JPH06112122A

JPH06112122A - ２次元量子デバイス構造

Info

Publication number: JPH06112122A
Application number: JP34630892A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Miyazawa; 誠一宮澤; Mitsuru Otsuka; 満大塚; Natsuhiko Mizutani; 夏彦水谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-08-10
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【目的】結晶欠陥の発生や不純物の混入がなく、十
分な量子閉じ込め効果を生ずる寸法、形状に細線形成が
可能であり、また量子細線の高密度配列が可能であり、
原子拡散に伴う影響を受けない再現性の良い半導体結晶
製造方法。【構成】先ず｛１１１｝または｛１１０｝面から
０．５〜１５度傾斜した半導体基板上に回折格子を形成
し、その回折格子上にＭＢＥ法、またはＧＳＭＢＥ法に
より半導体結晶を成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低閾電流密度の半導体レ
ーザや高速動作のトランジスター等を実現するために回
折格子上に２次元量子井戸構造を含む半導体装置の構造
に関するものであり、その目的に合致した回折格子の形
成に関することであり、更にその回折格子上に半導体結
晶の製造方法に関するものである。この発明は高性能な
電子特性や光特性を有する半導体素子の作製に応用され
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に回折格子を作製し、その
上にこの基板の周期構造の位相からずれた第２の周期構
造の層を成長させる半導体構造の研究が行われている。

【０００３】回折格子は光エレクトロニクスの分野にお
いて、フィルタ、光結合器、分布帰還型（ＤＦＢ）レー
ザ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ等の種々の光
回路素子に用いられている。特に、ＤＦＢ，ＤＢＲレー
ザに代表される波長制御用ないし波長可変半導体レーザ
用に形成された回折格子はレーザの共振器として用いら
れている。その上、回折格子の周期、形状、深さはレー
ザ特性（発振閾値、結合係数等）を決定する重要な因子
であり、高精度の回折格子をこのようなレーザ中に制御
性よく作成することはこの技術分野の重要な課題となっ
ている。

【０００４】従来、回折格子の作成は、格子状フォトレ
ジストマスクの作成とエッチングの２段階の方法で行わ
れている。しかし、光エレクトロニクス分野の回折格子
の周期は０．１〜１．０μｍと微細なため、フォトレジ
ストマスクの作成に従来の光リソグラフィ技術を適用す
ることは出来ない。このため、フォログラフィックな露
光法が一般に用いられてきた。これはレーザ光の干渉を
用いた露光法であり、その工程を模式的に図１用いて説
明する。

【０００５】図１の（ａ）図のように基板 1−２１にフ
ォトレジスト 1−２２を塗布し、ここに十分に平行光線
である２つのレーザビーム 1−２３， 1−２４を２方向
（図示例では垂線に対してθの角度をなす２方向）から
照射して、干渉縞を作ってフォトレジストを周期的に露
光し、これを現像、ベークすることによって（ｂ）図の
様な格子状のフォトレジストマスク 1−２５を作成す
る。つぎに、上記フォトレジストマスクをエッチングマ
スクとして（ｃ）図の様にエッチング（ウエットまたは
ドライエッチング）し、その後エッチングマスクを剥離
することにより、（ｄ）図のように基板に周期構造（回
折格子） 1−２６を転写する。

【０００６】フォログラフィックな干渉露光法において
は、２つのレーザビームの入射角をθ、レーザビームの
波長をλとすると、作製できる格子間隔Λ（（ｂ）図参
照）はΛ＝λ／（２ｓｉｎθ）で表される。露光用レー
ザとしては、Ａｒレーザ（λ＝３５１ｎｍ）、またはＨ
ｅ−Ｃｄレ−ザ（λ＝３５２ｎｍ）が適している。Λ≦
０．２５μｍ程度のマスクを作るには、Ｈｅ−Ｃｄレ−
ザを用いる。一方、ＤＦＢ，ＤＢＲ半導体レーザの発振
波長λは、次式λ＝λ₀ ／Ｎ_eff ＝２Λ／ｍ（ｍ＝１，
２．．．）で表すことができる。ここでλ₀ ／Ｎ_eff は
媒質内でのブラッグ波長、Ｎ_eff は媒質の等価屈折率、
λはこの半導体レーザ中の回折格子の周期である。整数
であるｍ＝１の場合が１次回折、ｍ＝２の場合が２次回
折を意味する。

【０００７】このような半導体レ−ザでは、例えば、Ｇ
ａＡｓを活性層とする短波長の場合には、回折格子の周
期Λは、発振波長を０．８μｍとすると、上述の式（１
次回折を利用する場合とする）から、約１１５ｎｍにま
で小さくなる。またｍ次回折を利用する場合でも、１１
５ｎｍのｍ倍程度にしか大きくならない。従って、回折
格子作成の際に露光用レ−ザビ−ムの波長を小さくする
ためには、Ｈｅ−Ｃｄレ−ザの波長λ＝３２５ｎｍを用
いても、空気中では１次回折用の格子を作成することは
できないことになる。

【０００８】そこで、ＧａＡｓ系短波長ＤＦＢ，ＤＢＲ
半導体レーザの１次回折格子（周期Λ＝１３０ｎｍ以
下）の作成方法として、次の３つの方法が挙げられる。

【０００９】第１の方法として、試料を高屈折率媒質中
に浸漬して、そのなかで干渉露光を行って媒質の屈折率
分だけ回折格子の周期を短くする方法がある。高屈折率
媒質としては、例えば、光吸収の少ないキシレンを用い
る。また、類似の方法例としては、フォトレジスト膜上
に屈折率整合用オイルを介して３角形または長方形プリ
ズムをおき、このプリズムの両側から露光用の２つの光
束を入射させる方法もある。

【００１０】第２の方法は２光束干渉露光法によって得
られた回折格子の周期を更なる処理によって半分にする
ものである。図２の（ａ）図に模式的に示すように、ま
ず基板 2−２７の上に複数の溝（回折格子） 2−２７ａ
を形成し、次にエッチングマスク材料（フォトレジス
ト） 2−２８を全面に形成する。この後に、（ｂ）図に
示すように、露光、現像によりエッチング面を露出させ
てから、（ｃ）図の様にエッチングを行い、こうして
（ｄ）図に示すように周期が初めの溝 2−２７ａの半分
の回折格子を得る。

【００１１】第３の方法としては図３に模式的に示すよ
うに、この（ａ）図のように、先ず２光束干渉露光法に
よりフォトレジストマスク 3−２９を基板 3−３０上に
形成し、次に（ｂ）図のようにその上にＥＣＲ−ＣＶＤ
によりＳｉＮｘ膜を成長させて、（ｃ）図のようにエッ
チング時間を調整することによって、レジストとＳｉＮ
ｘによるエッチングマスク 3−２９， 3−３２を作成
し、このマスクを用いてエッチングを行い、（ｄ）図に
示すように周期が最初に形成したフォトレジストマスク
の半分の回折格子 3−３３を作成する方法がある。

【００１２】作製された回折格子の上にウエファ積層構
造を作製することは、半導体技術、レーザの閾値電流密
度の改善のためには極めて重要な技術である。超格子構
造を用いた半導体装置は従来のものに比較し低閾値電流
の半導体レーザや高速動作のトランジスターが可能とな
るので注目されており、現在検討されている超格子構造
としては１次元量子井戸構造（量子薄膜）が主流であ
り、これを利用した半導体レーザについては下記の文献
に記されている。

