JPS63155713A - 半導体微細構造の製造法 - Google Patents

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、光素子あるいは電気素子に利用可能な半導体
微細ヘテロ構造体の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来量子細線あるいは量子箱という様な、多次元量子閉
込め効果を有する微細構造体が作製された例は、インタ
ーナショナル・カンタムエレクトロニクス・コンファレ
ンス（１９８６年６月：サンフランシスコ）のポスト・
デッドラインペーパー、講演番号ＰＤ１７−１　　第４
７〜４８頁（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｑｕａｎｔ
ｕｎ　ＥｌｅｃｔｒｏｎｊｃｓＣｏｎｆｅｒｎｃｅ　Ｊ
ｕｎｅ、　１９８６　；　Ｓａｎ　Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ
＋Ｐｏ５ｔ　ｄｅａｄｌｉｎｅ　Ｐａｐｅｒ　Ｐ　Ｄ　
］−７−１、ｐ　ｐ　４７〜４８）において、Ｊ、　Ｍ
、　Ｗｏｒｌｏｃｋが述べている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、結晶成長で成長方向に作りつけた微細
ダブルヘテロ構造による単一量子井戸上に大気中で電子
線レジストを塗布し、電子線で４００人のストライプ状
に除去されたレジストをマスクとして、半導体をドライ
エツチングして、成長方向に対し垂直方向の微細構造を
得ている。

この方法では、重要な量子細線部を直接ドライエツチン
グで形成しており、欠陥発生が生じ易い上に、電子線レ
ジストを除去する過程で、界面が汚染され、再び結晶成
長する際に良好な界面が得られない。従って、多層の量
子細線を形成する場合は、その都度汚染され、結晶成長
上好ましくない。

又、超格子をＺｎイオンやＳｊイオンの拡散により消滅
させ、多重量子井戸構造を混晶中に埋込み、埋込みヘテ
ロ構造型レーザを作製した例（アプライド・フィジック
ス・レター、第４５巻。

１９８４年第１頁（Ｔ、Ｆｕｋｕｚａｗａ他、Ａｐｐｌ
、、　Ｐｈｙｓ。

Ｌｅ　ｔ　ｔ　＊　＋±５−．　］−（１９８４）　）
およびアプライドフィジックス　レター、第４５巻、１
９８４年第５４９頁（Ｋ　、Ｍｅｅｈａｎ他、Ａｐｐｌ
、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　、　４互、５４９　（１
９８４，））参照）があるが、これらはいずれも、レー
ザ用結晶の表面から不純物を拡散しており、形成できる
埋込ヘテロ構造の寸法は、１μｍ程度が限度であり、量
子細線の様な微細構造を作製することができない。又、
拡散のためプロセスは、従来の方法を用いており、幾度
か、大気中にさらされるため、引続き結晶成長を繰返す
ことができない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、微細パターンを形成する過程、そのパターン
からヘテロ界面を生じさせる過程のすべてにわたり、清
浄な環境内でプロセスを行う方法を提供するもので、微
細なヘテロ構造の形成と結晶成長の過程を繰返すことで
、多量の量子細線構造を容易に作製することができる。

上記目的は、超高真空中で作製した単一量子井戸構造に
Ｓｉ単結晶を数原子層程度成長した後、ＸｅＦ２ガス中
で電子線を照射し、Ｓｉを任意の形状にエツチングし、
さらに半導体結晶を成長しく４） た後、熱処理して、Ｓｉを拡散し、半導体へ二ロ界面を
部分的に削減させることにより達成される。

〔作用〕

超高真空中で作製した単一量子井戸は、電子や正孔に対
し、−次元方向の閉込め効果を与え、量子準位を作る。

Ｓｉ蒸着膜は、厚さが薄いため、単結晶になったままＧ
　ａ　Ａ　ｓ上に成長する。

Ｘｅｌ１とＳｉは、電子線が照射された所のみ、Ｓ　ｉ
　Ｆｘを形成して、蒸発し、Ｓｉのエツチングが行われ
る。したがって、電子線のビーム径１０人に相当する微
細なパターンをＳｉ膜で作ることが可能である。

引き継き行われる結晶成長は、格子整合を保ったまま、
Ｓｉをカバーする。これは、通常、ＳｉをＧ　ａ　Ａ　
ｓに熱拡散する場合の５１ｇＮ４膜と同一の作用をする
が、熱膨張係数に差がないことと、格子定数が一致して
いること等、他の材料と比べきわめて優れたカバーであ
ると言える。何回が、Ｓｉパターン形成と再成長のサイ
クルを繰返した後に、８５０℃で熱処理し、Ｓｉを拡散
させ、量子井戸の構成元素であるＧａと、バリア層のＡ
ｆｌとを相互拡散させ、量子細線の横方向のヘテロ構造
を得る。これにより、２次元の量子閉じ込め効果が得ら
れる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。

