス導入口３
５、アルシン（Ａ１）１３）をガス導入口３６からそれ
ぞれ水素キャリアとともに基板上に供給して第ｉ２図ｉ
ｂ）　に示すようにＡ１Ａｔ層を厚さ１・！　Ｏｎｍだ
け成長する。次に圭τ子１成長法を用いて１／２単原−
Ｆ−’Ｉたｉ−ｉ、、２　’　Ｉ　’Ｉを成長する。す
なわち、成長温１’！”　４５：、度ことして、まずア
ルシン（＾５ｉ１３−を１秒間供給し水素ガスでパージ
した後ＴＭＡを１秒間供給すると第１４図ｆａ）に示す
ようにちょうど１／２単原子局だけの成長する。つずい
てに＋Ｆエキシマレザを照射しながらＴＭＧを１秒間供
給すると後の１／２が埋められて単原子層が完結する。

この操作を１サイクルとして　１０７回繰り返すと第１
２図（＋）に示すＧａＡｓ層ｂ＝３りｎｍの層を形成す
ることができる。

続いて上記％Ａｔ層をａだけ成長する。

次に第１４図（ｂ）の成長速度特性にしたがって第１２
図（ｃ）の最上層に示すように先にＧａＡｓを１／２単
原子層成長し、つずいて残りの１７２をレーザ照射しな
がらＡ！ｌＡ　ｓを成長して単原子層を完結する。これ
を　１０７回繰り返して厚さ３０ｎｍを形成する。さら
にＭＡＳをＩＱｎｍだけ成長し、第１２図（ｂ）・と同
様の操作を行う。結果として断面３Ｑｎｍｘ３０ｎｍの
ＧａＡｓの量子細線を形成することができる。この場合
、第１２図（ｄ）における厚さａと厚さｂの間にはキャ
リアの閉し込められる空間を大きくするためにＯ≦ｂ≦
ａが好ましい。この場合にもキャリアを強く閉じ込める
必要のない時にはＧａＡｓとＡＩＡ＋とを反転しても良
い。

第１５図は量子細線の他の実施例を示す。基板には第１
２図と同様に６０ｎｍ毎にステップの存在する斜め研磨
を用い、その上に／Ｖ　Ａ　ｈをＩＯｎｍ　（第１５図
（ａ））だけ成長する。第１５図ｔｂ＋　において第１
５図（ｂ）　　と違って１／２単原子層以下、例えば１
／４単原子層の％Ａｓを第１４図ｆａ）　　にしたかっ
て成長する。次ぎに光を照射して単原子層の残りをＧａ
Ａｓにより完結する。この操作を　１０７回繰り返して
厚さ３０ｎｍを形成する（第１５図（ｃ）　）　。その
上にＡＩＡ　ｒをＩＯｎｍ成長し、再び第１４図［ａｊ
　にしたかって上記操作を　１０７回繰り返して成長す
る。結果として第１５図（ｄ）を得る。

ここでもキャリアの閉し込めの空間を大きくするために
ａ＞ｂ、ａ’＞ｃか好ましい。

ここではレーザ照射によって単原子層成長の低温側の成
長速度か増加する特性を利用したが光照射の代わりに原
料供給量を変えて成長速度を変えても良い。ここでステ
ップを用いて量子細線を作る場合の重要な点は原料を交
互に供給する単原子層成長エピタキシやＭＯＣＶＤでは
原子層レベルの制御は信頼性に欠けるので上記の構造を
作るのは容易ではない。このようにして得られた量子細
線構造は電界効果トランジスタの能動層として用いたと
き高移動度が得られる点は上記実施例と全く同しである
。

また、本実施例では量子細線、量子箱の一辺の寸法を３
０ｎｍとしたが、これに限定されるものではなく量子効
果が現れる寸法であればよい。電界効果トランジスタに
用いる量子細線については電子の平均自由行程より寸法
が小さければ良い。

［発明の効果］以上説明したように本発明による半導体超格子構造は結
晶成長によって形成されるので結晶欠陥が少なく、寸法
精度の高い構造であるため、これを用いた半導体レーザ
や電界効果トランジスタはレーザ利得や移動度が高く、
かつ生産上、信頼性の高い製造法である。