【００１３】Tsaug, T. W. : "Extremely Low Threshol
d (AlGa) As Modified Multi-Quantum Well Heterostru
ct Lasers Grown by Molecular Beam Epitaxy"Appl. Ph
ys. Lett., 39, p786-788 ( 1981 ) １次元量子井戸構造に対し、２次元量子井戸構造（量子
細線）、３次元量子井戸構造（量子箱）と高次元化して
ゆくと、さらにすぐれた特徴を有するデバイスの作製が
可能となることが予想されている。

【００１４】図４の（ａ）図、（ｂ）図、（ｃ）図はそ
れぞれ１次元、２次元、３次元量子井戸構造の概念図で
あり、図５の（ａ）図、（ｂ）図、（ｃ）図は図４の
（ａ）図、（ｂ）図、（ｃ）図に示した電子の状態密度
とエネルギーの関係を示す図である。

【００１５】バルク結晶の状態における１次元、２次
元、３次元の構造の状態密度は図４の（ａ）図の破線が
示すような放物線形をしているが、１次元、２次元、３
次元量子井戸構造においてはこの状態密度が、それぞれ
階段状、のこぎり歯状、パルス列状に変化している。こ
のような状態密度の変化に伴なって光吸収や発光状態も
順次変化してゆくことが予想されるため、極めて低い閾
値の半導体レーザが期待される。さらに、２次元量子井
戸構造では散乱機構の単純化により電子移動度が高まる
ことも予想されており、電子デバイスの面からも重要と
なる。

【００１６】２次元量子井戸構造を用いた量子細線レー
ザや３次元量子井戸構造を用いた量子箱レーザでは上記
のような特徴から以下のような効果が期待されている。（１）低い閾値レーザ。（２）閾値電流の温度依存性が小さい。（３）緩和振動共振周波数の増大による高速度変調の向
上。（４）発振スペクトル線幅が狭まる。

【００１７】以上のように量子化の次元を上げることは
さまざまな長所を有するものであるが、その作製方法は
いまだ開発段階である。現在検討されている作製方法と
しては、特開昭６３−９４６１５号公報に記載されてい
る図６の（ａ）〜（ｄ）図に示す方法が主流となってい
る。ここに図６、図７を参照して極めて模式的にその作
製法の原理を説明する。

【００１８】図６の（ａ）図において（１００）面を表
面に持つ基板を（０１１）方向に数度傾ける。このよう
に傾いた面は（１００）面と（０１１）面の組み合わせ
で考えられ、１３１は（１００）面であって、１３３は
（０１１）面である。今ＡｌＡｓ分子１３２が１３１の
結晶表面（１００）上に飛来したとする。その時このＡ
ｌＡｓ分子１３２は（１００）表面上では不安定である
ため、再蒸発するか、または（１００）表面を移動す
る。ところが１３３の（０１１）面が存在するステップ
に分子が来ると、ＡｌＡｓ分子１３２はこのステップに
吸着され、結晶面を形成する。同（ｂ）図に示すよう
に、ＡｌＡｓ分子１３２は次々にこのステップに吸収さ
れて結晶となる。ここで供給する分子を変える。まず同
（ｃ）図に示すようにＡｌＡｓ分子１３２の供給を止め
て、（１００）面の半分までＡｌＡｓ層を形成させる。
次に供給分子をＧａＡｓ分子１３４に変えて供給すると
同様な原理による成長が行なわれ、同（ｄ）図に示すよ
うに横方向にＧａＡｓとＡｌＡｓ領域が作製される。こ
の、各層の膜厚１３５は一原子層単位で形成される。
（ｃ）、（ｄ）図に示した成長をくり返し行なうことに
より、図７に示すようにＧａＡｓ層１４１とＡｌＡｓ層
１４２とが縦方向に伸びた結晶構造とすることが可能で
ある。このように傾けた基板を用い、供給する分子種を
変えることによって量子細線を作製することが出来る。

【００１９】一方結晶成長の方法については以下に詳述
する。

【００２０】半導体中のキャリアーである電子や正孔を
１次元の狭い空間に閉じ込めた量子細線やその量子細線
が周期的に配列された２次元超格子にはバルクの半導体
結晶とは異なる新しい電子物性、光物性が出現すること
が予測されている。例えば量子細線を半導体レーザーの
活性層に用いると、レーザー発振の閾値電流を低くする
ことが可能であり、しかも温度変化に対して安定して鋭
い発光スペクトルが得られる。また量子細線中では電子
の移動度が約１０⁷ 〜１０⁸ ｃｍ／Ｖ・ｓｅｃにも達す
るから、高速移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）と同様な
高速性をもつ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や特異な
機能素子への応用が期待されている。

【００２１】これらの理由から量子細線や２次元超格子
を作製する試みが近年盛んに行われるようになってき
た。１次元方向の量子閉じ込めに関しては、現在ＭＢＥ
法を初めとする薄膜形成技術により精度良く作製するこ
とが可能となっている。これに対して２次元方向にキャ
リアーを閉じ込める量子細線を作製するためには、膜厚
方向に加えて面内方向でもエネルギーバンドを変調さ
せ、バンドの井戸に相当する領域を障壁の領域中に閉じ
込めるなんらかの手段が必要となる。量子細線や２次元
超格子の作製する手段として現在までに提案、検討され
た方法は以下の３種類に分類される。

【００２２】（従来例１）ＧａＡｓの井戸領域を面内
方向に閉じ込めるための界面を形成する手段としてリソ
グラフィーやエッチングなどの微細加工技術を直接利用
する方法。

【００２３】（従来例２）あらかじめ凹凸が形成され
たＧａＡｓの（００１）ＯＦＦ基板上にＧａＡｓ井戸層
とＡｌＧａＡｓ障壁層を有機金属気相エピタキシ−（Ｍ
ＯＶＰＥ）法を用いて成長させる。その際に結晶方位に
依存する成長速度の差を利用して、Ｖ溝の底やノコギリ
刃形状の段差部に量子細線を形成する方法。

【００２４】（従来例３）（００１）面からわずかに
傾いた表面方位をもつＧａＡｓ基板上にＭＢＥ成長させ
る場合において成長条件を選ぶならば、結晶の成長が原
子ステップの移動によって進行することを利用する。そ
の際、１原子層が形成される時間間隔より短い時間でＧ
ａＡｓとＡｌＧａＡｓを交互に成長させることにより量
子細線構造を形成する方法。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べた短波長
（λ＝０．８μｍ）ＤＦＢ，ＤＢＲ半導体レーザ用の１
次回折格子（周期Λ＝１３０ｎｍ以下）の作成方法に次
のような問題があった。

【００２６】第１の方法では、液体やその容器などに起
因する散乱や多重反射のために露光用ビームの光波面が
乱れたり、装置の振動や空気の揺らぎの影響を受け易く
て、回折格子の精度が悪くなるという問題がある。

【００２７】第２の方法では、エッチングマスクとして
フォトレジスト膜を全面に形成した後の露光／現像条件
の制御が厳しく、面内でばらつきが生じて回折格子の精
度が悪くなる。また、第２のエッチング時にウエットエ
ッチングを用いると、回折格子形状の不整が生じるとい
う問題がある。