実施例１ 第１図を用いて説明する。

分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法を用いてＧａＡｓ基板１
上にＧ　ａ’Ａ　ｓバッファ層、Ｇａｏ、５Ａ　Ｑ　Ｏ
，［）Ａｓバリア層を１μｍずつ成長する。この層をま
とめて２で示す。さらに厚さ１．　Ｏ０人のＧ　ａ　Ａ
　ｓ量子井戸層＝３を成長する。（第１図（ａ））次い
でＳｉ　：４を厚さ１０人成長する（第１図ｂ）。結晶
成長室から、１０　’ｔｏｒｒの高真空に保持した搬送
路を経由して、エツチング室ヘウエーハーを移し、Ｘｅ
Ｆｘガス中で電子ビーム６を照射し、電子ビームがあた
った所のみＳｉエツチングする。電子ビームを直径２０
人程度に絞ることで、ストライプ幅１００程度度のＳｉ
の残存バタ−ン７を得ることができる。ス１−ライブの
間隔は３００人とした。（第１図Ｃ） 再びＭＢＥ成長室に戻し、Ｇａｏ、ｌ１ｌＡ　Ｑ　０．
５ＡＳバリア層８及びＧ　ａ　Ａ　ｓ量子井戸層９を成
長する。

（第１図ｄ）次いで、Ｓｉを１０人成長し、（第１図Ｃ
）のプロセスを用いてＳｉのストライプ１０を作り、Ｇ
ａｏ、５Ａ　Ｑ　ｏ、ｓＡｓバリア層を１μｍ１１及び
Ｇａｏ、ｓＡ　Ｑ　Ｏ，２ＡＳキャップ層０．１μｍ］
−２を成長する。この状態を（第１図ｅ）で示す。

Ａｓ雰囲気中で８５０℃、２０分の熱処理を行ない、Ｓ
ｉストライプ１３を拡散ソースとして、量子井戸及びバ
リア層にＳｉを拡散させる。Ｓｉが拡散したベテロ界面
は、■族構成元素間の相互拡散が生じ、量子井戸が消滅
し、量子井戸とバリア層の混晶１４が形成される。Ｓｊ
が拡散されなかった領域１５は、約１００人の幅で、Ｇ
　ａ　Ａ　ｓのまま残り、両側をよりＡＱの混晶比の大
きい混晶化領域１４ではさまれる。上下方向は、Ｇａｏ
、ａＡ　Ｑ　ｏ、５Ａｓのバリア層ではさまれているか
ら、断面が１００Ｘ１００人の埋込みヘテロ構造が得ら
れる。（第１図ｆ） 熱処理を行なった結晶を透過型電子線顕微鏡で観測し、
Ｇ　ａ　Ａ　ｓのまま残っている領域の横方向（成長方
向に直角）の幅が６０人で、ＧａとＡ、　Ｑの組成が変
化している遷移領域が１００人であった。結晶成長方向
には、厚さ９０へのＧ　ａ　Ａ　ｓ量子井戸が残ってお
り、多層の量子細微がこの方法で作製可能であることが
確認できた。

実施例２ ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１上に、ＭＢＥ法を用いてバ
ッファ層としてｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓを２μｍ成長し、
ｎ−Ａ　Ｑ　ｏ、ａＧａｏ、７Ａｓクラッド層１．５７
ｚｍ、アンドープＧ　ａ　Ａ　ｓバリア層２００人、ア
ンドープＩｎｏ、ｇａＧａｏ、ｅ５Ａｓ量子井戸層１０
０人、アンドープＧ　ａ　Ａ　ｓバリア層５０人を順次
成長する。

次いでＳｉ７人を成長後、実施例１で示した方法を用い
て、ストライブ幅５０人、ストライプ長１μｍストライ
ブ間隔２００人のＳｉ格子パターンを得る。

さらにＧ　ａ　Ａ　ｓ　１００人を成長後Ｉｎｏ　、　
８５Ｇａｏ　、　ｅ　５Ａｓ量子井戸層１００人と、Ｇ
　ａ　Ａ　ｓバリア層５０人、Ｓｉ７人を成長し、パタ
ーンを形成する過程を４回繰返す。

さらに、アンドープＧａＡｓ２００人を成長後、ｐ−Ａ
　（Ａ　ｏ、８Ｇａｏ、７Ａｓクラッド層１．５　　ｐ
ｍと、ｐ−Ｇ　ａ　Ａ　ｓキャップ層０．２　ｐｍ　　
を成長後、８００℃で２０分熱処理し、Ｓｉを拡散させ
Ｇ　ａ　Ａ　ｓとＩｎｏ・５ｂＧａｏ・５ｓＡｓを選択
的に混晶化する。

