JPH06244113A - 半導体量子細線の製造方法 - Google Patents

半導体量子細線の製造方法

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JPH06244113A
JPH06244113A JP2641293A JP2641293A JPH06244113A JP H06244113 A JPH06244113 A JP H06244113A JP 2641293 A JP2641293 A JP 2641293A JP 2641293 A JP2641293 A JP 2641293A JP H06244113 A JPH06244113 A JP H06244113A
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誠 嘉数
Naoki Kobayashi
小林  直樹
Hiroaki Ando
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 化合物半導体基板上に量子細線を形成する半
導体量子細線の製造方法を提供する。 【構成】 化合物半導体基板上に量子細線を形成する半
導体量子細線の製造方法において、化合物半導体基板上
に複数の分子層の段差をもつステップを形成する工程
と、(001)面方位のテラスからなる周期的な階段状
構造の半導体層を形成する工程とを少なくとも含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体基板上に量
子細線を形成する半導体量子細線の製造方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】禁制帯幅の小さな半導体(例えばGaA
s)を禁制帯幅の大きな半導体(例えばAlAs)で数
百Å程度に2次元的に閉じ込める構造を量子細線とよば
れている。半導体レーザーの活性層に当該量子細線を用
いると、半導体レーザーのしきい電流がさがり、特性が
向上するという理論的予測があるため、量子細線作製に
関する研究が盛んに行われている。
【0003】ここでは量子細線を有する半導体装置の製
造方法については、従来の技術の代表例として、例えば
GaAs半導体基板上に単分子層(1分子層はGaAs
で2.8Å)の段差を持つステップ(単分子層ステップ)
が等間隔に並んだ表面構造でAlAs、GaAsが成長
することを利用したものを例にして、図6〜8に基づい
て説明する。微傾斜を有する半導体傾斜基板1で傾斜角
度が2度のものを用い、V族と III族の原料ガスの分圧
比を2000という成長条件で有機金属気相成長法でG
aAs緩衝層2の結晶成長を行なった後、表面を原子オ
ーダーで観察すると、成長前の基板表面では不規則な間
隔で並んでいた単分子層ステップ3が、ほぼ等間隔に配
列する(図6(a)参照)。
【0004】つぎに、同じ成長条件で量子細線のバリア
層4としてAlAsを1/2層分供給した後、同様に表
面を観察すると、図6(b)のように、ほぼ等間隔にA
lAs単分子層ステップが並ぶ。つぎに量子細線のウエ
ル層5としてGaAsを1/2層分供給した後、表面を
観察すると、図7(a)のように、ほぼ等間隔にGaA
s単分子層ステップが並んでいる。1/2層分のAlA
sとGaAsの供給を1サイクルとし、それぞれ正確に
1/2層分ずつ供給すると供給後の単分子層ステップ3
−2の先端はちょうど1サイクル前の単原子ステップ3
−1の先端の上にくる(図7(a)参照)。
【0005】さらにこのサイクルを複数回繰り返すこと
によって、図7(b)のような縦型超格子ができる。こ
の縦型超格子を上下からバリア層6,7としてAlAs
で挟むことにより、図8のような量子細線を作製するこ
とができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の量子細
線には次のような欠点があり、その実用化を大きく妨げ
ていた。
【0007】(1)従来の量子細線では、横方向の周期
(Lb2 +Lx2 )(図7(b))は単分子層ステップ
の間隔であり、微傾斜基板1の傾斜角度αで一意に決ま
ってしまう。
【数1】Lb2 +Lx2 =a/2tanα ここで、aは格子定数であり、a/2は単分子層ステッ
プの段差に相当する。例えば前述した従来技術の例にお
ける2度の傾斜角度をもつGaAs微傾斜基板の場合、
上式の右辺a/2tanαは81Åになる。そのため、
2度の微傾斜基板上ではLb2 +Lx2 =81Åの制約
条件をみたす範囲でしかLb2 とLx2 との値を設定す
ることができなかった。そのため横方向の周期の異なる
量子細線を同じ基板上に作製し、異なる波長を制御する
素子を作製することが困難であった。
【0008】(2)従来の量子細線の縦型超格子は、成
