JPH03154384A - グリッド入り量子構造 - 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、電子や光の制御素子として用いるグリッド入
り量子構造に関する。

〔従来の技術〕

分子線エピタキシー法や有機金ＦＥＣＶＤ法等の構造成
長技術を利用した新しい概念のデバイスとして、例えば
量子井戸レーザー、量子箱レーザー量子細線レーザー（
トランジスタ）等の量子構造を用いた素子が提案されて
いる。

ｌ子井戸レーザーは、活性層を電子のド・ブロイ波長λ
と同程度（約１００度板度）の厚さの量子構造とするこ
とにより、厚さ方向に電子を量子的に閉じ込め、電子が
膜厚に沿った２次元方向にのみ自由粒子としてふるまう
ことができるようにしたものである。この量子井戸レー
ザーの特徴は、膜厚等の構造制御により発振波長の制御
が可能であり、優れた発振閾値電流特性が得られること
である。

上記の如く構造の厚さ方向（ｚ）に電子を量子的に閉じ
込めた量子井戸レーザーに対して、さらに膜厚に沿った
２次元方向（ｘ、　　ｙ）も電子を量子的に閉じ込めた
のが量子箱レーザーであり、これらの一方に電子を量子
的に閉じ込めたのが量子細線レーザーである。

ところで、上記の量子構造を用いたデバイスを実現する
ため１とは、量子細線や箱の寸法を細かくする必要があ
る。その寸法としては、数１００Å以下、通常は５００
Å以下の結晶構造にすることが望ましいが、従来の電子
ビームや微細加工では、このようなデバイスを作製する
ことは難しかった。

第１０図は２次元ステップ構造の例を示す図、第１１図
は周期的なステップ構造の作製方法を説明するための図
、第１２図は結晶成長方法を用いた量子井戸デバイスの
作製方法を説明するための図、第１３図は縦型に組成の
異なる結晶を形成した量子井戸デバイスの例を示す図で
ある。図中、７１基板、７２は構造、７３と７４は障壁
、７５は原子層を示す。

第１１図において、基板７１は、例えばＧａＡＳの結晶
を示し、これを結晶の成る特定の方位から特定の角度φ
で研磨すると、図示の如き周期的なステップ構造が得ら
れる。これは、Ｏからなる原子層が構成されているとす
ると、点線の○の原子が研磨により削り取られるため、
原子層の厚みに相当するステップ構造が形成されること
による。

つまり、■原子が部分的に研磨されることはないから、
部分的に研磨に引っ掛かる部分（点線の○）は削り取ら
れることになり、原子単位で段差ができることになる。

従って、研磨する角度によってステップ幅は変化し、角
度φが大きくなる程狭く、逆に角度が小さくなる程広く
なる。例えば角度φとステップ幅へでは、 のような関係が得られる。また、研磨の方向によって第
１０図に示す２次元のステップ構造を形成することもで
きる。

そこで、このようにして作製された基板２１に、第１２
図に示すように材料Ａ１材料Ｂを堆積化してゆくと、縦
型に異なる組成の結晶をつくってゆくことができる。す
なわち、まず、材料Ａを数原子分堆積化すると、ステッ
プの隅では下と横の２面で結合するため、この隅の部分
から順に結晶ができる。このようにして第１３図に示す
ような電子閉じ込め層としての障壁７３．７４間に構造
の原子層７５を形成することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の如き結晶では、例えば材料Ａの上
にさらに同じ材料へを３０〜４０原子層にわたって堆積
化する必要があるが、なかなか同じ材料の上に何層もの
原子層を載せることができず、堆積化の制御性を高くし
ないと積層が困難であるという問題がある。また、量子
箱を作る点でも困難さがある。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、積層効
果を高め量子サイズによる制御効果が得られるグリッド
入り量子構造を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明は、量子サイズ効果を示す構造からな
り電子親和力の強い層を原子層として該原子層に対して
異種材料を両側又は片面に配置した量子構造において、
引力ポテンシャル又は斥力ポテンシャルを有する異種材
料で構成したグリッドを等間隔で配置したことを特徴と
する。また、第１Ｏ図及び第１１図に示すような傾斜研
磨基板を用いることにより、構造内部にグリッドを線状
や島状及び網状（メツシュ）に埋め込み配置し、さらに
構造側面にドーピング層や原子層と同じ材料及び該材料
及び異種材料を重ねて配置したことを特徴とする。或い
は構造側面にグリッドを笠間隔で配置し、その上に原子
層と同じ材料及び該材料及び異種材料を重ねて配置した
ことをｖｆｗとする。

