JPS62186584A

JPS62186584A - 半導体素子の製造法

Info

Publication number: JPS62186584A
Application number: JP2812486A
Authority: JP
Inventors: Yukio Toyoda; 幸雄豊田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-02-12
Filing date: 1986-02-12
Publication date: 1987-08-14

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】産業上の利用分野本発明は通信、針側、制御、記録に関する分野に、極め
て高出力で高性能光源及び高性能半導体増巾素子を供す
るものである。

従来の技術従来の技術について、半導体光源で代表的な半導体レー
ザの場合について述べる。従来、半導体レーザの性能向
上の進展は目覚しく、低しきい値化、高出力化が著しい
。エレクトロニクス　レターズ（Ｅｌｅａｔｒｏｎｉｃ
ｓ＋　　Ｌｅｔｔｅｒｓ）　　１８　１０９５（１９８
２）に見られるように一方向量子化量子井戸構造を用い
るのが特性向上に最も有効であるとされている。第３図
はこのような従来の技術につ月面の両側に組成勾配をつ
け、キャリア、光の閉じ込め効果を向上させたＧＲＩＮ
−３ＱＷ（傾斜屈折率型単一量子井戸）構造、（ｂ）は
多層量子井戸（ＭＱＷ）構造である。

第４図は各次元の量子化によるキャリアの状態密度を示
すものであり、エネルギーに対するキャリアの集中度を
概念的に説明するものである。

（ａ）は従来技術により作成可能な一次元量子化即ち二
次元電子ガスの場合である。電子は面内の二次元運動の
みが自由であり、これと垂直方向の運動の自由はないた
め、エネルギーに対する状態数は、ステップ状に制限さ
れる。一方電子は、温度で決る熱的励起と外部からの励
起による決ったエネルギーを有する。（ａ）図のように
取りうるエネルギーに制約があると電子は温度等により
決るエネルギー範囲に集中したエネルギーを持つように
なる。Φ）　、　（Ｃ）はそれぞれ二次元量子化（−次
元量子細線）、三次元量子化（量子箱）の場合を示すが
、さらに運動の制約により、電子のエネルギーは特定化
するため一層集中したエネルギーを有するようになる。

従って、例えば、量子化の次元を増すと発光スペクトル
の巾はより狭くなり、ピーク強度は増加する。このよう
な構造を活性層として用いれば、誘導放出発光に達する
励起電流は低くなり、レーザの低しきい値化が可能とな
る。また、電子は取り得るエネルギーが特定すると散乱
が制限されるため易動度が大きくなるので高速デバイス
が可能となる。二次元量子化では、−次元量子化に比べ
、ギヤリアのエネルギー集中度が、格段に違うだめこれ
らの効果が大きくなる。

上記従来技術での一次元量子化構造を半導体レーザに適
用した場合について考える。発光スペクトルの半値中の
減少が十分でなく、発振しきい値の低減が十分であると
は云えない。従って、第４図（ｂ）に示すように、キャ
リアの月、子化の次元を」こげ、状態密度の集中度を増
すことが必要である。

しかるに、従来はこれを具体的に実現せしめる方法がな
く、二次元量子化（−次元細線）構造をも６　・＼−５つ素子の作成は不可能であった。

発明が解決しようとする問題点従来一方向のみの量子化構造を用いた素子では、キャリ
アは残されだ２方向に運動の自由度を有するため、エネ
ルギーに対する状態密度の集中度は不完全であった。前
述のように、従来の一次元量子化構造の限界を取り除き
、飛躍的な特性向上が可能なデバイス作成のためには、
二次元量子化（−次元細線）構造の作成を可能ならしめ
ることがもっとも有力な手段であり、本発明は、この具
体的方法即ち、二次元量子化構造（−次元細線）の製造
法を提供するものである。

問題点を解決するだめの手段本発明は組成の異なる半導体薄膜層を交互に形成した後
エツチングし、そのエツチングされた半導体層の側面に
前記半導体体薄膜層のうち、エツチング速度の遅い半導
体薄膜のバンドギャップより小さいバンドギャップを持
つ半導体層を順次まだは繰り返し積層するものである。

作　　用６、一本発明により、三次元量子化構造（−次元細線）の作成
が可能となる。従って、これを光、電子デバイスに用い
ることにより、飛躍的な特性向上がはかられる。

