JPH0888345A - ３次元量子閉じ込めを利用した半導体装置 - Google Patents
３次元量子閉じ込めを利用した半導体装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 比較的簡便な製造工程で作製できる量子箱構
造を有する半導体装置を提供する。 【構成】 単結晶を成長可能な半導体表面と、前記半導
体表面の上に、ほぼ全面にエピタキシャル成長されたＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の領域、及び第１
の領域とは構成元素の組成比が異なり、前記第１の領域
の中に散点状に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体か
らなる第２の領域とから構成され、前記第２の領域の無
歪時の格子定数と前記半導体表面の格子定数とは異な
り、その差は、前記第１の領域の無歪時の格子定数と前
記半導体表面の格子定数との差よりも大きい第１の半導
体層とを有する。
造を有する半導体装置を提供する。 【構成】 単結晶を成長可能な半導体表面と、前記半導
体表面の上に、ほぼ全面にエピタキシャル成長されたＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の領域、及び第１
の領域とは構成元素の組成比が異なり、前記第１の領域
の中に散点状に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体か
らなる第２の領域とから構成され、前記第２の領域の無
歪時の格子定数と前記半導体表面の格子定数とは異な
り、その差は、前記第１の領域の無歪時の格子定数と前
記半導体表面の格子定数との差よりも大きい第１の半導
体層とを有する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、特
に、３次元的に量子閉じ込めを行う量子箱構造により量
子力学的効果を有する半導体装置に関する。
に、３次元的に量子閉じ込めを行う量子箱構造により量
子力学的効果を有する半導体装置に関する。
【０００２】半導体プロセスの進歩に伴い、半導体装置
の作製にナノスケールの薄膜成長技術、微細加工技術が
利用されるようになった。この薄膜成長技術、微細加工
技術によって回路の集積度を上げ、量子力学的効果を利
用した歪量子井戸レーザ等を実用化してきた。
の作製にナノスケールの薄膜成長技術、微細加工技術が
利用されるようになった。この薄膜成長技術、微細加工
技術によって回路の集積度を上げ、量子力学的効果を利
用した歪量子井戸レーザ等を実用化してきた。
【０００３】
【従来の技術】従来の半導体装置は、フォトリソグラフ
ィ技術による微細加工の限界や、多くの電子が移動する
ために生じる発熱により、集積度の限界が指摘されてい
る。また、半導体レーザの特性に対する要求も厳しくな
っており、近年では大きな温度変化に対して安定動作可
能な半導体レーザが要求されている。歪量子井戸レーザ
では、この厳しい要求に応えることは困難である。
ィ技術による微細加工の限界や、多くの電子が移動する
ために生じる発熱により、集積度の限界が指摘されてい
る。また、半導体レーザの特性に対する要求も厳しくな
っており、近年では大きな温度変化に対して安定動作可
能な半導体レーザが要求されている。歪量子井戸レーザ
では、この厳しい要求に応えることは困難である。
【０００４】これらの要求は、理論的に、３次元的に量
子閉じ込めを行う量子箱構造により解決されるものと考
えられている。１つの量子箱の中には電子が２個（場合
によっては数個）しか入ることができない。その状態密
度は、理想的にはデルタ関数的に、ある波数ベクトルに
局在する。例えば、光半導体装置においては、そのデル
タ関数的状態密度によって高効率の光変調器の作製が可
能になる。半導体レーザについても、キャリアの温度分
布が抑制されるため微分利得が向上して温度特性が改善
できると考えられる。
子閉じ込めを行う量子箱構造により解決されるものと考
えられている。１つの量子箱の中には電子が２個（場合
によっては数個）しか入ることができない。その状態密
度は、理想的にはデルタ関数的に、ある波数ベクトルに
局在する。例えば、光半導体装置においては、そのデル
タ関数的状態密度によって高効率の光変調器の作製が可
能になる。半導体レーザについても、キャリアの温度分
布が抑制されるため微分利得が向上して温度特性が改善
できると考えられる。
【０００５】量子箱構造を実現する方法として、従来の
微細加工技術をさらに発展させた各種の方法が提案され
ている。例えば、電子線を用いたリソグラフィによる方
法、マスクパターン上に積み上げたピラミッド型の結晶
の頂上付近を量子箱構造とする方法、微傾斜基板上にお
ける成長初期の横方向成長を利用する方法、ＳＴＭ技術
を応用した原子マニピュレーションによる方法等であ
る。
微細加工技術をさらに発展させた各種の方法が提案され
ている。例えば、電子線を用いたリソグラフィによる方
法、マスクパターン上に積み上げたピラミッド型の結晶
の頂上付近を量子箱構造とする方法、微傾斜基板上にお
ける成長初期の横方向成長を利用する方法、ＳＴＭ技術
を応用した原子マニピュレーションによる方法等であ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】量子箱構造特有の量子
力学的効果を生かすためには、量子箱のサイズを原子ス
ケールまで均一化することが重要となる。しかし、従来
の微細加工技術を発展させた量子箱の形成方法では、人
為的に結晶を加工するため、加工サイズのばらつきを原
子スケールまで抑えることが困難である。
力学的効果を生かすためには、量子箱のサイズを原子ス
ケールまで均一化することが重要となる。しかし、従来
の微細加工技術を発展させた量子箱の形成方法では、人
為的に結晶を加工するため、加工サイズのばらつきを原
子スケールまで抑えることが困難である。
【０００７】また、装置が複雑となり、多段階の加工プ
ロセスが必要であるため、工業的生産に適さない。さら
に、多段階の加工プロセスにより、不純物の混入、転
位、原子空孔等の結晶欠陥の発生等による結晶品質の低
下が避けられない。
ロセスが必要であるため、工業的生産に適さない。さら
に、多段階の加工プロセスにより、不純物の混入、転
位、原子空孔等の結晶欠陥の発生等による結晶品質の低
下が避けられない。
【０００８】本発明の目的は、比較的簡便な製造工程で
作製できる量子箱構造を有する半導体装置を提供するこ
とである。
作製できる量子箱構造を有する半導体装置を提供するこ
とである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
単結晶を成長可能な半導体表面と、前記半導体表面の上
に、ほぼ全面にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体からなる第１の領域、及び第１の領域とは
構成元素の組成比が異なり、前記第１の領域の中に散点
状に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２
の領域とから構成され、前記第２の領域の無歪時の格子
定数と前記半導体表面の格子定数とは異なり、その差
は、前記第１の領域の無歪時の格子定数と前記半導体表
面の格子定数との差よりも大きい第１の半導体層とを有
する。
単結晶を成長可能な半導体表面と、前記半導体表面の上
に、ほぼ全面にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体からなる第１の領域、及び第１の領域とは
構成元素の組成比が異なり、前記第１の領域の中に散点
状に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２
の領域とから構成され、前記第２の領域の無歪時の格子
定数と前記半導体表面の格子定数とは異なり、その差
は、前記第１の領域の無歪時の格子定数と前記半導体表
面の格子定数との差よりも大きい第１の半導体層とを有
する。
【００１０】上記第１の半導体層の厚さを、２〜４０ｎ
ｍとすることが好ましく、上記第２の領域は、厚さ方向
に押しつぶされた偏平球状であり、その高さは、前記第
１の半導体層の厚さとほぼ等しい。
ｍとすることが好ましく、上記第２の領域は、厚さ方向
に押しつぶされた偏平球状であり、その高さは、前記第
１の半導体層の厚さとほぼ等しい。