長中にあるGa原子とAl原子とが縦方向の異種界面を
越えて横方向に相互拡散してしまうため、組成変化が鈍
ってしまい、横方向の量子閉じ込め効果が十分ではなか
った。
【0009】そこで、本発明の目的は、上述した問題点
を解決し、自由に寸法を制御した量子細線を作製する方
法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る半導体量子細線の製造方法は、化合物半導体基
板上に量子細線を形成する方法において、化合物半導体
基板上に複数の分子層の段差をもつステップを形成する
工程と、(001)面方位のテラスからなる周期的な階
段状構造の半導体層を形成する工程とを少なくとも含む
ことを特徴とする。
【0011】また、上記方法において、化合物基板とし
て(001)面から[−110]方向に3度から36度
に傾斜したGaAs化合物半導体基板を用い、かつ、有
機金属気相成長法におけるV族原料とIII 族原料の分圧
比を2から1000の範囲の有機金属原料を供給するこ
とにより、GaAs基板上に複数の分子層の段差を持つ
ステップを形成する工程と、(001)面方位のテラス
からなる周期的な段階状構造の半導体層を形成する工程
とを含むことを特徴とする。
【0012】すなわち、本発明の量子細線の作製方法は
GaAsの結晶成長条件を選ぶことにより、最初等間隔
に並んでいた単原子ステップを集合させ、ステップバン
チングを起こさせ、複数の分子層の段差を持つマルチス
テップを用いるところに最も大きな特徴をもつ。
【0013】このマルチステップを形成するため(すな
わちステップバンチングする)の成長条件は、(00
1)面方位から[−110]方向に3度から36度に傾
斜した面方位をもつ、化合物半導体からなる基板上に、
有機金属気相成長法(MOCVD法)で、V族/III 族
(以下単に「V/III 」と記す)比を2から1000ま
での範囲、基板温度500度から700度までの範囲で
GaAsを成長する。この結果、マルチステップと(0
01)面方位のテラスとからなる段階構造が形成され、
このマルチステップとテラスとを利用して量子細線を作
製するものである。
【0014】
【外1】
【0015】
【実施例】以下、本発明の好適な一実施例を説明する。
図1にGaAs基板の傾斜角度と成長した後のGaAs
表面のマルチステップの段差の関係を示す。従来の方法
ではV/III 分圧比を2000にしていたのでステップ
の段差は高々単分子層であった。しかし、V/III 分圧
比を1000以下に下げることによって、GaAs表面
に数分子層の段差を持つマルチステップが形成される。
また従来は傾斜角度を2度にとっていたが、傾斜角度を
大きくすることによってマルチステップの段差はさらに
大きくなることが判明した。しかし、基板傾斜角度が大
きすぎると、その表面は白濁し、良好な結晶成長は実現
できない。
【0016】図2は本発明に係る量子細線の工程図を示
している。(001)面から[−110]方向に角度5
度という従来より大きな傾斜角度で傾斜した面方位をも
つ半導体傾斜基板1としてGaAs基板を用い1(図2
(a))、この基板1に有機金属気相成長法(MOCV
D法)でGaAsを成長させる。
【0017】次に、基板温度600度、V/III 比は8
0という従来の方法より低い分圧比で緩衝層2であるG
aAsを成長させると、基板1上では不規則に並んでい
た単分子層ステップが集合し、すなわちステップバンチ
ングを起こし、図2(b)のように、(001)面方位
のテラスと20分子層の段差(55Å)を持つマルチス
テップ8からなる階段構造になる。
【0018】図2(b)で示したマルチステップ8は傾
斜に垂直な方向に(図では紙面に垂直な方向に直線的に
伸びている。次に同じ条件で量子細線のバリア層4であ
るAlAsを成長させると、AlAsは下地のマルチス
テップ形状をなぞるように一様な厚さで成長するので、
図2(c)に示すような構造ができる。
【0019】次に量子細線のウエル層5であるGaAs
を成長させるとGaAsはマルチステップからテラス上
を横方向に成長するので図3(a)のような構造にな
る。次に再びバリア層3であるAlAsを成長させる
と、図3(b)のようになり、量子細線のウエル層5で
あるGaAsを2次元的に囲むことができ量子細線が完
成する。
【0020】本発明における量子細線の横方向の寸法L
1 はウエル層5としてのGaAsのマルチステップが
横方向に成長する時間のみで決まり、成長中に自由に変
えることができる(図3(c)参照)。量子細線の縦方
向の寸法LY1 はマルチステップの段差で決まり、図1
からV/III 比の値により例えば、10分子層から35
分子層ステップに制御することができる。また量子細線
のバリア層の厚さLb 1 はAlAs3バリア層の成長時