【００２８】第３の方法では、レジスト上のＳｉＮｘ膜
と基板上のＳｉＮｘ膜のエッチング条件の制御が難し
い。また、エッチング時、ドライエッチングならばエッ
チングマスクがレジストとＳｉＮｘ膜の２種類の材料で
形成されているため、エッチングガスに対する耐性に差
が生じ回折格子形状の不整、深さや寸法の精度が悪くな
るという問題がある。

【００２９】従って、本発明は、上記問題点に鑑み、新
たな原理にもとづいて、短波長（λ＝０．８μｍ）ＤＦ
Ｂ，ＤＢＲレーザ等の１次回折用などの極微細な回折格
子も形成できる回折格子作成方法を提供することを目的
とする。

【００３０】上述した従来の２次元量子井戸構造の作製
方法はＡｌＡｓやＧａＡｓのもつ周期性を利用するもの
であるが、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓの各層は必ずしも一定の
周期性を示すわけではなく、図７の１４１、１４２のよ
うにＧａＡｓ層、ＡｌＡｓ層の幅は成長基板面内でばら
つくことが多い。この場合には作製される２次元量子井
戸構造の量子細線がばらつき、量子準位および状態密度
も大きく劣化するという問題がある。

【００３１】本発明は上述のような問題が生じることな
く２次元の量子細線を持ったレーザが再現よく作製でき
る方法を提供するものである。また量子細線の作製法と
して上記の従来例にはいくつかの問題点が存在した。従
来例１では微細加工に伴う結晶欠陥の発生や不純物混入
の影響から逃れることが困難である。さらに量子細線が
高密度に配列された２次元超格子をこの方法で実現する
ことは不可能に近い。

【００３２】従来例２では１回の成長過程の中で量子細
線構造を形成するために結晶欠陥の発生や不純物混入の
恐れがほとんどない点では従来例１よりもすぐれた方法
であると言える。しかし、従来例２の問題は作製しうる
細線の寸法や形状に大きな制約があるために、キャリア
ーの閉じ込めが十分には発現されにくいことである。そ
の上、基板加工の寸法などに依存して量子細線を作製し
うる領域が極めて限定される。そのために２次元超格子
を作製することは困難である。

【００３３】従来例３は原理的には量子細線を高密度に
配列できる方法であるが、しかしこの手法は原子の表面
拡散過程に伴う統計的ばらつきや揺らぎの影響を本質的
に受けやすいために、今まで良質な２次元超格子の作製
は実現されていない。

【００３４】このような従来例の問題を克服し本発明が
解決しようとしているこの部分の課題は下記の４項目で
ある。

【００３５】１．結晶欠陥の発生や不純物の混入が生じ
ないこと。

【００３６】２．十分な量子閉じ込め効果が生じる寸
法、形状に細線を形成できること。

【００３７】３．原子拡散に伴う揺らぎの影響を受けず
に、再現性が良く、かつ細線形態を形成できること。

【００３８】４．量子細線を高密度に配列することが可
能であって、しかもその配列の自由度が高いこと。

【００３９】

【課題を解決するための手段】本発明は閃亜鉛鉱型結晶
構造を有した半導体であって、｛１１１｝面あるいは
｛１１０｝面から０．５〜１５度の範囲で傾いた面方位
を持つ半導体基板において、異なる指数を持つ面で囲ま
れた第１の周期形状の上にエピタキシャル成長を行う際
に、成長の面方位によって成長速度が異なることを利用
して新たな周期を持つ第２の周期構造を形成するもので
ある。

【００４０】ここで｛１１１｝面は（１１１）面、（１
^* １^* １^* ）面、（１１^* １^* ）面などの等価な面を含
み、｛１１０｝面は（１１^* ０）面と（１１０）面を含
むものとする。ただし、記号１^* はここでは特に数字１
の上に−を記載するミラ−の記号の代用とする。以下に
この記載方法を適用する。

【００４１】またＧａＡｓを代表とする閃亜鉛鉱構造を
有する半導体基板上で｛１１１｝面あるいは｛１１０｝
面から０．５〜１５°の範囲で傾いた面方位を持つ半導
体基板上に周期的な凹凸を形成し、その凹凸面上にエピ
タキシャル成長させることにより、面方位による成長速
度の差を利用し安定して量子細線を作製する方法を提供
するものである。

【００４２】更に本発明は｛１１１｝面あるいは｛１１
０｝面から０．５〜１５度の範囲で傾いた面方位を持つ
半導体基板表面に回折格子を形成し、その回折格子の上
に半導体結晶を成長させる方法を提供するものである。

【００４３】より具体的には次のステップから成る。図
８(a) を用いて模式的に説明する。第１のステップは閃
亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体であって、｛１１１｝
面から０．５〜１５度の範囲で傾いた面方位を持つ半導
体基板５１において該基板表面にピッチΛ₁ の回折格子
５２を形成し、その５２上に固体ソースのＭＢＥ法また
は一部の分子線源をガス化したＧＳＭＢＥ法あるいは分
子線源に有機金属を用いるＭＯＭＢＥ法、あるいはすべ
ての分子線源をガス化したＣＢＥ法によって半導体結晶
を成長させる。このときの成長条件として｛１１１｝面
での成長速度が遅くなるような条件を選択することであ
り、｛１１１｝面からなるテラス面と｛１００｝面から
なる段差部からなるノコギリ形状５３を形成することが
できる。更に図８の（ｂ）図を用いて説明する。｛１１
０｝面から０．５〜１５度の範囲で傾いた面方位を持つ
半導体基板５４において該基板表面にピッチΛ₁ １の回
折格子５５を形成し、その５５上に固体ソースのＭＢＥ
法または一部の分子線源をガス化したＧＳＭＢＥ法ある
いは分子線源に有機金属を用いるＭＯＭＢＥ法、あるい
はすべての分子線源をガス化したＣＢＥ法によって半導
体結晶を成長させる。その成長条件として｛１１０｝面
での成長速度が遅くなる条件を選択することであり、
｛１１０｝面からなるテラス面と｛１１３｝面あるいは
｛１１４｝面からなる段差部からなるノコギリ形状５６
を形成することができる。

【００４４】このノコギリ形状のピッチΛ₂ はその下に
形成されているグレーティングのピッチΛ₁ のみで決ま
り、必ずΛ₂ ＝Λ₁ となる。

【００４５】次のステップとして、このノコギリ形状５
３，５６の上に、テラス面での成長速度が遅く、かつ段
差面での成長速度が速い、すなわち最初の傾きの面の成
長と同じ成長条件での成長を行うと、段差が消滅するこ
となく表面の形状を保持したまま、あるいは少なくとも
表面の周期的な構造を保持したまま主に横方向の成長が
進行する。

【００４６】成長中の分子線の比率を変える、あるいは
種類を変えることによって、図９の（ａ）図に示したよ
うな第２の周期構造６３を作製することも可能である。
分子線の変更の方法は通常では量子井戸を作製する際に
用いられるようにシャッタの開閉、バルブの開閉等によ
って行えばよい。

【００４７】変調する時間を段差面がΛ₂ 距離にわたっ
て成長するのにかかる時間よりも短い時間の中で適当に
選ぶことによって、周期構造の周期を回折格子のピッチ
の整数倍になるようにすることもできる。