【００１１】前記第１の半導体層を、ＩＩＩ族元素とし
てＩｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とし、前記第２
の領域のＩＩＩ族元素全体に対するＩｎのモル組成比
は、約０．７以下であり、かつ前記第１の領域のそれよ
りも約０．２以上大きくなるようにしてもよい。
てＩｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とし、前記第２
の領域のＩＩＩ族元素全体に対するＩｎのモル組成比
は、約０．７以下であり、かつ前記第１の領域のそれよ
りも約０．２以上大きくなるようにしてもよい。
【００１２】さらに、前記第１の半導体層の上に、前記
半導体表面と格子定数がほぼ等しい第２の半導体層を形
成してもよい。さらに、上面を有する基板を準備し、前
記半導体基板の上に前記半導体表面を有する第３の半導
体層をエピタキシャル成長してもよい。
半導体表面と格子定数がほぼ等しい第２の半導体層を形
成してもよい。さらに、上面を有する基板を準備し、前
記半導体基板の上に前記半導体表面を有する第３の半導
体層をエピタキシャル成長してもよい。
【００１３】前記第３の半導体層を、無歪時における格
子定数が、前記半導体基板の上面の格子定数と異なるよ
うな材料とし、前記第３の半導体層において、上方部分
が下方部分よりも歪が緩和されるようにしてもよい。
子定数が、前記半導体基板の上面の格子定数と異なるよ
うな材料とし、前記第３の半導体層において、上方部分
が下方部分よりも歪が緩和されるようにしてもよい。
【００１４】さらに、前記第３の半導体層と前記第１の
半導体層との間に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
からなる第１のスペーサ層を形成し、前記第２の領域の
無歪時の格子定数と前記第１のスペーサ層の無歪時の格
子定数との差が、前記第２の領域の無歪時の格子定数と
前記半導体表面の格子定数との差よりも大きくなるよう
にしてもよい。
半導体層との間に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
からなる第１のスペーサ層を形成し、前記第２の領域の
無歪時の格子定数と前記第１のスペーサ層の無歪時の格
子定数との差が、前記第２の領域の無歪時の格子定数と
前記半導体表面の格子定数との差よりも大きくなるよう
にしてもよい。
【００１５】さらに、前記第１の半導体層の上面上に直
接形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の
スペーサ層を形成し、前記第２の領域の無歪時の格子定
数と前記第２のスペーサ層の無歪時の格子定数との差
は、前記第２の領域の無歪時の格子定数と前記半導体表
面の格子定数との差よりも大きくなるようにしてもよ
い。
接形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の
スペーサ層を形成し、前記第２の領域の無歪時の格子定
数と前記第２のスペーサ層の無歪時の格子定数との差
は、前記第２の領域の無歪時の格子定数と前記半導体表
面の格子定数との差よりも大きくなるようにしてもよ
い。
【００１６】前記第１及び第２のスペーサ層の厚さは、
２ｎｍ以上であることが好ましい。
２ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
【作用】下地の半導体表面上に、格子整合しないＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体を所定の条件でエピタキシャル成長
すると、歪が局所的に集中し、比較的歪の少ない領域の
中に歪の大きな微小領域が散点状に形成される。この微
小領域のエネルギギャップが周辺領域のエネルギギャッ
プよりも小さければ、微小領域は、３次元的に量子閉じ
込めを行う量子箱となる。
−Ｖ族化合物半導体を所定の条件でエピタキシャル成長
すると、歪が局所的に集中し、比較的歪の少ない領域の
中に歪の大きな微小領域が散点状に形成される。この微
小領域のエネルギギャップが周辺領域のエネルギギャッ
プよりも小さければ、微小領域は、３次元的に量子閉じ
込めを行う量子箱となる。
【００１８】この微小領域は、厚さ方向に押しつぶされ
た偏平球状になる。これは、歪エネルギがなるべく小さ
くなるようにエピタキシャル成長するためと考えられ
る。量子箱を有する半導体層を、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体とすると、歪が集中した微小領域のＩｎ
のモル組成比は、約０．７以下であり、かつ周辺領域の
それよりも約０．２以上大きくなる。Ｉｎ組成の多い領
域は、Ｉｎ組成の少ない領域よりもエネルギギャップが
小さいため、この微小領域は量子箱となる。
た偏平球状になる。これは、歪エネルギがなるべく小さ
くなるようにエピタキシャル成長するためと考えられ
る。量子箱を有する半導体層を、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体とすると、歪が集中した微小領域のＩｎ
のモル組成比は、約０．７以下であり、かつ周辺領域の
それよりも約０．２以上大きくなる。Ｉｎ組成の多い領
域は、Ｉｎ組成の少ない領域よりもエネルギギャップが
小さいため、この微小領域は量子箱となる。
【００１９】半導体基板の上にバッファ層を形成し、こ
のバッファ層上に量子箱を有する半導体層を形成しても
よい。このとき、バッファ層の組成を変えることにより
量子箱からのＰＬ発光波長を変えることができる。
のバッファ層上に量子箱を有する半導体層を形成しても
よい。このとき、バッファ層の組成を変えることにより
量子箱からのＰＬ発光波長を変えることができる。
【００２０】また、バッファ層上面の歪を緩和すること
により、量子箱からのＰＬ発光強度を大きくすることが
できる。バッファ層と量子箱を有する半導体層との間
に、量子箱とバッファ層との格子不整合をより大きくす
るようなスペーサ層を形成することにより、量子箱をよ
り多く形成することができる。スペーサ層の厚さを２ｎ
ｍ以上にすることにより、量子箱からの発光強度を特に
大きくすることができる。
により、量子箱からのＰＬ発光強度を大きくすることが
できる。バッファ層と量子箱を有する半導体層との間
に、量子箱とバッファ層との格子不整合をより大きくす
るようなスペーサ層を形成することにより、量子箱をよ
り多く形成することができる。スペーサ層の厚さを２ｎ
ｍ以上にすることにより、量子箱からの発光強度を特に
大きくすることができる。
【００２１】
【実施例】図１〜図９を参照して本発明の第１の実施例
について説明する。図１は、第１の実施例による半導体
装置の積層構造を示す。ＧａＡｓ基板１上にＧａＡｓバ
ッファ層２、散点状に配置された量子箱５を有するＩｎ
ＧａＡｓ層３、及びＧａＡｓキャップ層４がそれぞれエ
ピタキシャル成長されている。このように、量子箱５を
有する層（以下、「量子箱層」と呼ぶ）３が、バッファ
層２、キャップ層４に挟まれた構造とされている。
について説明する。図１は、第１の実施例による半導体
装置の積層構造を示す。ＧａＡｓ基板１上にＧａＡｓバ
ッファ層２、散点状に配置された量子箱５を有するＩｎ
ＧａＡｓ層３、及びＧａＡｓキャップ層４がそれぞれエ
ピタキシャル成長されている。このように、量子箱５を
有する層（以下、「量子箱層」と呼ぶ）３が、バッファ
層２、キャップ層４に挟まれた構造とされている。
【００２２】図２は、図１に示す積層構造を形成するた
めの減圧ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置の概
略を示す。ただし、結晶成長は、原料交互供給で行う。
なお、ＡＬＥ（原子層エピタキシャル成長）で行っても
よい。反応容器１０の下方にガス流路１５が開口し、ガ
ス流路１５から反応容器１０内に反応ガスが導入され
る。反応容器１０内に導入された反応ガスは反応容器１
０の上方に設けられたガス排気管１４から外部に真空排
気される。
めの減圧ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置の概
略を示す。ただし、結晶成長は、原料交互供給で行う。
なお、ＡＬＥ（原子層エピタキシャル成長）で行っても
よい。反応容器１０の下方にガス流路１５が開口し、ガ
ス流路１５から反応容器１０内に反応ガスが導入され
る。反応容器１０内に導入された反応ガスは反応容器１