〔作用〕

本発明のグリッド入り量子構造では、引力ポテンシャル
又は斥力ポテンシャルを有する異種材料で構成したグリ
ッドを等間隔で配置するので、構造内の電子とグリッド
との相互作用によりグリッドのない領域或いはグリッド
の周りに電子を閉じ込めることができる。しかもグリッ
ドのポテンシャルの作用が有効に働くので、１又は数原
子層で数１０原子層の異種材料による結晶と同じ効果を
得ることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係るグリッド入り量子構造の１実施例
構成を示す図である。図中、１は原子層、２はグリッド
、３と４は障壁を示す。

第１図において、原子層１は、３０〜４０原子層からな
り、その中心付近に異なる組成のグリッド２を有してい
る。原子Ｎ１としては、電子閉じ込めの可能な構造であ
ればどのようなものでもよい。例えば選択ドープ技術又
はゲート電極などを用いた場合には、（ＡＩＧａ＞Ａｓ
とＧａＡｓとの接合部に静電的に形成される伝導チャネ
ルでもよい。グリッド２は、量子力学的な効果が起きる
程度に近い間隔で配置され、原子層１内では自由に電子
が動けるがこの電子の動きに制約を与えるものである。

すなわち、原子層１では、グリッド２におけるポテンシ
ャルが高いためグリッド２のない領域に電子がたまり、
グリッド２によって電子を動きやすくするか否か、電子
をため込むか否かをきめている。すなわち、第１図に示
す構造では、電子が図示の白い領域でグリッド２に沿っ
たＸ方向に流れやすく、グリッド２に直角な方向すなわ
ちｙ方向に流れにくくなるので量子細線となる。しかも
、その程度はグリッド２の幅や厚さによって変わる。な
お、障壁３．４は、電子閉じ込め層を形成するものであ
る。

この原子層ｌは、第１３図に示した従来の構造を比較的
単純にしたものであり、その製作は、障壁３の上にまず
同じ材料で結晶を成長させ、中心付近で１〜１０層程度
の厚さで異種の材料を入れる。そしてまたその上に同じ
材料で結晶を成長させ、所定の厚さに原子層を積み上げ
てゆく。例えば３０〜４０原子層があるとすると、その
中に１〜１０層程度の異種原子層を入れるだけで大きな
効果が得られる。先に第１２図及び第１３図で述べたよ
うに３０〜４０原子層を異種の材料により縦型に結晶を
積み上げてゆくことは非常に難しいが、これに比べると
、第１図に示すように中心付近にのみ１〜１０原子層の
グリッド２を入れる方がはるかに容易である。このグリ
ッド２は、その周囲に比べてポテンシャルが高く、例え
ば１層だけでも５０〜１００ｍｅＶ程度のポテンシャル
に該当するので、電子の閉じ込め効果が大きく、３０〜
４０原子層を異種の材料により縦型に積み上げた結晶構
造に匹敵する効果が期待できる。さらに、このグリッド
２は、その幅や厚さを変えることにより特性を自由に制
御することができる。

なお、上記の実施例では、１方向にのみグリッドを設け
たが、Ｘ方向とｙ方向、Ｘ方向と２方向、ｙ方向と２方
向のように２方向（メツシュ状）にグリッドを設けたり
、さらには多層にして或いは３次元の各方向にグリッド
を設けるように構成してもよい。

第２図は上記のグリッド入り量子構造を使用した量子構
造デバイスの構成例を示す図であり、１１と１２は電極
、１３はゲート、１４はグリッド入り量子構造、１５は
ｐ層、１６はｎ層を示す。

上記のグリッド入り量子構造は、第２図に示すような種
々のデバイスに応用することができる。

例えば、同図（ａ）に示すようにグリッド入り量子構造
１４のグリッドと直角になる面に電極１１．１２を取り
付け、上面にゲート１３を設けることによって量子細線
状のＦＥＴを構成することができる。また、同図（社）
に示すように電極１１，１２、ゲート１３の位置を変え
ることによってゲート制御超格子に応用することができ
る。通常グリッドを横切る形では電流が流れにくいが、
グリッドを細くするとある程度の確率で電流が流れる。

ゲート制御超格子は、この性質を利用するものであり、
電子の波長と超格子の波長が合うとブラッグ反射で負性
抵抗になったり電流が流れないようになったりする。こ
れらの構造では、ゲート電極の作用で電子数を変えた時
、その光学吸収特性に変化が生じるので、これを用いて
光変調器が実現できる。

さらにレーザやＬＥＤ　（発光ダイオード）に応用した
例を示したのが同図（Ｃ）であり、２層１５とｎＭ１１
６との間にグリッド入り量子構造１４を配置している。

グリッド入り量子構造１４では、電子が閉じ込められる
だけにレーザやＬＥＤに応用しても優れた特性が得られ
る。

また、ｐ−ｎ接合の中に入れたグリッド入り量子構造１
４では、逆バイアスを加えると光の吸収係数の波長依存
性が長波長側ヘシフトし、量子箱ではこの吸収係数がス
テップ状ではなく離散的になるため、第２図（６）に示
すように構成して変調器や光スィッチとしても応用する
ことができ、いろいろな波長域で違った形の変調ができ
る。