【００４８】以上述べたようにして、傾斜領域を持つ基
板状に特定の周期をもつ、例えば形成された第１の周期
構造に対して１／Ｎの周期を持つ、第２の周期構造を成
長時に作り込むこともできる。このようにして形成され
た周期構造のステップ部分の大きさ６５を３０ｎｍ以下
にすることにより量子効果をもたせることができる。さ
らにこの部分の大きさは１１に示した回折格子のピッチ
と（１１１）面および（１１０）等の傾斜角で決定され
る。

【００４９】回折格子を形成する基板と第１の成長層の
屈折率を同一にするならば、もとの回折格子は等価屈折
率の変調には寄与しない。この導波路の等価屈折率は図
９の（ｂ）に示したように、元の回折格子のピッチに対
して低次の、すなわち波長の短いピッチで変調された成
分を大きく持つという特徴をもつことにもなる。一般に
半導体の結晶成長速度はその結晶面により異なる。例え
ば本件の場合には、（１１１）面は（１００）面に比較
し成長速度は遅く、さらに（１１０）は（１１１）面よ
りも遅い。詳細については、Journal of Applied Physi
cs Vol.64, 3522(1988)の文献を参照して頂きたい。

【００５０】図10を用いて説明する。先ず第一のステッ
プとして閃亜鉛鉱構造を有した半導体であって｛１１
１｝面方位を持つ半導体基板の上に｛１１１｝面から
０．５〜１５度の範囲で傾斜した面方位をもつ第１の周
期構造を形成する。この基板表面にピッチ10−５の緩や
かな周期を形成する。ここでは周期10−５が１００μｍ
であって、なるべく平坦な部分、例えば10− 0３のよう
な部分が生じないように周期構造10−６を形成する。図
中10−１が｛１１１｝面、｛１１０｝面から０．５〜１
５度傾斜した面である。

【００５１】その後にこの緩やかな周期構造10−６の上
に短周期構造を作製する。図11によって説明する。作製
法としては干渉露光法を採用する。この作製法について
は実施例中に記載する。図11中11−７は干渉露光によっ
て作製されたピッチ２４０ｎｍの短周期構造である。こ
こでは11−６が長周期構造を成している構造になってい
る。

【００５２】次のステップとしては、その周期構造の上
に固体ソ−スのＭＢＥ法、または一部の分子線源をガス
化したＧＳＭＢＥ法あるいは分子線源に有機金属を用い
るＭＯＭＢＥ法あるいは全ての分子線源をガス化したＣ
ＢＥ法によって半導体結晶を成長させる。図12は図11中
の11−６付近を拡大したものである。長周期構造の斜面
部分に形成された短周期構造の上に半導体膜12−８を成
長させる。その時の成長条件としては斜面部分の面、多
分｛１１４｝または｛１１３｝より平面｛１１１｝面で
の成長速度が遅くなるなるような条件を選ぶことによっ
て｛１１１｝面から成るテラスと｛１００｝面の段差部
分から成る鋸形状12−１１を形成することができる。こ
のうえに同様な条件で12−８とは異なる材質の半導体膜
12−９を成長させる。同様に｛１１１｝面での成長が遅
くなるような条件を選ぶ。その結果12−９の半導体膜は
ステップ部分に集中するような構造になる。同様に12−
９の半導体膜とは異なる12−10の半導体膜を堆積する。
この時の条件も｛１１１｝面の成長速度が遅い条件を選
定した。この繰返しにより組成の異なる領域を部分的に
形成できる。本特許の一つの重要なポイントは成長速度
の異なる面を形成することである。

【００５３】あるいは｛１１０｝の面基板を用いて同様
に０．５〜１５度の範囲内で傾斜した表面を形成してい
てもよい。重要な点は成長しにくい面と成長の早い面を
形成すること、かつ形成しやすい面の一辺の長さを容易
に制御できること、成長速度の早い面に比較して成長速
度の遅い面の幅が長いことこれらを満足させるならば、
容易に半導体領域を部分的にでも閉じ込めることができ
る。成長法としては、固体ソ−スのＭＢＥ法、または一
部の分子線源をガス化したＧＳＭＢＥ法、分子線源に有
機金属を用いるＭＯＭＢＥ法、あるいは全ての分子線源
をガス化したＣＢＥ法によって半導体結晶を成長させ
る。

【００５４】具体的な一例を述べる。図13は図11（ａ）
を部分的に拡大した図である。13−２１は干渉露光によ
って作製した回折格子である。ピッチΛ₁ は２４０ｎｍ
である。この上にエピタキシャル法によって膜13−２２
を積層すると、ステップ（１００）面の幅Ｂ、13−２２
は次の式で決定される。

【００５５】Ｂ＝Λ₁ ｔａｎθ／ｓｉｎθ’ ここでθは｛１１１｝面および｛１１０｝面からの傾斜
角度、上述した０．５から１５°の値のいずれかの値で
ある。θ’は、ここでは｛１１１｝面とステップを形成
している面（１００）面がなす角５４．７°である。基
板の傾斜角θを５°程度とすると、ステップに形成され
る（１００）の幅Ｂ、13−２２は２６ｎｍとなる。この
上にエピタキシャル成長により結晶を成長させる。例え
ば、ＭＢＥ法を用いたＧａＡｓ上のＧａＡｓ膜の成長で
あれば、（１１１）面と（１００）面との成長速度の差
は約３倍であって、（１１１）面の方が速い。図１４
に示したようにステップには14−３１に示したような量
子井戸が形成される。ここでは（１００）面上に14−３
２に示すように２０ｎｍ程度積層した。この時14−３３
に示すように（１１１）面上にはその約１／３である６
ｎｍのＧａＡｓが積層される。この14−３２、14−３３
の積層を繰り返しを図５に示した。供給材料を変えるこ
とにより容易に積層が可能である。

【００５６】更に結晶成長の方法を記載する。まず｛１
１１｝または｛１１０｝面から０．５〜１５度傾斜した
半導体基板上に回折格子を形成し、その上にＭＢＥ法ま
たはＧＳＭＢＥ法により半導体結晶を成長させる。この
時の入射分子線の方向には特に制限はない。ただし、Ｇ
ＳＭＢＥ法は化学線エピタキシー（ＣＢＥ）法、有機金
属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ）法などとも呼ばれ
ているが、これらは全て同じ手法を意味している。

【００５７】一般に結晶の低指数面の方位に成長速度の
極小が存在するが、特に｛１１１｝面（または｛１１
０｝面）は成長速度が非常に遅いため、上記の成長に伴
って表面には｛１１１｝面（または｛１１０｝面）のテ
ラスと、｛１１１｝面（または｛１１０｝面）とは異な
る面方位を有する段差から構成されるノコギリ刃形状が
形成される。

【００５８】この時、テラス面に対して垂直方向に計っ
た段差の高さＳとテラス面に対して水平方向に計ったノ
コギリ刃の周期Ｔはグレーティングの周期Ｐと基板の傾
斜角ａを用いて各々Ｓ＝Ｐ・ｓｉｎ（ａ）Ｔ＝Ｐ・ｃｏｓ（ａ）と表される。