【図面の簡単な説明】

１図は量子箱作製のために用意するＧａＡｓ基板の凹凸
構造、その１個の凹部を構成する結晶面を示す図、第２
図は本発明の半導体レーザの一実施例を示す断面図、第
３図は量子箱形成の過程を示す図、第４図は本発明の素
子を作製するために用いる成長装置の図、第５図は量子
細線を作製するために用意するＧａＡｓ基板の凹凸構造
を示す平面図、第６図は量子細線形成の過程を示す図、
第７図は本発明の電界効果トランジスタの一実施例を示
す断面図、第８図は非対称量子箱作製のために用意する
ＧａＡｓ基板の凹凸構造を示す平面図、第９図は非対称
量子箱の断面図、第１０図は非対称量子細線作製のため
に用意するＧａＡｓ基板の凹凸構造を示す平面図、第１
１図は非対称量子細線の断面図、第１２図はＧ１Ａｓ基
板表面のステップを示す断面図、その上にＡｌ２Ａｌ層
およびｆｆ１ＡｓとＧａＡｓを１／２単原子層ずつ成長
させることを説明する図、量子細線を作製する過程を示
す図、さらに得られた量子細線の断面図、第１３図は本
発明の素子を作製するために用いる光照射のできる成長
装置の図、第１４図は第１２図（ｂ）においてＭＡＩを
１／２単原子層またはｌ／４単原子層七瓢先にＧａＡ＋
つすいてｌｄｌ　Ａ　ｓをそれぞれＩ／２単原子層成長
させるための単原子層成長法を説明する図、第１５図は
量子細線の他の実施例を説明するだめの第１２図と同様
な図、第１６図は従来の半導体レーザの一例を示す断面
図、第１５図は各超格子とその状態密度を示す模式図、
第１８図はペトロフによる量子箱作製法の提案を説明す
るための図、第１９図はペトロフの提案に対する問題点
を説明するための図、第２０図は従来の電界効果トラン
ジスタを示す断面図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所定の指数の結晶面から構成された凹部を有する
基板結晶表面上に異なる半導体材料の層が基板結晶表面
および凹部の底面に平行に、かつ厚さ方向に一定の周期
で積層形成されていることを特徴とする半導体超格子。
（２）前記基板結晶表面および前記凹部の底面を（０１
１）面とし、前記凹部の垂直壁は（１１１）等価面で構
成されている請求項１記載の半導体超格子。
（３）前記基板結晶表面および前記凹部の底面を（００
１）面とし、前記凹部の垂直壁は（１１０）等価面で構
成されている請求項１記載の半導体超格子。
（４）所定の指数の結晶面から構成された凹部を有する
基板結晶表面上に異なる半導体材料の層を基板表面およ
び凹部の底面に平行に、かつ厚さ方向に一定の周期で成
長させて得られることを特徴とする半導体超格子の製造
方法。
（５）超格子を構成する禁止帯巾の広い半導体材料の膜
厚は凹部の深さと同じかまたはそれより厚く、かつ禁止
帯巾の狭い半導体材料の膜厚は凹部の深さと同じかまた
はそれより薄いことを特徴とする特許請求の範囲第３項
記載の半導体超格子の製造方法。
（６）基板結晶表面の凹部は所定の指数面に沿って直線
状に一定周期をもって設けられている特許請求の範囲第
３項記載の半導体超格子の製造方法。
（７）基板結晶表面の凹部と凹部を隔てる距離と凹部の
幅とが略等しいことを特徴とする特許請求の範囲第３項
記載の半導体超格子の製造方法。
（８）基板結晶表面の凹部は２次元的に所定の指数面に
沿って一定周期をもって設けられている特許請求の範囲
第４項記載の半導体超格子の製造方法。
（９）基板結晶表面の凹部の面内形状は正方形または長
方形で、その配列は市松模様であることを特徴とする特
許請求の範囲第３項記載の半導体超格子の製造方法。
（１０）基板結晶表面および凹部の底面を（０１１）面
とし、凹部の垂直壁は（１１１）等価面で構成されてい
る特許請求の範囲第４項記載の半導体超格子の製造方法
。
（１１）基板結晶表面および凹部の底面を（００１）面
とし、凹部の垂直壁は（１１０）等価面で構成されてい
る特許請求の範囲第４項記載の半導体超格子の製造方法
。
（１２）結晶表面に凹部を形成する際に単原子層を単位
としてエッチングする手法を用いる特許請求の範囲第４
項記載の半導体超格子の製造方法。
（１３）半導体材料の成長は少なくとも１種以上の有機
金属を含む原料を用いて行うことを特徴とする特許請求
の範囲第４項記載の半導体超格子の製造方法。
（１４）凹部として所定の指数面から所定の方位に傾い
た基板結晶表面上に生じたステップ部を用い、その上に
同族原料を交互に基板上に供給する、いわゆる単原子層
成長によって半導体材料を成長させる特許請求の範囲第
４項記載の半導体超格子の製造方法。
（１５）半導体材料の単原子層成長を行う際に、光照射
を併用することを特徴とする特許請求の範囲第１４項記
載の半導体超格子の製造方法。
（１６）ステップ上に形成された縦方向の超格子におい
て、禁止帯巾の広い半導体材料の幅はステップの長さの
１／２より短く、禁止帯巾の狭い半導体材料はステップ
と平行に禁止帯巾の広い半導体材料により挟まれ、その
禁止帯巾の広い半導体材料の膜厚は禁止帯巾の狭い半導
体材料の膜厚より薄いことを特徴とする特許請求の範囲
第１４項記載の半導体超格子の製造方法。
（１７）ステップ上に形成された縦方向の超格子におい
て、禁止帯巾の広い半導体材料と禁止帯巾の狭い半導体
材料はステップの長さの半分ずつの幅を有し、それら２
者を一定厚で反転させ厚さ方向に交互に積み重ね、その
間にステップと平行に禁止帯巾の広い半導体材料を挿入
し、その膜厚を１を含み前記膜厚以下とする特許請求の
範囲第１４項記載の半導体超格子の製造方法。