実施例ＭＢＥによりＧ　ａ　Ａ　ｇバッファ一層４を成長のあ
と、Ａｌｏ、４Ｇａｏ、６ＡＢ層２とＧ　ａ　Ａ　ｓ層
１を交互にそれぞれ１５０人、８０への長さで１００層
づつ形成する。つづいて５００　Ａ　ＧａＡｓ層３を成
長する。しかる後にＭＢＥ装置よりとり出し、次にＬＰ
Ｅ成長炉で、表面がＧ　ａ　Ａ　ｓのＭＢＥ成長層の一
部をメルトバック洗浄後、約５０１ｔｒｎ程度成長させ
る。

この断面図が（ａ）である。次にこれを骨間して、ＮＨ
３＋Ｈ２Ｏ２系のエツチング液によりエッチングを行う
。混合層１、即ちＡｌｏ、４Ｇａ０．６ＡＢ２／ＧａＡ
　ｓ　２’部分はＧ　ａ　Ａ　ｓＱ方がＡＩ　Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ　　より圧倒的にエツチング速度が速いので、（
ｂ）に示すように７ベー、・Ａｌｏ　、４Ｇａｏ　、ａ　ＡＢ層２が凸部、ＧａＡｓ
層が凹部となり、エツチング溝６が形成される。次にと
の骨間面上にＡｌｏ、４Ｇａ０．６Ａｓ　８　、８’　
、　ＧａＡｓ　７　、７’を８０人、ａＯ八を２回づつ
成長させ、最後にＧａＡｓ９を０．５μ成長させる。成
長はＭＢＥによるが、ＭＯＣＶＤでも可能であり、ＭＯ
ＣＶＤの場合は最初の成長の後半についても前述のＬＰ
Ｅ成長を用いずとも、ＭＯＣＶＤによる連続成長が可能
である。

このようにして（Ｃ）に示すような一次元量子化細線７
が形成される。

この実施例ではＡＩＩｏ　、４Ｇａｏ　、ｅＡｓ／Ｇａ
Ａｓ積層成長を行ったが、Ａｌｏ、６Ｇａｏ、４ＡＢ／
Ａ１０．２Ｇａｏ、８Ａ８積層成長を行い、ＡＩＩｏ　
、２　Ｇａｏ　、ｓ　Ａｓ溝中にＧａＡｓ／Ａｌｏ、６
Ｇａｏ、４ＡＩ！　成長を行っても同様に出来る。

第１図（Ｃ）で、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ溝中への成長以外の部
分でも多層膜が形成されているが、ＧａＡｓ層は図に示
すように上下及び表面層とつながっているため、量子井
戸は形成されない。また、基板及び表面１０μＧ　ａ　
Ａ　ｓ上では、二次元量子井戸が形成されているが、選
択ドーピング（拡散もしくはイオン注入）、あるいは選
択的電極形成により、活性部分を一次元量子化細線のみ
とすることは通常技術で容易に可能である。このあと、
ホトルミネッセンスの評価により良好な一次元量子井戸
が形成されていることが分る。

また、易動度も大きい。本実施例では、デバイス作成を
行っていないが、第１図（０）は、−次元細線の両側に
６０μｍ、２００μｍの厚さを有しており、骨間面上を
利用しているが、従来のプロセス技術により容易にＦＥ
Ｔなどの電子デバイスを作成することができる。

また、この実施例では一次元細線の周囲がＧａＡｓであ
るが、エツチング前後の２回の成長で、ＡＩ　Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ　／Ｇ　ａ　Ａ　ｓ薄膜成長の前後で、２〜３１
１ｍのＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層を挿入しておけば、活
性層（−次元量子化細線）埋込み構造となるので、低し
きい値で温度特性の良い半導体レーザが作成できる。

なお、実施例ではＧ　ａ　Ａ　ｓおよびＡ　ＩＩ　Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ　を用いたが、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰ
を用いても全く同様に一次元量子細線が形成できること
は明白であり、、・る。また、以上のようなＩ［ｌ−Ｖ族化合物半導体の三
元、四元混晶に限らず、Ｉｔ−Ｖｌ族化合物半導体でも
実施可能である。

Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板４上に、Ｇ　ａ　Ａ　ｓバラフッ層
３成長のあとＡｌｏ　、４Ｇａｏ　、ｅ　Ａｓ　２　ｓ
　ＧａＡｓ　１を交互に、それぞれ１６０人、ａＯへの
厚さで１００層づつ成長し、最後にＳｔ　　ドープＧ　
ａ　Ａ　ｓを１０μ成長させたものである。これを反応
性イオンビームエツチング（ＲＩＢＥ）により巾２０μ
ｍストライプ、深さ１５μｍの溝１１を形成する。次に
これをＮＨ３＋Ｈ２ｏ２系のエツチング液でエツチング
を行う。薄膜成長部分では、Ｇ　ａ　Ａ　ａＯ方が、Ａ
ｌＧａＡｓよシエッチング速度が速いので、Φ）に示す
ようにエツチング側面１２は、Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
部分が凸部、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ部分は凹部となり、エツチ
ング溝６が形成される。次に、ＡｌＩ３，４Ｇａｏ、６
Ａｓ　８　、８’　＊　ＧａＡｓ７　ｍ７′をそれぞれ
８０人、８０人を１〜３周期成長さ１０、。

せ、最後にＧａＡｓ９を０．５μｍ成長させる。このよ
うにして、ＧａＡｓ−次元細線７が形成される。

成長は、ＭＢＥによるがＭＯＣＶＤでも可能である。

また、この実施例では、Ａｌｏ、４Ｇａｏ、ｅＡｓ　＋
　ＧａＡｓ成長を行ったが、Ａ＃（、、６Ｇａｏ、４Ａ
８　、Ａ１０．２Ｇａ、８Ａｓの積層成長を行ったあと
、エツチングを行い、次にＧａＡｓ層　、　Ａｌ（、，
６Ｇａｏ、４Ａｓ成長を行っても同様に出来ることはい
うまでもない。このあと、ホトルミネッセンスのピーク
波長から、良好な一次元量子井戸が形成されていること
が確認され、また、易動度も非常に大きい。

発明の効果本発明により、−次元量子化構造結晶が作成可能となり
、これを用いて、半導体レーザや電界効果トランジスタ
等の光、電子デバイスの大巾な特性向上がはかられる。

半導体レーザでは、これにより高利得化が飛躍的に期待
でき、著しいしきい値電流の低減や、１０μｍ以下のマ
イクロレーザの実現が可能となる。電界効果トランジス
タへの応用では、室温動作時においても飛躍的高速化が
１１＝− 可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による半導体素子の結晶断面
図、第２図は本発明の異なる実施例による半導体素子の
構成図、第３図は従来例の量子井戸構造の半導体レーザ
の結晶の断面図、第４図は各次元の量子化によるキャリ
アの状態密度を示す概念図である。１・・・・・・Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層、２・・・・・・ＡＩ
！ＧａＡｓ層、３・・・・・・Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層、４・
・・・・・Ｇ　ａ　Ａ　ｓバフフッ層、５・旧・・Ｇａ
Ａｓ基板、６・・・・・・エツチング溝、７・・・・・
・Ｇ　ａ　Ａ　ｇ−次元細線、７′・・・・・・Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ層、８・・・・・・ＡＩ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ細線
、８′・・・・・・ＡＩ３　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層、９・・
川・Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層、１ｏ・・・・・・混合層、１１
・・・・・・ストライプ溝、１２・・・・・・エツチン
グ側面、１３・・・・・・ｎ型Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
層、１４・・・・・・傾斜型組成、ｎ−Ａｌ！ＧａＡｓ
層、１５・・・・・・単一量子井戸Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層、
１６−−−−−−傾斜型組成、　ｐ　−ｊＪＧａＡｓ層
、１７・・・・・・ｐ型Ａ　７３　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層、
１３−−−−−−　ｐ型ＧａＡｓ層。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図第３図第４図 ′：０　工神〆一（遼〉ル）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）組成の異なる半導体薄膜を交互に形成する工程と
前記形成工程で積層された半導体薄膜層を前記組成の異
なる半導体薄膜でエッチング速度が異なる手法でエッチ
ングする工程と、前記エッチング工程でエッチングされ
た前記半導体薄膜層のエッチング側面に前記半導体薄膜
層のうちでエッチング速度の遅い薄膜のバンドギャップ
より小さいバンドギャップの半導体材料と前記半導体材
料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する
半導体材料を順次または繰返し成長する工程を有するこ
とを特徴とする半導体素子の製造法。
（２）組成の異なる半導体薄膜を交互に形成した後、反
応性イオンエッチング（ＲＩＥ）もしくは反応性イオン
ビームエッチング（ＲＩＢＥ）により溝を形成し、さら
に前記溝に対して湿式エッチングを行い、しかる後に前
記溝側面に、前記組成の異なる半導体薄膜のうちでエッ
チング速度が遅い薄膜のバンドギャップより小さいバン
ドギャップの半導体材料と前記半導体材料のバンドギャ
ップより大きいバンドギャップを有する半導体材料を順
次または繰返し成長することを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の半導体素子の製造法。