【００５９】次に少なくとも１種類の分子線の方向をそ
の基板の法線方向から１０度〜８０度の範囲で傾けるこ
とにより、段差部からテラス面の途中まで該入射分子線
の影になる領域が形成される。このために段差凹部から
新たな結晶面が成長し平坦化する現象が抑制される。一
方、テラス面の成長速度は極端に遅く、そのために分子
をほとんど取り込まないので、表面に入射した分子は表
面拡散により段差部に到達して結晶に取り込まれるか、
あるいは真空相に離脱するかのいずれかがほとんどであ
り、テラス面で結晶化する割合は極わずかである。この
結果、段差は消滅せずに表面にはノコギリ刃形状が保持
されたまま残り、ほぼ定常的に横方向の成長が進行す
る。

【００６０】いま段差部の横方向成長速度をテラス面に
水平に計ってＶｓとし、テラス部のテラス面に対して垂
直方向の成長速度をＶｔとすると、表面のノコギリ刃形
状は基板水平方向から角度ｂ方向に平行移動することに
なる。ここでｂはｂ＝ａ＋ｔａｎ^-1（Ｖｔ／Ｖｓ）と表される。ＶｔとＶｓの間にはＶｔ＜＜Ｖｓの関係が
成立しているので、角度ｂは角度ａに近い値であり、ほ
ぼ横方向に成長が進行する。障壁に対応する半導体結晶
が上記のように定常的に横方向の成長をしている過程に
おいては井戸に対応する半導体結晶をｔ時間成長させ、
その後に再び障壁の半導体結晶を成長させると、井戸の
半導体結晶の断面は幅Ｌ＝Ｖｓ・ｔ、高さＳの矩形領域
が非常に薄い幅ｄ＝Ｖｔ・ｔの幅で連結された構造とな
る。Ｓを表す上記の式より、この矩形の高さＳは回折格
子の周期Ｐと基板方位ａによって選択され、幅Ｌは時間
ｔによって正確に制御できる。その結果、微細な寸法を
持つ量子細線を精度良く作製することができる。また、
上記の成長過程を適当な周期で繰り返すことにより、量
子細線が高密度に配列された２次元超格子を形成するこ
とができる。ここで適当な周期とは例えば、Ｎを整数と
して、Ｔ／（Ｎ＋１／２）で表される。

【００６１】ＭＯＶＰＥ法を用いた前記の従来例２で
は、一旦形成された段差の凹部から新たな結晶面が生成
するために、成長とともに段差が消滅し、その結果表面
が平坦化する。また、テラスが（００１）面であるため
に、成長速度Ｖｔが無視できない値をもつ。このために
量子細線構造は成長の一過程で形成されるのみであり、
該量子細線を高密度に配列することは不可能であった。
これに対し、本発明では段差が消滅しないで横方向に成
長するために、連続して量子細線を配列できることが特
徴である。

【００６２】

【実施例】実施例１図１５に本発明の実施例１として、ピッチ１２５ｎｍの
１次回折格子を有するＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＤＦＢ
レーザ用ウェハの積層構造を示す。ＳｉドープのＧａＡ
ｓ基板１１は（１１１）Ａ面から（１００）面方向に５
度傾いた面を基板表面とするいわゆる傾斜基板である。
この上にＳｉドープＧａＡｓのバッファ層１２が０．５
μｍ形成され、その上にＳｉドープＡｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａ
ｓクラッド層15−１３が１．５μｍ形成されている。

【００６３】次に15−１４は２００ｎｍの光閉じ込め領
域であるＳｉドープＡｌ_y Ｇａ_1-yＡｓであり、このＡ
ｌの含有率ｙは０．５から徐々に変化し、活性層15−１
５の近くでは０．３に低下する。活性層、多重量子井
戸はアンドープＡｌ_0.3 Ｇａ _0.7 Ａｓ１０ｎｍのバリア
層とアンドープＧａＡｓ６ｎｍの井戸層との繰り返しか
ら構成される５つの量子井戸からなる。この上に上部の
光ガイド層15−１６であるＢｅドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7
Ａｓ層を０．３μｍ形成する。この表面にレーザ干渉露
光法を用いて、ピッチ２５０ｎｍのレジストパターンを
形成し、ドライエッチングによって２次回折格子15−１
７を形成する。このとき、格子の溝の方向は（１１０）
方向、すなわち、もとの基板の法線と（１１１）Ａ面の
法線とで規定される平面に対して垂直とする。

【００６４】ＭＢＥチャンバ内でレジスト残渣と表面の
酸化物を除去した後、この上にＭＢＥ法で上部光ガイド
層と同一組成のＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ層15−１８を平均
の膜厚で０．２μｍ成長させ、表面に周期的な段差を形
成する。段差は幅約２２５ｎｍの（１１１）Ａ面からな
るテラス面と、幅約３８ｎｍの（００１）面からなるス
テップ面から構成される。繰り返しの周期は回折格子の
周期２５０ｎｍと一致し、段差の高低差は約２０ｎｍと
なる。

【００６５】平坦な基板上でのＧａＡｓの成長速度をＶ
００，Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓの成長速度をＶ０３とし、
回折格子上での成長面の進行速度をＧａＡｓにたいして
Ｖｇ００，Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 ＡｓにたいしてＶｇ０３と
し、成長方向と基板法線のなす角をＧａＡｓにたいして
θｇ００，Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓにたいしてθｇ０３と
する（図１６（ａ），（ｂ）を参照のこと）。本実施例
においてはＶ００＝１１ｎｍ／ｍｉｎ，Ｖ０３＝１５．
７ｎｍ／ｍｉｎであり、θｇ００＝θｇ０３＝７０．５
°である。

【００６６】Ｖｇ００＝Ｖ００／ｃｏｓθｇ００，Ｖｇ
０３＝Ｖ０３／ｃｏｓθｇ０３となるので、基板面に水
平な面内での成長面の伝搬速度はＶ１００＝Ｖ００／ｔ
ａｎθｇ００，Ｖ１０３＝Ｖ０３／ｔａｎθｇ０３とな
る。こうして成長面の水平方向への伝搬速度が明らかに
なる。本実施例においてはＶ１００＝２９．５ｎｍ／ｍ
ｉｎ，Ｖ１０３＝４２．１ｎｍ／ｍｉｎとなっている。

【００６７】これを用いてシャッタの開閉によって、Ｂ
ｅドープＧａＡｓおよびＢｅドープＡｌ_0。3 Ｇａ_0.7 Ａ
ｓ層からなる周期構造15−１９を形成する。すなわち、
ＧａＡｓ層を１分４１秒成長させ、引き続いてＡｌＧａ
Ａｓ層を１分４７秒成長させ、さらにＧａＡｓ層を１分
４１秒成長させ、引き続いてＡｌＧａＡｓ層を１分４７
秒成長させることによって、成長面の周期構造は水平方
向に２５０ｎｍ進行する。この間に垂直方向にも約８８
ｎｍ成長面は進行している。またこのとき、基板面に水
平な方向での周期構造の繰り返し周期は１２５ｎｍにな
っており、形成された回折格子のピッチの１／２の周期
を持つ屈折率の変調構造が作製できている。成長条件
を変えて（１１１）面上の成長速度も大きくなるように
して、ＢｅドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ層15−１９１を
０．２μｍ形成して成長面を平坦にし、この上にＢｅド
ープＡｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ上部クラッド層１．５μｍ15
−１９２とＢｅドープのＧａＡｓキャップ層15−１９３
を０．３μｍ形成してＬＤ構造としている。このよう
にして構成した光導波路は上部ガイド層中に１２５ｎｍ
ごとに配置されたＧａＡｓの厚い部分によって、等価屈
折率が変調を受けている。