０の上方に設けられたガス排気管１４から外部に真空排
気される。
【００２３】反応容器１０内にはサセプタ１１が配置さ
れ、ガス流路１５の開口部に対向する位置に基板１が保
持される。反応容器１０の周囲にはサセプタ１１を取り
囲むように高周波コイル１２が配置されており、サセプ
タ１１及び基板１を高周波加熱することができる。
れ、ガス流路１５の開口部に対向する位置に基板１が保
持される。反応容器１０の周囲にはサセプタ１１を取り
囲むように高周波コイル１２が配置されており、サセプ
タ１１及び基板１を高周波加熱することができる。
【００２４】ガス流路２０からガス供給系にキャリアガ
ス及びパージガスとしてＨ2 ガスが供給される。ガス流
路２０から分岐したＨ2 ガス、及びガス流路２０から分
岐しＴＭＩＤＭＥＡ（トリメチルインジウムジメチルエ
チルアミンアダクト）をバブリングしたＨ2 ガスがそれ
ぞれマスフローコントローラＭＦＣを通してガス流路２
１に供給される。
ス及びパージガスとしてＨ2 ガスが供給される。ガス流
路２０から分岐したＨ2 ガス、及びガス流路２０から分
岐しＴＭＩＤＭＥＡ（トリメチルインジウムジメチルエ
チルアミンアダクト）をバブリングしたＨ2 ガスがそれ
ぞれマスフローコントローラＭＦＣを通してガス流路２
１に供給される。
【００２５】同様に、ガス流路２０から分岐したＨ2 ガ
ス、及びＴＭＧ（トリメチルガリウム）をバブリングし
たＨ2 ガスがそれぞれマスフローコントローラＭＦＣを
通してガス流路２２に供給される。
ス、及びＴＭＧ（トリメチルガリウム）をバブリングし
たＨ2 ガスがそれぞれマスフローコントローラＭＦＣを
通してガス流路２２に供給される。
【００２６】ガス流路２１、２２はガス切り換えバルブ
２５の入力側に接続されている。ガス切り換えバルブ２
５の出力側は、反応容器１０に反応ガスを供給するため
のガス流路１５及び排気用ガス流路２７に接続されてい
る。ガス切り換えバルブ２５でガス流路を切り換えるこ
とにより、ガス流路１５にＴＭＩＤＭＥＡを含んだＨ 2
ガスあるいはＴＭＧを含んだＨ2 ガス、またはその両方
を供給することができる。また、両方のガスを排気用ガ
ス流路２７に排気することもできる。
２５の入力側に接続されている。ガス切り換えバルブ２
５の出力側は、反応容器１０に反応ガスを供給するため
のガス流路１５及び排気用ガス流路２７に接続されてい
る。ガス切り換えバルブ２５でガス流路を切り換えるこ
とにより、ガス流路１５にＴＭＩＤＭＥＡを含んだＨ 2
ガスあるいはＴＭＧを含んだＨ2 ガス、またはその両方
を供給することができる。また、両方のガスを排気用ガ
ス流路２７に排気することもできる。
【００２７】ガス流路２０から分岐したＨ2 ガスがマス
フローコントローラＭＦＣを介してガス流路２３に供給
される。また、ガス流路２０から分岐したＨ2 ガス、及
びＡｓＨ3 （アルシン）がそれぞれマスフローコントロ
ーラＭＦＣを通してガス流路２４に供給される。
フローコントローラＭＦＣを介してガス流路２３に供給
される。また、ガス流路２０から分岐したＨ2 ガス、及
びＡｓＨ3 （アルシン）がそれぞれマスフローコントロ
ーラＭＦＣを通してガス流路２４に供給される。
【００２８】ガス流路２３、２４はガス切り換えバルブ
２６の入力側に接続されている。ガス切り換えバルブ２
６の出力側は、ガス切り換えバルブ２５と同様にガス流
路１５及び排気用ガス流路２８に接続されている。ガス
切り換えバルブ２６でガス流路を切り換えることによ
り、ガス流路１５にパージ用Ｈ2 ガスあるいはＡｓＨ3
とＨ2 の混合ガスを供給することができる。
２６の入力側に接続されている。ガス切り換えバルブ２
６の出力側は、ガス切り換えバルブ２５と同様にガス流
路１５及び排気用ガス流路２８に接続されている。ガス
切り換えバルブ２６でガス流路を切り換えることによ
り、ガス流路１５にパージ用Ｈ2 ガスあるいはＡｓＨ3
とＨ2 の混合ガスを供給することができる。
【００２９】次に、図２に示す減圧ＭＯＣＶＤ装置を使
用して図１に示す積層構造を形成する方法について説明
する。まず、ＧａＡｓ基板１をサセプタ１１に保持す
る。パージガスとしてＨ2 ガスを流しながら高周波コイ
ル１２でサセプタ１２を加熱し、基板温度を４６０℃と
する。なお、反応容器１０内の圧力が２０００Ｐａとな
るように排気量を制御する。
用して図１に示す積層構造を形成する方法について説明
する。まず、ＧａＡｓ基板１をサセプタ１１に保持す
る。パージガスとしてＨ2 ガスを流しながら高周波コイ
ル１２でサセプタ１２を加熱し、基板温度を４６０℃と
する。なお、反応容器１０内の圧力が２０００Ｐａとな
るように排気量を制御する。
【００３０】基板温度が４６０℃となったところでＴＭ
Ｇを含むＨ2 ガスを流量２５ｓｃｃｍ、ＡｓＨ3 とＨ2
の混合ガスを流量１００ｓｃｃｍの条件で供給し、厚さ
１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層２をＭＯＣＶＤで堆積
する。
Ｇを含むＨ2 ガスを流量２５ｓｃｃｍ、ＡｓＨ3 とＨ2
の混合ガスを流量１００ｓｃｃｍの条件で供給し、厚さ
１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層２をＭＯＣＶＤで堆積
する。
【００３１】次に、ＴＭＩＤＭＥＡ、ＴＭＧ及びＡｓＨ
3 を時間的に切り換えて供給し、厚さ７ｎｍのＩｎＧａ
Ａｓ量子箱層３を堆積する。図３は、ＴＭＩＤＭＥＡ、
ＴＭＧ及びＡｓＨ3 の供給のタイムチャートを示す。ま
ず、Ｈ2 ガスを０．５秒間流し反応容器１０内をパージ
する。続いて、ＴＭＩＤＭＥＡをバブリングしたＨ2 ガ
スを流量２００ｓｃｃｍの条件で１．０秒間、続いてＴ
ＭＧをバブリングしたＨ2 ガスを流量３５ｓｃｃｍの条
件で０．１秒間供給する。Ｈ2 ガスを０．５秒間供給し
反応容器１０内をパージする。続いて、ＡｓＨ3 とＨ2
の混合ガスを流量４００ｓｃｃｍの条件で１０秒間供給
する。
3 を時間的に切り換えて供給し、厚さ７ｎｍのＩｎＧａ
Ａｓ量子箱層３を堆積する。図３は、ＴＭＩＤＭＥＡ、
ＴＭＧ及びＡｓＨ3 の供給のタイムチャートを示す。ま
ず、Ｈ2 ガスを０．５秒間流し反応容器１０内をパージ
する。続いて、ＴＭＩＤＭＥＡをバブリングしたＨ2 ガ
スを流量２００ｓｃｃｍの条件で１．０秒間、続いてＴ
ＭＧをバブリングしたＨ2 ガスを流量３５ｓｃｃｍの条
件で０．１秒間供給する。Ｈ2 ガスを０．５秒間供給し
反応容器１０内をパージする。続いて、ＡｓＨ3 とＨ2
の混合ガスを流量４００ｓｃｃｍの条件で１０秒間供給
する。
【００３２】上記ガス供給シーケンスを１サイクルとし
てガス供給を１２サイクル繰り返す。続いて、ＧａＡｓ
２の形成と同一の条件で厚さ１００ｎｍのＧａＡｓキャ
ップ層４をＭＯＣＶＤで堆積する。なお、有機金属材料
として他の原料ガスを用いることも可能である。
てガス供給を１２サイクル繰り返す。続いて、ＧａＡｓ
２の形成と同一の条件で厚さ１００ｎｍのＧａＡｓキャ
ップ層４をＭＯＣＶＤで堆積する。なお、有機金属材料
として他の原料ガスを用いることも可能である。
【００３３】図３では、Ｉｎ原料、Ｇａ原料、Ａｓ原料
をこの順番で供給する場合について示したが、その他の
順番で供給してもよい。例えば、Ｇａ原料とＩｎ原料を
供給する順番を逆にしてもよい。また、Ｉｎ原料の供給
とＧａ原料の供給の間にさらにＡｓ原料を供給してもよ
い。
をこの順番で供給する場合について示したが、その他の
順番で供給してもよい。例えば、Ｇａ原料とＩｎ原料を
供給する順番を逆にしてもよい。また、Ｉｎ原料の供給
とＧａ原料の供給の間にさらにＡｓ原料を供給してもよ
い。
【００３４】また、図３では、Ｇａ原料の供給からＡｓ
原料の供給への切替え時及びＡｓ原料の供給からＩｎ原
料の供給への切替え時にパージ用の水素ガスを供給する
場合について示したが、他の原料切り替え時にパージ用
の水素ガスを供給してもよい。
原料の供給への切替え時及びＡｓ原料の供給からＩｎ原
料の供給への切替え時にパージ用の水素ガスを供給する
場合について示したが、他の原料切り替え時にパージ用
の水素ガスを供給してもよい。
【００３５】また、上記実施例では、ガス供給サイクル
を１２回繰り返す場合について説明したが、１２回に限
らない。なお、ガス供給サイクルを６回以上繰り返すこ
とが好ましく、さらには１０〜２４回繰り返すことが好
ましい。
を１２回繰り返す場合について説明したが、１２回に限
らない。なお、ガス供給サイクルを６回以上繰り返すこ
とが好ましく、さらには１０〜２４回繰り返すことが好
ましい。