第２図（ｅ）は赤外光の検出器に応用した構成例を示し
ている。グリッド入り量子構造１４では、電子の閉じ込
め状態が定在波的な状態になる。従来の膜構造であると
膜に垂直な方向で定在波が立つが、メツシュにすると、
メツシュの方向にも定在波が立ち、膜に垂直な２方向だ
けでなく膜面のＸｙ力方向も定在波が立つ。定在波の山
が１つの状態と２つの状態との間に光が入ると、電子の
状態が移るという性質があるので、この性質を使うこと
によって光検出器に応用することができる。従来は、２
方向にしか定在波がなかったために、光を面に沿って入
れなければならなかったが、ｘｙ力方向も定在波が立ち
、垂直方向から光を入れてもｘｙ力方向も定在波がある
ため、グリッド入り量子構造１４では、その方向にも変
位して導電率に変化を起こす光検出器として使うことも
できる。

以上のように本発明に係るグリッド入り量子構造は、電
子親和力の強い例えばＧａＡｓの原子層と異種材料例え
ばＧａＡｓに対してによる障壁からＡｌＡｓなる量子構
造を作り、さらに異種材料のグリッドを電子層に埋め込
むことによって電子閉じ込めを行うものであるが、グリ
ッドは、のように斥力ポテンシャルを有するものＡｌＡ
ｓだけでなく、引力ポテンシャルを有する異種材料、例
えばＩｎＡｓを使用してもよい。

さらに、本発明の他の実施例を説明する。

第３図は引力ポテンシャルの線状グリッドを用いた例を
示す図、第４図は引力ポテンシャルの矩形状グリッドを
用いた例を示す図であり、２１．２２．２５と２９は障
壁、２３．２６と２８は原子層、２４と２７とグリッド
を示す。

第３図において、グリッド２４は、引力ポテンシャルを
有する例えばＩｎＡｓを用いたものである。先に説明し
たＡｌＡｓは、電子に対して斥力を働かせグリッドの間
に電子を閉じ込めるようにしたが、Ｉ　ｎＡｓは、電子
に対して引力を働かせるので、電子がグリッドの周りに
纏わりつくようになり、−点鎖線の楕円への領域に電子
を閉じ込めることができる。したがって、第３図に示す
グリッド入り量子構造の場合には、グリッド２４の周り
に線状に電子が閉じ込められる。

また、第４図に示す例は、ＡｌＡｓの障壁２９、ＧａＡ
ｓの原子層２８を積層した上にＩｎＡｓの矩形状グリッ
ド２７を島状に埋め込み、さらにその上にＧａＡｓの原
子層２６、ＡｌＡｓの障壁２５を積層してグリッド入り
量子構造を構成したものである。この場合も第３図と同
様、引力ポテンシャルを有するＩｎＡｓをグリッド２７
とすることにより、−点鎖線の楕円Ｂの領域に電子を閉
じ込めることができ、量子箱とすることができる。

第５図は接合界面に形成される電気伝導層を利用した複
合構造の量子箱の例を示す図、第６図及び第７図は量子
箱の製法を説明するための図である。

第５図に示す例は、ＨＥＭＴ　（高電子移動度トランジ
スタ）と同じ原理を利用した複合構造の量子箱である。

これは、高純度のＧａＡｓの上にｎ−ＡｌＧａＡｓを成
長させた場合に界面に電子がたまり電気伝導層を形成す
るという性質を利用したものである。原子層３２は、こ
の高純度のＧａＡｓを用いたものであり、その中にＡｌ
Ａｓのグリッド３５を埋め込み、上下にＡｌＡｓの障壁
３１．３３を成長させてサンドイッチ構造にすると共に
、グリッド３５が露出した原子層３２、グリッド３５と
直角又はある角度をもつ断面にｎ　−ＡＩＧａＡｓの被
覆層３６を成長させたものである。

このようにすると、同図ら〕の上訴面図、（Ｃ）の横断
面図に示すように原子層３２でグリッド３５の中間、原
子層３２が突き当たるｎ−ＡＩＧａＡＳの被覆層３６の
界面部分で点線Ｃで示す領域に電子が閉じ込められ、量
子箱となる。このような腹合構造のグリッド入り量子構
造の製法の例を示したのが第６図及び第７図である。

第６図に示す製法では、まず、障壁３３、グリッド３５
を埋め込んだ電子層３２、障壁３１を成長させる。しか
る後、図示（ａ）のようにＶａを切り、その切り口に同
図（ｂ）に示すようにｎ−ＡＩＧａＡＳの被覆層３７を
再成長させる。