【００６８】実施例２図１７は本発明の実施例２として、形状の崩れた周期構
造を持つ回折格子つきの導波路を示す。ＳｉドープＧａ
Ａｓ基板17−７１は（１１１）Ａ面から（１００）面方
向に５度傾いた面を基板表面とする傾斜基板である。こ
の上にＳｉドープＡｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓクラッド層17−
７２が１．０μｍ形成されている。

【００６９】次に17−７３はアンドープのＡｌ_0.1 Ｇａ
_0.9 Ａｓ２００ｎｍからなる導波層である。この上に上
部の光ガイド層であるＢｅドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ
層17−７４を０．３μｍ形成させ、この表面にレーザ干
渉露光法を用いて、ピッチ２５０ｎｍのレジストパター
ンを形成し、ドライエッチングによって２次回折格子を
形成する。ＭＢＥチャンバ内でレジスト残渣と表面の酸
化物を除去した後に、この上にＧＳＭＢＥ法でＡｌ_0.3
Ｇａ_0.7 Ａｓ層を成長させ、表面に段差が形成された後
には、マスフローコントローラによって材料の供給量を
制御し、ＢｅドープのＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 ＡｓおよびＢｅ
ドープのＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ層からなる周期構造17−
７５を形成する。成長面が相似形を保つことができず新
たなファセット面が出る場合でも、図９の（ｂ）図に示
すように形成された回折格子のピッチの１／２の周期を
持つ屈折率の変調構造が作製できる。

【００７０】成長条件を変えて（１１１）面上の成長速
度も大きくなるようにして、ＢｅドープのＡｌ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ａｓ層17−７６を０．２μｍ形成して成長面を平坦
にし、この上にＢｅドープのＡｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ上部
クラッド層１．５μｍ17−７７と、ＢｅドープＧａＡｓ
キャップ層を０．３μｍ形成している。

【００７１】実施例３図１８は本方法を用いて作製した２次元量子井戸であ
る。基板18−４１は基板であるＳｉド−プＧａＡｓ基板
である。この基板は（１１１）面から（１１０）方向に
２°傾斜した構造となっている。この上に18−４２のＳ
ｉド−プＡｌＧａＡｓ（Ａｓ組成０．５）を１．５μｍ
成長させる。さらに、18−４３のＳｉド−プＡｌＧａＡ
ｓ（Ａｌ組成０．１）を０．４μｍ成長させ、成長をい
ったん中断する。これを成長装置から取りだし、干渉露
光により回折格子を形成する。

【００７２】このように形成した回折格子を持った成長
膜を再度成長室の中に入れる。これが、図１８に示した
18−４４のような回折格子となる。この上にまずバッフ
ァ効果を持たせるために、Ｓｉド−プＡｌＧａＡｓ（Ａ
ｌ組成０．３）を５０ｎｍ形成する。この結果、図１
３、１４において説明したように（１１１）面と（１０
０）面のステップが形成され、傾斜面（１００）面の幅
は約１０ｎｍとなる。一方18−４５上に活性層となるア
ンド−プＧａＡｓを（１００）面上で１０ｎｍ程度に成
長させる。この時（１１１）面上でＧａＡｓの膜厚は３
ｎｍ以下となる。18−４６の井戸の上にバリアとなる18
−４７のＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．３）を１０ｎｍ形
成する。さらに井戸となる18−４８ＧａＡｓを（１０
０）上で１００形成する。以上が活性層となる。この上
に18−４９の光ガイド層Ｂｅド−プＡｌＧａＡｓ（Ａｌ
組成０．３）を１００ｎｍ形成している。さらに、クラ
ッド層となるＢｅド−プＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．
５）を１．５μｍ成長させた。最後にキャップ層となる
Ｂｅド−プＧａＡｓを０．５μｍ成長してレーザが作製
できる。作製した２次元量子井戸のしきい電流密度が通
常の１次元量子井戸に比較し３割程度の改善が見られ
た。

【００７３】実施例４図１９は本発明の実施例４である。本実施例の特徴はキ
ャリアブロック層19−６５を設けたことにある。図上の
19−６１は基板であるＳｉド−プＧａＡｓである。この
基板は（１１１）面を有し、（１１０）方向に５°傾い
ている。この基板上に19−６２のＳｉド−プＡｌＧａＡ
ｓ（Ａｌ組成５０％）を１．５μｍ成長させる。更に、
19−６３の光ガイド層Ｓｉド−プＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組
成１０％）を２００ｎｍ成長させ、ここで一旦成長を中
断する。ここで実施例３に示したような干渉露光法によ
り格子間隔２５０ｎｍの回折格子を形成した。再び成長
装置内にこれを入れ、再成長を行う。19−６４は光ガイ
ド層であって、Ｓｉド−プＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．
１）を（１００）面上で１００ｎｍ形成した。さらにそ
の上に、19−６５のキャリアブロック層Ｓｉド−プＡｌ
ＧａＡｓ（組成０．３）を５０ｎｍ形成させ、引き続い
てこの上に活性領域を積層する。19−６６はバリアであ
るアンド−プＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．３）を（１０
０）面上で１０ｎｍ成長させ、引き続いて井戸として19
−６７のアンド−プＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１）を
（１００）面上で６０ｎｍになるように積層している。
この繰り返しを19−６８（バリア）、19−６９（井
戸）、19−７０（バリア）、19−７１（井戸）と繰返
す。さらに、19−７２もバリアであるが、やや厚くし、
且つ（１１１）面と（１００）面の選択比を低減させ
る。その方法としては基板温度を低下する。その構造は
アンド−プＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．３）５０ｎｍで
ある。この後に19−７３の光ガイド層を１００ｎｍ積層
する。構造はＢｅド−プＡｌＧａＡｓであって、Ａｌの
組成を０．３から０．５に上げている。その上に19−７
４に示したクラッドであるＢｅド−プＡｌＧａＡｓを
１．５μｍ積層している。最後にＢｅド−プＡｌＧａＡ
ｓを０．５μｍ積層し、レーザ用構造ができる。本実施
例では一次成長も再成長もＭＯＣＶＤ法を用いた。ガス
系の成長場合はＭＢＥ法のような固体ソース成長に比較
し（１１１）面と（１００）面上の選択比を大きく選択
できて、より安定した量子細線ができる。

【００７４】実施例５図２０は本方法によって作製した量子細線を電界効果ト
ランジスターに利用した図である。20−８１は基板であ
るアンド−プＧａＡｓ基板である。（１１０）面基板を
｛１１１｝方向に５°から向けた図である。20−８２は
回折格子を形成し、再成長させ、量子細線を作製した層
である。量子細線が形成されるファセットは（１１０）
面と（１００）面から形成される。ガス系の成長法ＭＯ
ＣＶＤ法を利用した場合には、この選択比は１：１０以
上選択可能である。20−８３はソース、ドレイン、ゲー
トに対応してコンタクト層である。20−８６、20−８
７、20−８８は電極である。