【００３６】また、上記実施例では、量子箱層の成長温
度を４６０℃とした場合について説明したが、その他の
温度としてもよい。例えば、成長温度を２５０℃〜６０
０℃、より好ましくは４２０℃〜５００℃としてもよ
い。
度を４６０℃とした場合について説明したが、その他の
温度としてもよい。例えば、成長温度を２５０℃〜６０
０℃、より好ましくは４２０℃〜５００℃としてもよ
い。
【００３７】図４は、図３に示す条件で堆積したＩｎＧ
ａＡｓ量子箱層３の平面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写
真を示す。Ｉｎをほとんど含んでいないＩｎＧａＡｓ領
域にＩｎ組成の多い直径が約１０ｎｍ程度の島状の領域
が散点状に形成されている。Ｉｎをほとんど含んでいな
いＩｎＧａＡｓ領域とＩｎ組成の多い島状領域に転位等
の欠陥は発生していない。
ａＡｓ量子箱層３の平面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写
真を示す。Ｉｎをほとんど含んでいないＩｎＧａＡｓ領
域にＩｎ組成の多い直径が約１０ｎｍ程度の島状の領域
が散点状に形成されている。Ｉｎをほとんど含んでいな
いＩｎＧａＡｓ領域とＩｎ組成の多い島状領域に転位等
の欠陥は発生していない。
【００３８】図５は、ＩｎＧａＡｓ量子箱層３の断面の
ＴＥＭ写真を示す。Ｉｎ組成の多い島状領域は、ＩｎＧ
ａＡｓ量子箱層３の厚さ方向に押しつぶされた偏平球状
であることがわかる。
ＴＥＭ写真を示す。Ｉｎ組成の多い島状領域は、ＩｎＧ
ａＡｓ量子箱層３の厚さ方向に押しつぶされた偏平球状
であることがわかる。
【００３９】図４に示すようにＩｎ組成の多い島状領域
が散点状に形成される理由は、以下のように考察され
る。ＴＭＩＤＭＥＡ、ＴＭＧ、及びＡｓＨ3 を時間的に
分割して供給すると、通常、形成されるＩｎＧａＡｓは
各構成元素の原料ガスの供給時間等によって特定される
Ｉｎ組成となる。
が散点状に形成される理由は、以下のように考察され
る。ＴＭＩＤＭＥＡ、ＴＭＧ、及びＡｓＨ3 を時間的に
分割して供給すると、通常、形成されるＩｎＧａＡｓは
各構成元素の原料ガスの供給時間等によって特定される
Ｉｎ組成となる。
【００４０】ＧａＡｓバッファ層の上にＩｎＧａＡｓを
堆積する場合に、全面にＩｎ組成が均一のＩｎＧａＡｓ
層が形成されるとすると、格子不整合のためＩｎＧａＡ
ｓ層に面内方向の歪が発生する。このようにＩｎＧａＡ
ｓ層全面に歪が発生するよりも、広い領域で下地のＧａ
Ａｓバッファ層と格子定数がほぼ整合するＩｎ組成の少
ない領域が形成され、局所的にＩｎ組成の多い領域が散
点状に形成される方が歪エネルギが低くなると考えられ
る。また、このＩｎ組成が多い領域が球状に近いほど歪
エネルギが低くなると考えられる。
堆積する場合に、全面にＩｎ組成が均一のＩｎＧａＡｓ
層が形成されるとすると、格子不整合のためＩｎＧａＡ
ｓ層に面内方向の歪が発生する。このようにＩｎＧａＡ
ｓ層全面に歪が発生するよりも、広い領域で下地のＧａ
Ａｓバッファ層と格子定数がほぼ整合するＩｎ組成の少
ない領域が形成され、局所的にＩｎ組成の多い領域が散
点状に形成される方が歪エネルギが低くなると考えられ
る。また、このＩｎ組成が多い領域が球状に近いほど歪
エネルギが低くなると考えられる。
【００４１】上記のような理由から、図４に示すように
Ｉｎ組成の少ない領域の中にＩｎ組成の多い島状領域が
散点状に形成されると考えられる。このＩｎ組成の多い
島状領域は、周囲のＩｎ組成の少ない領域及び上下のＧ
ａＡｓバッファ層及びＧａＡｓキャップ層に比べてエネ
ルギギャップが小さいため、キャリアに対して３次元的
なポテンシャル井戸として働く。このようにして量子箱
構造が形成される。
Ｉｎ組成の少ない領域の中にＩｎ組成の多い島状領域が
散点状に形成されると考えられる。このＩｎ組成の多い
島状領域は、周囲のＩｎ組成の少ない領域及び上下のＧ
ａＡｓバッファ層及びＧａＡｓキャップ層に比べてエネ
ルギギャップが小さいため、キャリアに対して３次元的
なポテンシャル井戸として働く。このようにして量子箱
構造が形成される。
【００４２】半導体表面上に、格子不整合な半導体層を
エピタキシャル成長すると、半導体層が均一な組成の場
合には、臨界厚以上の厚さの半導体層を形成することは
できない。上記実施例のように、エピタキシャル成長し
た膜が均一な組成ではなく、膜中に量子箱が散点状に形
成されることにより、格子不整合の程度から予測される
臨界厚以上の厚さの膜をエピタキシャル成長することが
できる。
エピタキシャル成長すると、半導体層が均一な組成の場
合には、臨界厚以上の厚さの半導体層を形成することは
できない。上記実施例のように、エピタキシャル成長し
た膜が均一な組成ではなく、膜中に量子箱が散点状に形
成されることにより、格子不整合の程度から予測される
臨界厚以上の厚さの膜をエピタキシャル成長することが
できる。
【００４３】図６は、図１に示す量子箱５からの室温に
おけるＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルを示
す。励起光としては、クリプトンガスレーザを使用し
た。横軸は、波長を単位μｍで表し、縦軸はＰＬ強度を
相対目盛りで表す。室温でＰＬ発光が観測できること
は、量子箱を有する積層構造中に非発光中心となりうる
ような結晶欠陥が少く、この積層構造が結晶的に優れて
いることを示している。
おけるＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルを示
す。励起光としては、クリプトンガスレーザを使用し
た。横軸は、波長を単位μｍで表し、縦軸はＰＬ強度を
相対目盛りで表す。室温でＰＬ発光が観測できること
は、量子箱を有する積層構造中に非発光中心となりうる
ような結晶欠陥が少く、この積層構造が結晶的に優れて
いることを示している。
【００４４】波長約１．３３μｍの位置にＰＬ強度のピ
ークがある。ＩｎＧａＡｓ量子箱層３における光吸収係
数を測定したところ、波長約１．３３μｍのところに吸
収端が現れた。このことから、図６に示す波長１．３３
μｍ近傍のＰＬは、バンド間の準位を介して発光してい
るのではなく、バンド端の遷移による発光であると考え
られる。
ークがある。ＩｎＧａＡｓ量子箱層３における光吸収係
数を測定したところ、波長約１．３３μｍのところに吸
収端が現れた。このことから、図６に示す波長１．３３
μｍ近傍のＰＬは、バンド間の準位を介して発光してい
るのではなく、バンド端の遷移による発光であると考え
られる。
【００４５】また、ＥＤＸ（エネルギ分散Ｘ線解析）に
より測定した量子箱５とＩｎＧａＡｓ量子箱層３の量子
箱５以外の領域とのＩｎ組成から、波長１．３３μｍの
ＰＬは量子箱５からの発光であると考えることができ
る。
より測定した量子箱５とＩｎＧａＡｓ量子箱層３の量子
箱５以外の領域とのＩｎ組成から、波長１．３３μｍの
ＰＬは量子箱５からの発光であると考えることができ
る。
【００４６】このような量子箱が形成される現象は、下
地表面に格子整合しない組成の膜をエピタキシャル成長
する場合に現れると考えられる。従って、図１に示すＧ
ａＡｓバッファ層２の代わりにＩｎx Ｇａ1-x Ａｓバッ
ファ層を使用し、この上にＩｎ組成の異なるＩｎＧａＡ
ｓ層を成長する場合にも量子箱が形成されると考えられ
る。なお、この場合には、ＧａＡｓキャップ層４の代わ
りにＩｎx Ｇａ1-x Ａｓキャップ層を使用する。
地表面に格子整合しない組成の膜をエピタキシャル成長
する場合に現れると考えられる。従って、図１に示すＧ
ａＡｓバッファ層２の代わりにＩｎx Ｇａ1-x Ａｓバッ
ファ層を使用し、この上にＩｎ組成の異なるＩｎＧａＡ
ｓ層を成長する場合にも量子箱が形成されると考えられ
る。なお、この場合には、ＧａＡｓキャップ層４の代わ
りにＩｎx Ｇａ1-x Ａｓキャップ層を使用する。
【００４７】図７（Ａ）は、図１のＧａＡｓバッファ層
２及びＧａＡｓキャップ層４の代わりにＩｎx Ｇａ1-x
Ａｓバッファ層２ａ及びＩｎx Ｇａ1-x Ａｓキャップ層
４ａを使用した構成を示す。図７（Ｂ）は、ＩｎＧａＡ
ｓバッファ層２ａ及びＩｎＧａＡｓキャップ層４ａのＩ
ｎ組成ｘを変化させたときのＰＬ発光波長の変化を示
す。横軸はＩｎ組成を表し、縦軸は発光波長を単位μｍ
で表す。ＩｎＧａＡｓ量子箱層は、図１の場合と同様の
条件で形成した。
２及びＧａＡｓキャップ層４の代わりにＩｎx Ｇａ1-x
Ａｓバッファ層２ａ及びＩｎx Ｇａ1-x Ａｓキャップ層