間のみで決まる。
【0021】以上の説明は、供給したGaAs分子すべ
てがマルチステップに付着し横方向に成長するという理
想的な場合で説明した。実際には、GaAs分子の大部
分はマルチステップに付着することを実験より明らかに
しているが、下のテラスに付着しAlAs分子のように
成長するGaAs分子も一部分だが存在する。しかし、
そのような場合であってもそれが本発明に含まれること
はいうまでもない。
【0022】本発明の多重量子細線の構造図を図4に示
す。本発明の量子細線は図2,図3に示した方法によ
り、複数に重ね合わせて多重に作ることは可能であり、
構造上何段でも重ねあわせることができる。また表面は
巨視的に平面であり、半導体素子の作製が容易である。
【0023】図5(a)は本発明による多重量子細線の
断面を透過型電子顕微鏡で観察した顕微鏡写真の模式図
であり、図5(b)はその要部拡大図である。観察の倍
率は38万倍である。観察資料は基板傾斜角5度、Ga
As量子細線11の縦方向の寸法が約55Å(20分子
層),横方向の寸法は約400Åである。AlAsバリ
ア層12の厚さは約40Åである。GaAsは全体的に
約40Å分供給した。GaAs層がAlAs層に縦方向
のみならず横方向にも閉じ込められており、GaAs多
重量子細線が実現できていることがわかる。この例で
は、GaAsを40Å分供給し、実施例より成長時間を
長くしたために、GaAsマルチステップ13端が下の
AlAs(001)面テラス14の端までほぼ達してい
るが、GaAsの成長時間を短く(供給量を少なく)す
ることによって、量子細線の横方向の寸法をさらに小さ
くすることができる。尚、図5(a)中、符号15は表
面を図示している。
【0024】図2(a)の工程図では基板1表面で単分
子ステップが並んでいる場合を示したが、基板表面が単
分子ステップでない不規則表面でも、図2(b)の緩衝
層2の表面でマルチステップとテラスが形成できる。
【0025】以上、本発明の応用例としては、量子細線
を含む半導体素子なら何れであっても適用が容易であ
り、例えば半導体レーザー、電界効果トランジスターな
どにも適用できることはいうまでもない。またステップ
バンチングをおこす半導体材料なら、GaInP/Ga
As,GaInAs/InP等のIII-V 族化合物、Zn
Se/ZnCdSe等のII-VI 族化合物、さらにSi基
板上のSiGe等の材料でも適用できるのは明らかであ
る。
【0026】
【発明の効果】本発明のステップバンチングを利用した
半導体量子細線の製造方法は所望の寸法を有する半導体
量子細線を制御性良く製造できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】基板の傾斜角度と成長したGaAsのステップ
の段差との関係を示す特性図である。
【図2】本発明に係る量子細線の工程図である。
【図3】本発明に係る量子細線の工程図である。
【図4】本発明に係る量子細線を多重量子細線に応用し
た例の構造図である。
【図5】本発明の多重量子細線の断面電子顕微鏡写真の
模式図である。
【図6】従来の方法で作製した量子細線の工程図であ
る。
【図7】従来の方法で作製した量子細線の工程図であ
る。
【図8】従来の方法で作製した量子細線の工程図であ
る。
【符号の説明】
1 半導体傾斜基板 2 緩衝層 3 単分子層ステップ 4 量子細線のバリア層 5 量子細線のウエル層 6 下のバリア層 7 上のバリア層 8 マルチステップ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化合物半導体基板上に量子細線を形成す
    る半導体量子細線の製造方法において、化合物半導体基
    板上に複数の分子層の段差をもつステップを形成する工
    程と、(001)面方位のテラスからなる周期的な階段
    状構造の半導体層を形成する工程とを少なくとも含むこ
    とを特徴とする半導体量子細線の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、化合物基板として
    (001)面から[−110]方向に3度から36度に
    傾斜したGaAs化合物半導体基板を用い、かつ、有機
    金属気相成長法におけるV族原料とIII 族原料との分圧
    比を2から1000の範囲の有機金属原料を供給するこ
    とにより、GaAs基板上に複数の分子層の段差を持つ
    ステップを形成する工程と、(001)面方位のテラス
    からなる周期的な段階状構造の半導体層を形成する工程
    とを含むことを特徴とする半導体量子細線の製造方法。
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