【００７５】実施例６図２１に本発明の実施例６を示す。（１１１）面から
［１１０］方向を回転軸として５度傾いたＧａＡｓ基板
１の表面にレーザ干渉露光法を利用して回折格子21−１
を形成した。この回折格子のストライプ方向は［１１
０］であって、この回折格子の周期は０．２４μｍ、振
幅は０．１μｍとした。この回折格子上に原料ガスとし
てトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルアルミ
ニウム（ＴＥＡｌ）及びＡｓＨ₃ を用いてＧＳＭＢＥ法
によりＧａＡｓ結晶およびＡｌＧａＡｓ結晶を成長し
た。矢印21−３はＴＭＧａ分子線とＴＥＡｌ分子線の入
射方向を表しており、基板の法線方向から５０度傾いて
いる。また矢印21−４はＡｓＨ₃分子線の入射方向を示
しており，基板の法線方向から上記ＴＭＧａ分子線とは
反対側に１０度傾いている。これらの入射方向は全成長
過程で変化させることなく一定に保った。

【００７６】21−５は上記回折格子上に成長したＡｌＧ
ａＡｓ層であり、その表面にはテラス21−６と段差21−
７からなるノコギリ刃形状が形成された。ここで、テラ
スの面方位は（１１１）であり、また段差の高さは約２
１ｎｍであった。この時、テラス面に垂直な方向の成長
速度Ｖｔはほとんど無視できるほどに小さくなり、段差
が横方向に移動することによって成長が進行する定常状
態が達成された。

【００７７】つぎに横方向に２０ｎｍのＧａＡｓ層21−
８と７５ｎｍのＡｌＧａＡｓ層21−９を交互に成長さ
せ、さらにＡｌＧａＡｓ層21−１０およびＧａＡｓキャ
ップ層21−１１を成長させた。この結果、ＡｌＧａＡｓ
の障壁中に断面が２１ｎｍ×２０ｎｍのＧａＡｓの井戸
領域が配列された２次元超格子21−１２が形成された。

【００７８】実施例７図２２に本発明の実施例７を示す。（１１１）面から
［１１０］方向を回転軸として５度傾いたＧａＡｓ基板
１３の表面に光干渉露光法を用いて回折格子22−１４を
形成した。この回折格子のストライプ方向は［１１０］
であって、この回折格子の周期は０．１μｍ、振幅は
０．０５μｍとした。この回折格子上に固体原料のＧ
ａ、Ａｌ及びＡｓを用いてＭＢＥ法によりＧａＡｓ結晶
およびＡｌＧａＡｓ結晶を成長させた。矢印22−１５は
ＧａとＡｌ分子線の入射方向を表現しており、基板の法
線方向から５０度傾いている。同様に矢印22−１６はＡ
ｓ分子線の入射方向を表現しており、基板の法線方向か
ら上記Ｇａ分子線とは反対側に２０度傾いている。これ
らの入射方向は全成長過程で変化させることなく一定に
保った。

【００７９】22−１７は回折格子上に成長したＡｌＧａ
Ａｓ層であり、その表面にはテラス22−１８と段差22−
１９からなるノコギリ刃形状が形成された。テラスの面
方位は（１１１）であり、段差の高さは２１ｎｍであっ
た。この時、テラス面に垂直な方向の成長速度Ｖｔは段
差の横方向成長速度Ｖｓの約１／１０となり、段差がほ
ぼ横方向に移動することによって成長が進行する定常状
態が達成された。次に横方向に１０ｎｍのＧａＡｓ層
22−２０と３７ｎｍのＡｌＧａＡｓ層22−２１を交互に
成長させ、さらにＡｌＧａＡｓ層22−２２およびＧａＡ
ｓキャップ層２３を成長させた。この結果ＡｌＧａＡｓ
の障壁中に断面が１０ｎｍ×２１ｎｍのＧａＡｓの井戸
領域が配列された２次元超格子１２が形成された。

【００８０】

【発明の効果】傾斜基板を利用すれば、その傾斜基板の
上に形成された周期構造に対して 1／Ｎの周期をもつ周
期構造を導入することができる。その回折格子の周期は
干渉露光法で形成された回折格子の周期の整数分の１と
なるので、作製する回折格子の周期は干渉露光法によっ
て容易に制御できる。更に、再現性良く量子細線を得る
ことができる。

【００８１】本発明により半導体中のキャリアーに対し
て十分な閉じ込め効果を有する量子細線やその量子細線
が高密度に配列された２次元超格子を比較的簡便に、し
かも再現性良く作製することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のフォログラフィック干渉法による回折格
子の作成法の工程を示す断面図である。