４ａを使用した構成を示す。図７（Ｂ）は、ＩｎＧａＡ
ｓバッファ層２ａ及びＩｎＧａＡｓキャップ層４ａのＩ
ｎ組成ｘを変化させたときのＰＬ発光波長の変化を示
す。横軸はＩｎ組成を表し、縦軸は発光波長を単位μｍ
で表す。ＩｎＧａＡｓ量子箱層は、図１の場合と同様の
条件で形成した。
【００４８】Ｉｎ組成が０のとき、すなわちバッファ層
及びキャップ層がＧａＡｓのときは、発光波長は１．３
μｍである。Ｉｎ組成が増加するに従って発光波長は長
くなり、Ｉｎ組成が０．０９のとき発光波長は約１．４
５μｍとなる。これは、バッファ層及びキャップ層のＩ
ｎ組成を変化させることにより発光波長を制御できるこ
とを示している。
及びキャップ層がＧａＡｓのときは、発光波長は１．３
μｍである。Ｉｎ組成が増加するに従って発光波長は長
くなり、Ｉｎ組成が０．０９のとき発光波長は約１．４
５μｍとなる。これは、バッファ層及びキャップ層のＩ
ｎ組成を変化させることにより発光波長を制御できるこ
とを示している。
【００４９】図１〜図７では、ＧａＡｓバッファ層及び
キャップ層の厚さが１００ｎｍである場合について説明
したが、バッファ層及びキャップ層の厚さを変化させて
もよい。結晶中の歪みは、結晶内部に転位が生じること
によって緩和する。従って、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａ
Ａｓバッファ層を成長させる場合に、バッファ層の厚さ
を厚くすることにより転位を発生させ、歪みを緩和する
ことができる。
キャップ層の厚さが１００ｎｍである場合について説明
したが、バッファ層及びキャップ層の厚さを変化させて
もよい。結晶中の歪みは、結晶内部に転位が生じること
によって緩和する。従って、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａ
Ａｓバッファ層を成長させる場合に、バッファ層の厚さ
を厚くすることにより転位を発生させ、歪みを緩和する
ことができる。
【００５０】図８は、バッファ層の歪緩和量を変化させ
たときのＰＬ発光強度の変化を示す。横軸はバッファ層
の歪緩和量を単位％で表し、縦軸はＰＬ発光強度を相対
目盛で表す。ここで、歪緩和量は、基板の格子定数を
ａ、バッファ層上面の格子定数をｂ、無歪時のバッファ
層の格子定数をｂ0 としたとき、 ｜ａ−ｂ｜／｜ａ−ｂ0 ｜ と定義した。歪緩和量は、非対称面のＸ線回折を調べる
ことによって測定した。
たときのＰＬ発光強度の変化を示す。横軸はバッファ層
の歪緩和量を単位％で表し、縦軸はＰＬ発光強度を相対
目盛で表す。ここで、歪緩和量は、基板の格子定数を
ａ、バッファ層上面の格子定数をｂ、無歪時のバッファ
層の格子定数をｂ0 としたとき、 ｜ａ−ｂ｜／｜ａ−ｂ0 ｜ と定義した。歪緩和量は、非対称面のＸ線回折を調べる
ことによって測定した。
【００５１】図中の●、■は、それぞれバッファ層のＩ
ｎ組成が０．０３及び０．０５の場合のＰＬ発光強度を
示す。Ｉｎ組成が０．０３及び０．０５の場合共に、歪
緩和量を大きくするとＰＬ発光強度も大きくなる。これ
は、バッファ層の歪を緩和させることにより量子箱の結
晶性が改善されるためと考えられる。
ｎ組成が０．０３及び０．０５の場合のＰＬ発光強度を
示す。Ｉｎ組成が０．０３及び０．０５の場合共に、歪
緩和量を大きくするとＰＬ発光強度も大きくなる。これ
は、バッファ層の歪を緩和させることにより量子箱の結
晶性が改善されるためと考えられる。
【００５２】また、バッファ層の歪緩和量が等しけれ
ば、バッファ層のＩｎ組成が大きい方がＰＬ発光強度は
強い。上記実施例では、図１に示すＩｎＧａＡｓ量子箱
層３を形成する工程において、図３に示す反応ガス供給
サイクルを１２回繰り返した場合について説明したが、
サイクル数を変えてもよい。
ば、バッファ層のＩｎ組成が大きい方がＰＬ発光強度は
強い。上記実施例では、図１に示すＩｎＧａＡｓ量子箱
層３を形成する工程において、図３に示す反応ガス供給
サイクルを１２回繰り返した場合について説明したが、
サイクル数を変えてもよい。
【００５３】図９は、ＩｎＧａＡｓ量子箱層３を形成す
る工程において、反応ガス供給サイクルのサイクル数を
変えたときのＰＬ発光波長の変化を示す。ＩｎＧａＡｓ
量子箱層３を挟むバッファ層及びキャップ層は、図１と
同様に厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層である。横軸は、反
応ガス供給サイクル数を表し、縦軸は、ＰＬ発光波長を
単位μｍで表す。
る工程において、反応ガス供給サイクルのサイクル数を
変えたときのＰＬ発光波長の変化を示す。ＩｎＧａＡｓ
量子箱層３を挟むバッファ層及びキャップ層は、図１と
同様に厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層である。横軸は、反
応ガス供給サイクル数を表し、縦軸は、ＰＬ発光波長を
単位μｍで表す。
【００５４】反応ガス供給サイクル数が７回のとき、発
光波長は約１．２８μｍである。反応ガス供給サイクル
数を増加するとＰＬ発光波長は次第に長くなり、サイク
ル数を１８回とするとＰＬ発光波長は約１．４４μｍと
なる。
光波長は約１．２８μｍである。反応ガス供給サイクル
数を増加するとＰＬ発光波長は次第に長くなり、サイク
ル数を１８回とするとＰＬ発光波長は約１．４４μｍと
なる。
【００５５】このことから、反応ガス供給サイクル数を
変えることによりＰＬ発光波長を制御できることがわか
る。次に、図１０、図１１を参照して第２の実施例につ
いて説明する。
変えることによりＰＬ発光波長を制御できることがわか
る。次に、図１０、図１１を参照して第２の実施例につ
いて説明する。
【００５６】図１０は、第２の実施例による積層構造を
示す。第１の実施例による積層構造は、量子箱層３の上
下をバッファ層及びキャップ層で挟んだ構造であるが、
第２の実施例による積層構造は、量子箱層３とバッファ
層２ａ、及び量子箱層３とキャップ層４ａとの間にそれ
ぞれＧａＡｓスペーサ層６、７を有する点が異なる。
示す。第１の実施例による積層構造は、量子箱層３の上
下をバッファ層及びキャップ層で挟んだ構造であるが、
第２の実施例による積層構造は、量子箱層３とバッファ
層２ａ、及び量子箱層３とキャップ層４ａとの間にそれ
ぞれＧａＡｓスペーサ層６、７を有する点が異なる。
【００５７】図１１は、ＧａＡｓスペーサ層６、７の厚
さを変えたときのＰＬスペクトルを示す。横軸は波長を
単位μｍで表し、縦軸は発光強度を相対目盛で表す。曲
線ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５は、それぞれスペーサ
層６、７の厚さが０μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４
μｍのときのスペクトルを示す。スペーサ層を設けると
スペーサ層を設けない場合に比べてＰＬ発光強度が増大
し、スペーサ層の厚さを厚くするとＰＬ発光強度がさら
に増大することがわかる。特に、ＧａＡｓスペーサ層の
厚さを２μｍ以上とすると発光強度が著しく改善され
る。
さを変えたときのＰＬスペクトルを示す。横軸は波長を
単位μｍで表し、縦軸は発光強度を相対目盛で表す。曲
線ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５は、それぞれスペーサ
層６、７の厚さが０μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４
μｍのときのスペクトルを示す。スペーサ層を設けると
スペーサ層を設けない場合に比べてＰＬ発光強度が増大
し、スペーサ層の厚さを厚くするとＰＬ発光強度がさら
に増大することがわかる。特に、ＧａＡｓスペーサ層の
厚さを２μｍ以上とすると発光強度が著しく改善され
る。
【００５８】スペーサ層を設けた場合と設けない場合に
ついて、ＩｎＧａＡｓ量子箱層３のＴＥＭによる観察を
行ったところ、スペーサ層を設けた場合には、設けない
場合に比べて量子箱の数が多いことがわかった。また、
スペーサ層を設けていないものは、ＩｎＧａＡｓ量子箱
層３から上下のバッファ層及びキャップ層にＩｎの拡散
が生じていることがわかった。Ｉｎが拡散すると、Ｉｎ
ＧａＡｓ量子箱層３の歪エネルギが低減するため、量子
箱が形成されにくくなるものと考えられる。量子箱層３
とバッファ層２ａ及びキャップ層４ａとの間にそれぞれ
スペーサ層６、７を設けることにより、スペーサ層が拡
散障壁となり、量子箱を形成する原子をその内部に閉じ