また、第７図に示す製法では、まず、ＧａＡｓの基板４
１上に５ｉｆｔの層４２をつけおき、ここに例えばＭＯ
−ＣＶＤ法で選択的にＡｌＡｓの障壁４３を成長させる
と、図示のように突起状の層が形成される。そこで、こ
の突起状の障壁４３の上にさらにＡｌＡｓのグリッド入
りＧａＡｓ原子層４３、ＡｌＡｓの障壁４４を成長させ
る。しかる後、突起部の断面部にｎ　　ＡｌＧａＡｓの
被覆層３６を成長させる。なお、この場合には、結晶の
方位を選ぶことが必要である。例えば突起部の断面とな
る部分の方位がｒｌｌｌｊＢ面、奥行き方向がｒｌｌｏ
」又はそれと等価な方向となればよい。しかも、奥行き
方向には図示のようにステップを作る必要があるので、
基板側を傾けておき、方位を選んで成長させてゆくこと
も必要である。

第８図及び第９図は複層構造を利用したグリッド入り量
子構造の他の実施例を示す図である。

第８図に示すグリッド入り量子構造は、ＡＩＡＳとＧａ
Ａｓを用いた障壁５１．５３、グリッド５４入りの原子
層５２からなるサンドイッチ構造のものにおいて、グリ
ッド５４が露出した断面に被覆層としてまず原子層と同
じＧａＡｓの層５６、さらにその外側にＡｌＧａＡｓの
層５５を成長させたものである。このグリッド入り量子
構造では、グリッド５４の先端に電子のいやすいＧａＡ
ｓの被覆層５６が存在するので、電子が原子層５２から
被覆層５６側に滲みでて閉じ込められる。つまり、Ｇａ
Ａｓの原子層５２と被覆層５６の三叉路の交点でグリッ
ド５４のない領域に電子がたまりやすくなり閉じ込めら
れる。まこ、このようにすると、電子とグリッド５４と
の相互作用が弱められるが、その外側がドープなしの被
覆層であるので、電子だけでなく正孔も一緒に閉じ込め
ることができる。レーザを作るときには、電子だけでな
く正孔も閉じ込めることが必要になるので、このグリッ
ド入り量子構造は、レーザを作るのに便利な構造となる
。

第９図に示すグリッド入り量子構造は、ＡｌＧａＡｓと
ＧａＡｓを用いた障壁６１．６３、グリッドのない原子
層６２からなるサンドイッチ構造のものにおいて、その
断面を図示のようにやや斜めにして縦方向ステップ状に
ＡｌＡｓのグリッド６４を埋め込み、その上にＧａＡｓ
の被覆層６６を被せ、さらにｎ−ＡｌＧａＡｓの被覆層
６５を被せる。このようにすると、ＡｌＡｓのグリッド
６４がないＧａＡｓの原子層６２と被覆層６Ｇが突き当
たった三叉路の部分（同図（ｂ）の点線Ｅの領域）に電
子を閉じ込めることができる。

なお、本発明は、単層の量子構造の例について説明を加
えたが、上記の実施例に限定されるものではなく、量子
構造を複層化したものなど種々の変形が可能である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、構造
内部に異種材料で構成したグリッドを等間隔で挿入し、
グリッドのポテンシャルを高めたり、低めたりすること
ができるので、１０層以下の原子層で数１０原子層の異
種材料による結晶と同じ効果を得ることができる。しか
も、グリッドの配置によって種々の制御が可能であり、
その幅や厚さによって特性を変えることができる。また
、１０層以下の原子層の積層でよいので、作製が容易に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るグリッド入り量子構造の１実施例
構成を示す図、第２図はグリッド入り量子構造を使用し
た量子構造デバイスの構成例を示す図、第３図は引力ポ
テンシャルの線状グリッドを用いた例を示す図、第４図
は引力ポテンシャルの矩形状グリッドを用いた例を示す
図、第５図は接合界面に形成される電気伝導層を利用し
た複合構造の量子箱の例を示す図、第６図及び第７図は
量子箱の製法を説明するための図、第８図及び第９図は
複層構造を利用したグリッド入り量子構造の他の実施例
を示す図、第１０図は２次元ステップ構造の例を示す図
、第１１図は周期的なステップ構造の作製方法を説明す
るための図、第１２図は結晶成長方法を用いた量子井戸
デバイスの作製方法を説明するための図、第１３図は縦
型に組成の異なる結晶を形成した量子井戸デバイスの例
を示す図である。 １・・・原子層、２・・・グリッド、３と４・・・障壁
、１１と１２・・・電極、１３・・・ゲート、１４・・
・グリッド入り量子構造、１５・・・ｐ層、１６・・・
ｎ層。