【図２】従来の第２の方法の工程を説明する断面図であ
る。

【図３】従来の第３の方法の工程を説明する断面図であ
る。

【図４】1 次元、2次元、3次元井戸構造の概念図である。

【図５】図 4に示した井戸構造の電子の状態密度とエネ
ルギ−との関係を示す図である。

【図６】結晶面の成長を示す概念図である。

【図７】有る分子種が結晶の中で縦方向に成長した量子
細線示概念図である。

【図８】形成されるノコギリ形状を示す図である。

【図９】形成された新しい周期構造（ａ）と等価屈折率
の変調（ｂ）を示す図である。

【図１０】面方位｛111 ｝を持つ半導体基板上に0.5-15
度傾斜した面方位を持つ長周期構造を形成した模式図。

【図１１】図10の長周期構造の上に短周期構造を作製す
る模式図である。

【図１２】図11の一部の拡大模式図である。

【図１３】図12の一部の拡大模式図である。

【図１４】成長方向の異なったステップの積層構造の模
式図である。

【図１５】本発明の実施例１を示す工程図である。

【図１６】各方向からみた成長速度を表す図である。

【図１７】本発明の第２の実施例の回折格子付き導波路
の断面図である。

【図１８】実施例３によって作製した２次元量子井戸レ
−ザを示す模式図である。

【図１９】実施例４によって作製した２次元量子井戸レ
−ザを示す模式図である。

【図２０】実施例５によって作製した量子細線を電界効
果トランジスタ−に応用した図である。

【図２１】（１１１）面から［１１０］方向を回転軸
として５度傾いたＧａＡｓ基板１の表面にレーザー干渉
露光法を利用してグレーテイング２を形成した図であ
る。

【図２２】（１１１）面から［１１０］方向を回転軸
として５度傾いたＧａＡｓ基板１３の表面にレーザー干
渉露光法を利用してグレーテイング１４を形成した図で
ある。

【符号の説明】

１−２１基板１−２２フォトレジスト１−２３レーザビーム１−２４レーザビーム１−２５フォトレジストマスク１−２６周期構造２−２７ＧａＡｓ基板２−２７ａ溝２−２８フォトレジスト３−２９フォトレジスト３−３０基板３−３１ＳｉＮｘ膜３−３２ＳｉＮｘ膜のエッチングマスク３−３３回折格子１０− １傾斜面１０− ３平坦な部分１０− ５基板表面の緩やかなピッチ１０− ６周期構造１１− １傾斜面１１− ３平坦な部分１１− ５基板表面の緩やかなピッチ１１− ６長周期構造に短周期構造が重なった形１１− ７短周期構造１２− ７短周期構造１２− ８半導体膜１２− ９半導体膜１２−１０半導体膜１２−１１段差部分から成る鋸形１３−２１回折格子１３−２２エピタキシャル法による膜１４−３１量子井戸１４−３２積層１４−３３積層１５−１１ＳｉドープのＧａＡｓ傾斜基板１５−１３ＳＱＷ活性層１５−１４ＳｉドープＡｌ_y Ｇａ_1-y Ａｓ１５−１５活性層１５−１６光ガイド層１５−１７回折格子１５−１８Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ１５−１９ＢｅドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ１７−７１ＧａＡｓ傾斜基板１７−７２ＳｉドープＡｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ１７−７３アンドープＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓ１７−７４ＢｅドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ１７−７５２次の回折格子１７−７６周期構造１８−４１基板１８−４２ＳｉドープＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．
５）１８−４３ＳｉドープＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．
１）１８−４４回折格子１８−４５井戸１８−４６井戸１８−４７ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．３）１８−４９光ガイド層１９−６１ＳｉドープＧａＡｓ１９−６２ＳｉドープＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．
５）１９−６３ＳｉドープＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．
１）１９−６４光ガイド層１９−６５キャリアブロック１９−６６バリア、アンドープＡｌＧａＡｓ（Ａｌ
組成０．３）１９−６７アンドープＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．
１）１９−６８バリア１９−６９井戸１９−７０バリア１９−７１井戸１９−７２バリア１９−７３光ガイド層１９−７４クラッド、ＢｅドープＡｌＧａＡｓ２０−８１基板、アンドープＧａＡｓ２０−８２回折格子２０−８３ソース、ドレイン、ゲート２０−８６電極２０−８７量子細線２０−８８電極２０−８９電極２１− １ＧａＡｓ基板２１− ２グレーティング２１− ３ＴＭＧａ分子線およびＴＥＡｌ分子線の
入射方向２１− ４ＡｓＨ３分子線の入射方向２１− ５ＡｌＧａＡｓ層２１− ６テラス２１− ７段差２１− ８ＧａＡｓ井戸領域２１− ９ＡｌＧａＡｓ障壁領域２１−１０ＡｌＧａＡｓ障壁層２１−１１ＧａＡｓキャップ層２１−１２２次元超格子層２２−１３ＧａＡｓ基板２２−１４グレーティング２２−１５ＴＭＧａ分子線およびＴＥＡｌ分子線の
入射方向２２−１６ＡｓＨ３分子線の入射方向２２−１７ＡｌＧａＡｓ層２２−１８テラス２２−１９段差２２−２０ＧａＡｓ井戸領域２２−２１ＡｌＧａＡｓ障壁領域２２−２２ＡｌＧａＡｓ障壁層２２−２３ＧａＡｓキャップ層２２−２４２次元超格子層５１半導体基板５２回折格子５３ノコギリ形状５５回折格子５６ノコギリ形状６１第１の周期構造６２第１の成長層６３第２の周期構造８１ＧａＡｓ８２Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の周期構造を形成してなる半導体基
板上に、第１の周期構造と位相がずれた第２の周期構造
を少なくとも一層以上含んで成ることを特徴とした半導
体装置。
【請求項２】第２の周期構造の周期が第１の周期と一
致する請求項１の半導体装置。
【請求項３】該第２の周期構造が多層膜より形成され
ていることを特徴とした請求項１の半導体装置。
【請求項４】閃亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体で基
板が｛１１１｝面から０．５〜１５°の範囲で傾いた面
方位を少なくとも部分的に持つ半導体基板を用い、該基
板表面に形成された｛１１１｝面とその他の指数を持つ
１つ以上の面から構成されるノコギリ状の第１の周期構
造を形成し、その周期構造の上に面方位によって成長速
度の異なる結晶成長法を用いて、半導体基板の法線とは
一致しない方向へ成長面を進行させて、基板面にそった
第２の新たな周期構造を活性領域の量子細線として利用
した半導体装置。
【請求項５】閃亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体で基
板が｛１１０｝面から０．５〜１５°の範囲で傾いた面
方位を少なくとも部分的に持つ半導体基板を用い、該基
板表面に形成された｛１１０｝面とその他の指数を持つ
１つ以上の面から構成されるノコギリ状の第１の周期構
造を形成し、その周期構造の上に面方位によって成長速
度の異なる結晶成長法を用いて、半導体基板の法線とは
一致しない方向へ成長面を進行させて、基板面にそった
第２の新たな周期構造を活性領域の量子細線として利用
した半導体装置。
【請求項６】請求項４において、該半導体成長法がＭ
ＢＥ法により形成された半導体装置。
【請求項７】請求５項において、該半導体成長法がＭ
ＢＥ法により形成された半導体装置。
【請求項８】請求４項の半導体成長法において、該成
長法の一部または、全部がガス状の供給源料により形成
された半導体装置。
【請求項９】請求項５の半導体成長法において、該成
長法の一部または、全部がガス状の供給源料により形成
された半導体装置。
【請求項１０】閃亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体で
基板が｛１１１｝面から０．５〜１５°の範囲で傾いた
面方位を少なくとも部分的に持つ半導体基板を用い、該
基板表面に形成された｛１１１｝面とその他の指数を持
つ１つ以上の面から構成されるノコギリ状の第１の周期
構造を形成し、その周期構造の上に面方位によって成長
速度の異なる結晶成長法を用いて、半導体基板の法線と
は一致しない方向へ成長面を進行させて、基板面にそっ
た第２の新たな周期構造を形成することを特徴とする回
折格子の形成方法。
【請求項１１】閃亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体で
基板が｛１１０｝面から０．５〜１５°の範囲で傾いた
面方位を少なくとも部分的に持つ半導体基板を用い、該
基板表面に形成された｛１１０｝面とその他の指数を持
つ１つ以上の面から構成されるノコギリ状の第１の周期
構造を形成し、その周期構造の上に面方位によって成長
速度の異なる結晶成長法を用いて、半導体基板の法線と
は一致しない方向へ成長面を進行させて、基板面にそっ
た第２の新たな周期構造を形成することを特徴とする回
折格子の形成方法。
【請求項１２】請求項１０および請求項１１の形成方
法において、第１の周期構造とその上に成長する層の屈
折率が等しい材料を用い、第２の周期構造のみが回折格
子として作用することを特徴とする回折格子形成方法。
【請求項１３】請求項１２の形成方法において、回折
格子が第２の周期構造の整数分の１の周期を持つことを
特徴とする回折格子形成方法。
【請求項１４】請求項１３の形成方法において、気相
の結晶成長方法がＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＧＳＭＢＥ法、
ＭＯＭＢＥ法であることを特徴とする回折格子の形成方
法。
【請求項１５】請求項１４の形成方法において、気相
の結晶成長方法がＭＯＣＶＤ法であることを特徴とする
回折格子形成方法。
【請求項１６】ダイヤモンド型あるいは閃亜鉛鉱型の
結晶構造を有し、かつ｛１１１｝面または｛１１０｝面
の方位から０．５度〜１５度の範囲で傾いた面方位をも
つ半導体基板において、その基板表面に回折格子を形成
し、その回折格子上に固体原料を用いた分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）法または気体原料を用いた分子線エピタ
キシー（ＧＳＭＢＥ）法により半導体結晶を成長させ、
そのうちの少なくとも一種類の分子線の中心方向がその
半導体基板の法線方向から１０度〜８０度の範囲で傾斜
していることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
【請求項１７】上記の結晶成長中に入射分子線の種類
を変えることにより面内方向でエネルギーバンドの変調
構造を形成することを特徴とした半導体結晶の製造方
法。