込めるため、量子箱が形成されやすくなるものと考えら
れる。
ついて、ＩｎＧａＡｓ量子箱層３のＴＥＭによる観察を
行ったところ、スペーサ層を設けた場合には、設けない
場合に比べて量子箱の数が多いことがわかった。また、
スペーサ層を設けていないものは、ＩｎＧａＡｓ量子箱
層３から上下のバッファ層及びキャップ層にＩｎの拡散
が生じていることがわかった。Ｉｎが拡散すると、Ｉｎ
ＧａＡｓ量子箱層３の歪エネルギが低減するため、量子
箱が形成されにくくなるものと考えられる。量子箱層３
とバッファ層２ａ及びキャップ層４ａとの間にそれぞれ
スペーサ層６、７を設けることにより、スペーサ層が拡
散障壁となり、量子箱を形成する原子をその内部に閉じ
込めるため、量子箱が形成されやすくなるものと考えら
れる。
【００５９】上記考察から、スペーサ層６、７は、バッ
ファ層２ａ及びキャップ層４ａに比べてＩｎ組成の少な
いＩｎＧａＡｓ層であっても同様の効果が得られると考
えられる。バッファ層２よりも量子箱層に対する格子不
整合の大きい結晶をスペーサ層として用いてもよい。
ファ層２ａ及びキャップ層４ａに比べてＩｎ組成の少な
いＩｎＧａＡｓ層であっても同様の効果が得られると考
えられる。バッファ層２よりも量子箱層に対する格子不
整合の大きい結晶をスペーサ層として用いてもよい。
【００６０】次に、図１２、図１３を参照して第３の実
施例について説明する。第１、第２の実施例では、Ｇａ
Ａｓ基板上に量子箱層を有する積層構造を形成する場合
について説明したが、ＧａＡｓ基板に限らず、三元混晶
基板を用いてもよい。
施例について説明する。第１、第２の実施例では、Ｇａ
Ａｓ基板上に量子箱層を有する積層構造を形成する場合
について説明したが、ＧａＡｓ基板に限らず、三元混晶
基板を用いてもよい。
【００６１】図１２は、ＩｎＧａＡｓ基板１ａ上にＩｎ
ＧａＡｓバッファ層２ａ、ＩｎＧａＡｓ量子箱層３、Ｉ
ｎＧａＡｓキャップ層４ａを積層した積層構造を示す。
ＩｎＧａＡｓ基板１ａとＩｎＧａＡｓバッファ層２ａと
のＩｎ組成は同一でもよいし異なっていてもよい。
ＧａＡｓバッファ層２ａ、ＩｎＧａＡｓ量子箱層３、Ｉ
ｎＧａＡｓキャップ層４ａを積層した積層構造を示す。
ＩｎＧａＡｓ基板１ａとＩｎＧａＡｓバッファ層２ａと
のＩｎ組成は同一でもよいし異なっていてもよい。
【００６２】図１３は、ＩｎＧａＡｓ基板を使用した場
合の室温における量子箱からのＰＬスペクトルをＧａＡ
ｓ基板を使用した場合と対比させて示す。横軸は波長を
単位μｍで表し、縦軸はＰＬ発光強度を相対目盛で表
す。なお、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成は０．０５であ
る。ＩｎＧａＡｓバッファ層２ａ及びキャップ層４ａの
Ｉｎ組成は０．０５、厚さは共に５００ｎｍである。Ｉ
ｎＧａＡｓ量子箱層３は、第１の実施例と同様の方法で
形成した。
合の室温における量子箱からのＰＬスペクトルをＧａＡ
ｓ基板を使用した場合と対比させて示す。横軸は波長を
単位μｍで表し、縦軸はＰＬ発光強度を相対目盛で表
す。なお、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成は０．０５であ
る。ＩｎＧａＡｓバッファ層２ａ及びキャップ層４ａの
Ｉｎ組成は０．０５、厚さは共に５００ｎｍである。Ｉ
ｎＧａＡｓ量子箱層３は、第１の実施例と同様の方法で
形成した。
【００６３】図中の曲線ｂ１、ｂ２はそれぞれＩｎＧａ
Ａｓ基板を使用した場合、及びＧａＡｓ基板を使用した
場合のＰＬスペクトルを示す。ＩｎＧａＡｓ基板を使用
した場合の方がＧａＡｓ基板を使用した場合よりもＰＬ
発光強度が強いことがわかる。これは、ＩｎＧａＡｓ基
板を使用したことにより、バッファ層２ａの上面の面内
格子定数がＧａＡｓ基板を使用する場合に比べて大きく
なったためと考えられる。
Ａｓ基板を使用した場合、及びＧａＡｓ基板を使用した
場合のＰＬスペクトルを示す。ＩｎＧａＡｓ基板を使用
した場合の方がＧａＡｓ基板を使用した場合よりもＰＬ
発光強度が強いことがわかる。これは、ＩｎＧａＡｓ基
板を使用したことにより、バッファ層２ａの上面の面内
格子定数がＧａＡｓ基板を使用する場合に比べて大きく
なったためと考えられる。
【００６４】上記第１〜第３の実施例で説明した量子箱
層において、量子箱部分のＩｎ組成はその他の領域のＩ
ｎ組成よりも多くなる。例えば、量子箱以外の領域のＩ
ｎ組成が約０．１のとき、量子箱部分のＩｎ組成は約
０．５であった。量子箱以外の領域がＩｎをほとんど含
まないＧａＡｓである場合、量子箱部分のＩｎ組成は
０．２〜０．３になるものと推測される。このように、
量子箱部分のＩｎ組成は、その他の部分のＩｎ組成より
約０．２以上多い。ただし、Ｉｎ組成の最大値は約０．
７とするのが好ましい。
層において、量子箱部分のＩｎ組成はその他の領域のＩ
ｎ組成よりも多くなる。例えば、量子箱以外の領域のＩ
ｎ組成が約０．１のとき、量子箱部分のＩｎ組成は約
０．５であった。量子箱以外の領域がＩｎをほとんど含
まないＧａＡｓである場合、量子箱部分のＩｎ組成は
０．２〜０．３になるものと推測される。このように、
量子箱部分のＩｎ組成は、その他の部分のＩｎ組成より
約０．２以上多い。ただし、Ｉｎ組成の最大値は約０．
７とするのが好ましい。
【００６５】量子箱層に形成されるＩｎ組成の多い島状
部分が量子箱として機能するには、量子箱層の厚さが２
〜４０ｎｍ、さらには５〜２０ｎｍであることが好まし
い。このときに形成される量子箱の大きさは、高さが量
子箱層の厚さとほぼ等しく、横方向の広がりは、高さよ
りもさらに大きくなる。
部分が量子箱として機能するには、量子箱層の厚さが２
〜４０ｎｍ、さらには５〜２０ｎｍであることが好まし
い。このときに形成される量子箱の大きさは、高さが量
子箱層の厚さとほぼ等しく、横方向の広がりは、高さよ
りもさらに大きくなる。
【００６６】上記実施例では、バッファ層及びキャップ
層としてＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓ、量子箱層とし
てＩｎＧａＡｓを使用した場合について説明したが、バ
ッファ層と量子箱層との間で一定の格子不整合が生じる
ような組み合わせであればその他の材料を用いてもよ
い。例えば、基板、バッファ層とキャップ層、及び量子
箱層の材料として表１に示すような組み合わせとしても
よい。バッファ層と量子箱層との構成元素が等しい組み
合わせの場合には、各構成元素の組成比を変えることに
より格子定数に差を設けることができる。
層としてＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓ、量子箱層とし
てＩｎＧａＡｓを使用した場合について説明したが、バ
ッファ層と量子箱層との間で一定の格子不整合が生じる
ような組み合わせであればその他の材料を用いてもよ
い。例えば、基板、バッファ層とキャップ層、及び量子
箱層の材料として表１に示すような組み合わせとしても
よい。バッファ層と量子箱層との構成元素が等しい組み
合わせの場合には、各構成元素の組成比を変えることに
より格子定数に差を設けることができる。
【００６７】
【表１】 また、基板としてＩｎＳｂを用いることもできる。
【００６８】上記第１〜第３の実施例では、量子箱は格
子不整合により自己形成されるため、人為的に微細加工
する必要がない。この量子箱の大きさは物理的なエネル
ギバランスによって決まるため、ほぼ一様である。さら
に、人為的に微細加工していないため、量子箱周囲の結
晶性は極めて高い。
子不整合により自己形成されるため、人為的に微細加工
する必要がない。この量子箱の大きさは物理的なエネル
ギバランスによって決まるため、ほぼ一様である。さら
に、人為的に微細加工していないため、量子箱周囲の結
晶性は極めて高い。
【００６９】次に、図１４、図１５を参照して量子箱を
利用した半導体装置の例について説明する。図１４は、
活性層に量子箱が形成された半導体レーザ装置を示す。
ｎ型ＩｎＧａＡｓ基板５０上に、厚さ２００ｎｍのｎ型
ＩｎＧａＡｓバッファ層５１、厚さ４００ｎｍのｎ型Ｉ
ｎＧａＰバッファ層５２、厚さ５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａ
ＡｓＰクラッド層５３、厚さ１０ｎｍの真性ＩｎＧａＡ
ｓＰガイド層５４、真性ＩｎＧａＡｓ活性層５５、厚さ
１０ｎｍの真性ＩｎＧａＡｓＰガイド層５６、厚さ５０
ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５７、厚さ４００
ｎｍのｐ型ＩｎＧａＰコンタクト層５８がこの順番に積
層されている。
利用した半導体装置の例について説明する。図１４は、
活性層に量子箱が形成された半導体レーザ装置を示す。
ｎ型ＩｎＧａＡｓ基板５０上に、厚さ２００ｎｍのｎ型
ＩｎＧａＡｓバッファ層５１、厚さ４００ｎｍのｎ型Ｉ
ｎＧａＰバッファ層５２、厚さ５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａ
ＡｓＰクラッド層５３、厚さ１０ｎｍの真性ＩｎＧａＡ
ｓＰガイド層５４、真性ＩｎＧａＡｓ活性層５５、厚さ
１０ｎｍの真性ＩｎＧａＡｓＰガイド層５６、厚さ５０
ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５７、厚さ４００
ｎｍのｐ型ＩｎＧａＰコンタクト層５８がこの順番に積
層されている。
【００７０】ＩｎＧａＡｓＰガイド層５４とＩｎＧａＡ
ｓ活性層５５との間の格子不整合により、活性層５５の
中に量子箱５９が形成される。活性層５５に注入された
電子及び正孔は、バンドギャップの小さい量子箱の中に
入り、量子箱のエネルギ状態を占める。量子箱５９内で
電子正孔対が再結合してエネルギ状態が空きになると、
他の電子及び正孔が量子箱５９の中に入る。
ｓ活性層５５との間の格子不整合により、活性層５５の
中に量子箱５９が形成される。活性層５５に注入された
電子及び正孔は、バンドギャップの小さい量子箱の中に
入り、量子箱のエネルギ状態を占める。量子箱５９内で
電子正孔対が再結合してエネルギ状態が空きになると、
他の電子及び正孔が量子箱５９の中に入る。
【００７１】このように、量子箱内で電子正孔対が再結
合して発光することにより、温度特性の優れた半導体レ
ーザを実現することが可能になる。図１５は、量子箱を
有するダブルエミッタ型レゾナンスホットエレクトロン
トランジスタ（ＲＨＥＴ）の断面を示す。ｎ型ＧａＡｓ
層６０上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６１、真性ＡｌＧａＡ
ｓ層６２、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６３がこの順番に形成さ
れている。ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６３の上に、ＩｎＧａＡ
ｓ量子箱６４、真性ＡｌＧａＡｓ層６５、ＩｎＧａＡｓ
量子箱６６、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層６７がこの順番に積層
された２つのメサ６８、６９が形成されている。
合して発光することにより、温度特性の優れた半導体レ
ーザを実現することが可能になる。図１５は、量子箱を
有するダブルエミッタ型レゾナンスホットエレクトロン
トランジスタ（ＲＨＥＴ）の断面を示す。ｎ型ＧａＡｓ
層６０上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６１、真性ＡｌＧａＡ
ｓ層６２、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６３がこの順番に形成さ
れている。ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６３の上に、ＩｎＧａＡ
ｓ量子箱６４、真性ＡｌＧａＡｓ層６５、ＩｎＧａＡｓ
量子箱６６、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層６７がこの順番に積層
された２つのメサ６８、６９が形成されている。
【００７２】ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６０にはコレクタ電極
７０がオーミックに接続されている。メサ６８、６９の
最上層のｎ型ＡｌＧａＡｓ層６７には、それぞれエミッ
タ電極７１、７２がオーミックに接続されている。
７０がオーミックに接続されている。メサ６８、６９の
最上層のｎ型ＡｌＧａＡｓ層６７には、それぞれエミッ
タ電極７１、７２がオーミックに接続されている。
【００７３】ＩｎＧａＡｓ量子箱６４と６６は、必ずし
も面内位置が一致する必要はないが、真性ＡｌＧａＡｓ
層６５の厚さを薄くすれば、面内位置は自動的に一致す
ると考えられる。
も面内位置が一致する必要はないが、真性ＡｌＧａＡｓ
層６５の厚さを薄くすれば、面内位置は自動的に一致す
ると考えられる。
【００７４】図１５に示すＲＨＥＴ構造にすることによ
り、１電子で動作する論理回路を構成することができ
る。これを半導体メモリ装置に応用すれば、最小パター
ン寸法数十ｎｍ程度で１ビットのメモリを構成すること
ができ、理想的には集積度をテラビットまで高めること
が可能になる。
り、１電子で動作する論理回路を構成することができ
る。これを半導体メモリ装置に応用すれば、最小パター
ン寸法数十ｎｍ程度で１ビットのメモリを構成すること
ができ、理想的には集積度をテラビットまで高めること
が可能になる。
【００７５】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【００７６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
比較的簡単な製造工程で、原子サイズの均一性を有し、
高い結晶品質を持った量子箱を形成することができる。
この量子箱を半導体装置に適用することにより、半導体
装置の集積度の向上及び機能の向上を図ることが可能に
なる。
比較的簡単な製造工程で、原子サイズの均一性を有し、
高い結晶品質を持った量子箱を形成することができる。
この量子箱を半導体装置に適用することにより、半導体
装置の集積度の向上及び機能の向上を図ることが可能に
なる。
【図１】第１の実施例による半導体積層構造の断面図で
ある。
ある。
【図２】実施例による半導体積層構造の作製に使用した
減圧ＭＯＣＶＤ装置の概略図である。
減圧ＭＯＣＶＤ装置の概略図である。
【図３】第１の実施例による半導体積層構造の量子箱層
形成工程における反応ガス供給のタイムチャートであ
る。
形成工程における反応ガス供給のタイムチャートであ
る。
【図４】第１の実施例による量子箱層の平面ＴＥＭ写真
である。
である。
【図５】第１の実施例による量子箱層の断面ＴＥＭ写真
である。
である。
【図６】第１の実施例による量子箱からのＰＬスペクト
ルを示すグラフである。
ルを示すグラフである。
【図７】第１の実施例によるバッファ層のＩｎ組成を変
化させたときのＰＬ発光波長の変化を示すグラフであ
る。
化させたときのＰＬ発光波長の変化を示すグラフであ
る。
【図８】第１の実施例によるバッファ層の歪緩和量を変
化させたときのＰＬ発光強度の変化を示すグラフであ
る。
化させたときのＰＬ発光強度の変化を示すグラフであ
る。
【図９】第１の実施例による量子箱層形成工程におい
て、反応ガス供給サイクル数を変化させたときのＰＬ発
光波長の変化を示すグラフである。
て、反応ガス供給サイクル数を変化させたときのＰＬ発
光波長の変化を示すグラフである。
【図１０】第２の実施例による半導体積層構造の断面図
である。
である。
【図１１】第２の実施例によるスペーサ層の厚さを変化
させたときのＰＬスペクトルの変化を示すグラフであ
る。
させたときのＰＬスペクトルの変化を示すグラフであ
る。
【図１２】第３の実施例による半導体積層構造の断面図
である。
である。
【図１３】第３の実施例による量子箱からのＰＬスペク
トルを、第１の実施例による量子箱からのＰＬスペクト
ルと対比させて示すグラフである。
トルを、第１の実施例による量子箱からのＰＬスペクト
ルと対比させて示すグラフである。
【図１４】量子箱を有する半導体レーザの断面図であ
る。
る。
【図１５】量子箱を有するダブルエミッタＲＨＥＴの断
面図である。
面図である。
１、１ａ 基板 ２ バッファ層 ３ 量子箱層 ４ キャップ層 ５ 量子箱 ６、７ スペーサ層 １０ 反応容器 １１ サセプタ １２ 高周波コイル １４ ガス排気管 １５、２０、２１、２２、２３、２４ ガス流路 ２５、２６ ガス切り換えバルブ ２７、２８ 排気用ガス流路
Claims (29)
- 【請求項１】 単結晶を成長可能な半導体表面と、 前記半導体表面の上に、ほぼ全面にエピタキシャル成長
されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の領域、