以下、通常の半導体レーザのプロセスを用いてｎ側とｎ
側の電極をつけ、襞間により、半導体レーザを作製した
。

レーザの共振器に対する量子細線の方向は、直交してお
り、共振器長は、１００μｍである。量子細線の断面は
１００Ｘ７０Ａである。各々の量子細線は、平行で、レ
ーザの共振器の長さ方向のすべての領域に並べられてい
る。量子細線の各層間の相対位置は、レーザ活性領域（
幅１μｍ）におさめている以外は特に厳密な位置合せを
していない。量子細線の周期がレーザ光の波長と比べは
るかに小さいから異った成長層間の量子細線の位置を合
わせる必要はない。個々の量子細線の形状が一致してい
れば良い。

３００Ｋにおけるレーザ発振のしきい値は、１００μＡ
で１発振波長は、９５０ｎｍであり、量子細線による短
波長化と、低しきい値動作が確認できた。

実施例３ 実施例１の材料を用い、実施例２に示す様な導電型構造
を持つ半導体レーザを作製した。本実施例では、Ｓｊの
パターンは、ストライプ状ではなく、１００Ｘ１００人
の正方形のパターンが、結晶面内にとったＸ軸とｙ軸に
おいて、それぞれ３００人の周期で出現するよう、電子
線リソグラフィとＸ８Ｆ２ガスを組合せて作製しである
。

拡散により形成された直方体状の微小埋込みヘテロ構造
の大きさは、１００ｘ８０ｘ８０人で、１μｍ　Ｘ　１
００μｍの面内に周期３００人（たて、横とも）で並べ
られている。結晶成長方向に対しては、この様な量子箱
が５層並んでいる。

７７Ｋにおけるレーザ発振のしきい値は、２０μＡで、
波長は、６３０ｎｍであった。

実施例４ Ｓｌ基板上にＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＰｌｐｍを成長
後ＧａＡｓｏ、ｒ＋Ｐｏ、δ６０　Ａ　Ｇ　ａ　Ｐ　５
０人を成長し、さらにＺｎを１０人蒸着した。ＣＦ４ガ
ス中で電子ビームを照射し、電子ビームの照射されない
部分のみ、Ｚｎを残した。

再びＧａＰ５０人、　ＧａＡｓｏ、＋ｓＰｏ、５６０人
、　ＧａＰ５０人を成長し、Ｚｎを１０人蒸着し、ＣＦ
４　と電子ビームによるパターン書きを行うというサイ
クルをくり返し、最後にＧ　ａ　Ｐ　１μｍを成長後、
レーザ・パルスによるアニールを行ない、Ｚｎを拡散し
、量子井戸を部分的に消滅させ、ＧａＡｓｏ　、　！ｌ
Ｐ０　、５の量子細線を作製した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、量子細線や、量子箱の様な極めて微細
な埋込みヘテロ構造を、多層にわたり、結晶中に作りつ
けることができる。従って、一層しか量子細線がない場
合と比べ、大きい光閉じ込め係数が得られ、レーザ発振
のしきい値を１／１０程度にうで下げることができる。

又、本方法を用いることで、良好な界面を持つ多層の量
子細線や量子箱構造が得られるため、室温における発振
においても、良好な特性が得られている。

【図面の簡単な説明】

第１図のａ　＝　ｆは、本発明による量子細線の製作工
程を示す断面図である。 １・・・基板、２・・・バリア層、３・・・量子井戸層
、４・・・エピタキシ層、５・・・ＸｅＦｅｚ、６・・
・電子ビーム、７・・・ストライプ、８・・・バリア層
、９・・・量子井戸層。 ＼１、 第　７　図 （し） け） ２へ゛リア層　　　　７３人ストライフ。 ３　ｉ−手バ九Ｐノ轡　　　　δ　　八”ＩＩＴ／１ｌ
Ｓｉエピダキシ盾　９　＋工作Ｐ層 梁　／　呂 （ｅ） （子ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、化合物半導体ヘテロ界面に近接して不純物薄膜を被
   着させ、Ｆ元素を含むエッチングガスと荷電粒子のビー
   ムとを用いて、不純物をパターン状にエッチングする過
   程と、不純物上に化合物半導体を成長する過程ａｎｄ／
   ｏｒ熱処理によりパターン化された上記不純物を拡散す
   る過程とを含むことを特徴とする半導体微細構造の製造
   法。 ２、上記エッチング用ガスがＸｅＦ＿２であり、上記電
   子ビームの助けによりＳｉをエッチングすることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の半導体微細構造の製
   造法。 ３、上記エッチングガスがＸｅＦ＿２で上記不純物がＺ
   ｎである特許請求の範囲第１項記載の半導体微細構造の
   製造法。 ４、上記エッチング後に生じた上記不純物パターン間の
   間隔ｌと、消滅させる量子井戸の厚さｄとの間にｄ≦ｌ
   ≦３ｄなる関係があることを特徴とする特許請求の範囲
   第１から３項のいずれかに記載の半導体微細構造の製造
   法。