及び第１の領域とは構成元素の組成比が異なり、前記第
１の領域の中に散点状に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体からなる第２の領域とから構成され、前記第２の
領域の無歪時の格子定数と前記半導体表面の格子定数と
は異なり、その差は、前記第１の領域の無歪時の格子定
数と前記半導体表面の格子定数との差よりも大きい第１
の半導体層とを有する半導体装置。 - 【請求項２】 上記第１の半導体層の厚さは、２〜４０
ｎｍであり、 上記第２の領域は、厚さ方向に押しつぶされた偏平球状
であり、その高さは、前記第１の半導体層の厚さとほぼ
等しい請求項１記載の半導体装置。 - 【請求項３】 前記第１の半導体層は、ＩＩＩ族元素と
してＩｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、 前記第２の領域のＩＩＩ族元素全体に対するＩｎのモル
組成比は、約０．７以下であり、かつ前記第１の領域の
それよりも約０．２以上だけ大きい請求項１または２記
載の半導体装置。 - 【請求項４】 さらに、前記第１の半導体層の上に形成
され、前記半導体表面と格子定数がほぼ等しい第２の半
導体層を有する請求項１〜３のいずれかに記載の半導体
装置。 - 【請求項５】 さらに、 上面を有する基板と、 前記半導体基板の上にエピタキシャル成長され、上面に
前記半導体表面を有する第３の半導体層とを有する請求
項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項６】 前記基板は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡ
ｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、Ｓ
ｉ、Ｇｅの１種で形成されている請求項５記載の半導体
装置。 - 【請求項７】 前記第３の半導体層の無歪時における格
子定数は、前記半導体基板の上面の格子定数と異なり、
前記第３の半導体層において、上方部分が下方部分より
も歪が緩和されている請求項５または６記載の半導体装
置。 - 【請求項８】 さらに、前記第３の半導体層と前記第１
の半導体層との間に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体からなる第１のスペーサ層を有し、 前記第２の領域の無歪時の格子定数と前記第１のスペー
サ層の無歪時の格子定数との差は、前記第２の領域の無
歪時の格子定数と前記半導体表面の格子定数との差より
も大きい請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項９】 さらに、前記第１の半導体層の上面上に
直接形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２
のスペーサ層を有し、 前記第２の領域の無歪時の格子定数と前記第２のスペー
サ層の無歪時の格子定数との差は、前記第２の領域の無
歪時の格子定数と前記半導体表面の格子定数との差より
も大きい請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項１０】 前記第１及び第２のスペーサ層の厚さ
は、２ｎｍ以上である請求項８または９記載の半導体装
置。 - 【請求項１１】 前記第１の半導体層が、Ｉｎx Ａｌy
Ｇａ1-x-y Ａｓu Ｐ v Ｓｂ1-u-v （０≦ｘ≦１、０≦ｙ
≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１）の組成を有する請求項
１〜１０のいずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項１２】 組成と共に格子定数が変化する混晶半
導体で形成され、混晶組成がほぼ一定の薄層状第１領域
内に、混晶組成が異なる偏平球状の第２領域が分散して
いる混晶半導体層を有する半導体装置。 - 【請求項１３】 前記混晶半導体層は、実質的に無転位
である請求項１２記載の半導体装置。 - 【請求項１４】 さらに、 前記混晶半導体層を支持する基板と、 前記混晶半導体層と前記基板との間に挿入された混晶半
導体のバッファ層とを有する請求項１２または１３記載
の半導体装置。 - 【請求項１５】 前記混晶半導体層は、約２〜４０ｎｍ
の範囲の厚さを有する請求項１２〜１４のいずれかに記
載の半導体装置。 - 【請求項１６】 前記混晶半導体層は、約５〜２０ｎｍ
の範囲の厚さを有する請求項１５記載の半導体装置。 - 【請求項１７】 前記第２領域は、前記第１領域より狭
いバンドギャップを有する請求項１２〜１６のいずれか
に記載の半導体装置。 - 【請求項１８】 第１の格子定数を持つ半導体表面を有
する基板を反応容器内に載置する準備工程と、 前記反応容器内にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成する
ＩＩＩ族及びＶ族元素の原料を各元素毎に異なる時間帯
に供給し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の薄層を形成する
単位工程と、 前記単位工程を繰り返してＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
を形成する半導体層堆積工程を含み、 前記単位工程は、前記第１の格子定数と異なる第２の格
子定数を有する組成となる条件で前記原料を供給する半
導体装置の製造方法。 - 【請求項１９】 さらに、前記準備工程の後、かつ前記
単位工程の前に、前記半導体表面上に前記第２の格子定
数と異なる第３の格子定数を有する半導体からなるバッ
ファ層を堆積する工程を含む請求項１８記載の半導体装
置の製造方法。 - 【請求項２０】 さらに、前記半導体層堆積工程の後、
前記半導体層の上に前記第２の格子定数と異なる第４の
格子定数を有する半導体からなるキャップ層を堆積する
工程を含む請求項１８または１９記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項２１】 上記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、
Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ＜１）である請求項１８〜
２０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項２２】 前記単位工程は、 Ｉｎを含む原料を供給する工程と、 Ｇａを含む原料を供給する工程と、 Ａｓを含む原料を供給する工程とをこの順番に含む請求
項２１記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項２３】 前記単位工程は、さらに前記Ｉｎを含
む原料を供給する工程と、前記Ｇａを含む原料を供給す
る工程との間に、 Ａｓを含む原料を供給する工程を含む請求項２２記載の
半導体装置の製造方法。 - 【請求項２４】 前記単位工程は、 Ｇａを含む原料を供給する工程と、 Ｉｎを含む原料を供給する工程と、 Ａｓを含む原料を供給する工程とをこの順番に含む請求
項２１記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項２５】 前記単位工程は、 ＩＩＩ族及びＶ族元素の原料のうち少なくとも１つの原
料を供給した後、他の原料を供給する前に前記反応容器
内をパージする工程を含む請求項１８〜２４のいずれか
に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項２６】 前記半導体層堆積工程は、前記単位工
程を６回以上繰り返す請求項１８〜２５のいずれかに記
載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項２７】 前記半導体層堆積工程は、前記単位工
程を１０〜２４回繰り返す請求項２６記載の半導体装置
の製造方法。 - 【請求項２８】 前記単位工程は、成長温度が２５０〜
６００℃である請求項１８〜２７のいずれかに記載の半
導体装置の製造方法。 - 【請求項２９】 前記単位工程は、成長温度が４２０〜
５００℃である請求項２８記載の半導体装置の製造方
法。
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