JPH043483A - 半導体量子井戸細線・量子井戸箱の作製法およびそれを用いた装置 - 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〕 本発明は半導体量子井戸細線・量子井戸箱の作製法およ
びそれを用いたレーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体量子井戸細線および量子井戸箱の作製には
ホトリソグラフィー工程が必要不可欠であった。例えば
、ジャパニーズ　ジャーナル　オブ　アプライド　フィ
ジックス　２６　（１９８７年）第Ｌ２２５頁から第Ｌ
２２７頁（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　２６　（１９８７）ｐ
ｐＬ２２５−Ｌ２２７）では、量子井戸細線構造および
量子井戸箱構造の裏作の試みが報告されている。これは
、基板表面の垂直方向に超格子構造をエピタキシャル成
長により作製した後に、ホトリソグラフィーおよびエツ
チングを用いて量子井戸細線あるいは量子井戸箱の大き
さを規定する方法をとっている。

一方、ジャーナル　オブ　クリスタル　グロウス　９３
　（１９８８年）第８５０頁から第８５６頁（Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　９３　
（１９８８）ｐ　ｐ　８５０−８５６　）においては、
ホトリソグラフィーおよびエツチングにより基板に線状
に並んだ溝を形成し、その上に超格子構造をエピタキシ
ャル成長する技術が開示されている。この際、溝の底で
の成長量が大きいために、電子および正孔がそこに閉じ
込められることにより、量子井戸細線が実現されている
。

また、上述の量子井戸細線および量子井戸箱を用いたレ
ーザ装置の特性も、上記文献に報告されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記半導体量子井戸細線および量子井戸箱作製に関する
従来技術は、ホトリソグラフィーの精度および再現性の
点で配慮がされていなかった。すなわち、０．１μｍ以
下のバタン幅を描画するには光学的手法では困難で、電
子線を用いなければならないが、電子線描画を用いても
再現性よ〈実施するのは困難であり、描画に長時間要す
るため生産性が悪い。さらに、バタン最小線幅で量子井
戸細線および量子井戸箱の密度の上限が決まってしまい
、高密度化が難しいという問題があった。

また、溝を形成した後の半導体層の成長は、−度大気に
されされるために、界面に不純物等が存在し、量子井戸
細線を構成する半導体層の結晶性が、大気にさらさずに
連続成長する場合に比して劣化するという問題もあった
。さらに、この方法で作製された量子井戸細線および量
子井戸箱を用いた半導体レーザ装置の性能は再現性に劣
るという問題もあった。

本発明は量子井戸細線および量子井戸箱を０．１μｍ以
下特に６００Å以下の間隔で、再現性よく、しかも短時
間で容易に作製することを目的とする。

また、良好な結晶性を維持するために、大気にさらさず
同一装置内で量子井戸線軸および量子井戸箱を作製する
ことを目的とする。さらに、この高密度量子井戸細線あ
るいは量子井戸箱を用いて、高性能半導体レーザ装置を
再現性よく実現することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明においては、表面偏
析する不純物物療子を高密度有する半導体層表面に自然
に形成されるファセット形状を利用したものである。

〔作用〕

我々は、表面偏析する不純物原子を高濃度有する半導体
層表面にファセットと称せられるエネルギー的に安定な
面が周期性よく出現することを見い出した。そして、続
けてアンドープ半導体層を成長すると、表面が平坦化に
向う事実も見い出した。

以下、半導体層にＧ　ａ　Ａ　ｓを、表面偏析する不純
物原子にＢｅを用いた場合を例にとり、第１図を用いて
説明する。

第１図（ａ）は、ＧａＡｓ　（１００）基板１上に、分
子線エピタキシャル成長法により、６３０℃においてＢ
ｅドープＧａＡｓ層２（Ｂｅ：６Ｘ１０”ａｍ’″３）
を１６００人長成した表面付近を走査形電子顕微鏡によ
り観察した結果を示した模式図である。［０１１１方向
および［０１１］方向に高さ３００人の（４１１）Ａフ
ァセット３が出現した。［０１１１方向には０．５μｍ
以上の直線性を有する山脈状の表面形態となっている。

なお、この山脈状形態の高さおよび長さは、層２の厚さ
により変えることができる。ところがこのようなファセ
ット形状はＢｅ濃度が３　Ｘ　１０１９ａｎ−３以下で
は観察されない。このことから、表面偏析したＢｅ原子
の数がある程度大きくなると、そこを核中心としてＧａ
Ａｓの３次元核が発生しやすくなり、成長とともに低エ
ネルギー面である（４１１）Ａ面が出現したものと考え
られる。

第１図（ａ）の構造上にアンドープＧａＡｓおよびアン
ドープＡρＧａＡｓを成長させた場合に表面形状がどの
ように変化するかを調べるために、第１図（ｂ）の構造
を分子線エピタキシャル成長法により作製した。成長温
度は６３０℃で、ＧａＡｓ（１００）基板１上に、Ｂｅ
ドープＧ　ａ　Ａ　ｓ層２（Ｂｅ　：　６Ｘ１０”＞−
３）１６００人、および１周期がＧａＡｓ層５（２８人
）　／　Ａ　Ｑ　ｏ　、　３　Ｇ　ａ　ｏ　−ｔ　Ａ　
ｓ層４（４０人）からなるアンドープ超格子構造を２０
周期成長した。なお、ここで示した膜厚は平坦な（１０
０）面上に換算した場合の値である。

第１図（ｂ）の構造を（０１１）断面を用いて透過型電
子顕微鏡観察した結果の模式図が第１図（ｃ）である。

ＢｅドープＧａＡｓ層２からＢｅが拡散するために、超
格子構造の約１０周期が無秩序化して、ＡρＧ　ａ　Ａ
　ｓ混晶化領域６が形成される。この領域６の表面まで
は（４１１）Ａファセット３の形状を維持している。二
次イオン質量分析法によりＢｅ濃度の深さ方向のプロプ
アイルを調べた結果、領域６の表面でのＢｅ濃度は４×
１０”ｃｍ−３であることがわかった。Ｂｅ濃度が４Ｘ
１０１９σ−３以下になると、もはや（４１１）Ａ面は
安定でなくなり、徐々に（１００）面へ平坦化していく
様子が、領域６から表面側の層４と層５の界面形状の変
化からうかがえる。注目すべきことは、この平坦化の際
に（４１１）Ａファセットからなる谷の部分から埋まり
出し、（４１１）Ａファセット上での平坦化初期の成長
量は無視できるほど小さいことである。

このような現象を利用して、第２図（ｂ）に模式的に示
したような量子井戸細線構造が実現できる。すなわち、
表面偏析する不純物原子を高濃度に有する半導体層８を
分子線エピタキシャル成長し、表面にファセットを出現
させる。続いて、該原子の拡散によるヘテロ接合の混晶
化を防ぐために、アンドープ半導体層９を成長し、該不
純物の表面層付近の濃度を混晶化を起こす臨界値以下で
、該ファセット形状を維持できる濃度以上にする。

この上に、禁制帯幅の大きな第１の半導体層１０゜禁制
帯幅の小さな第２の半導体層１１、そして、再び第１の
半導体層１０を１００人程度以下の厚さで積層する。

電子および正孔は層１０中にたまるが、その膜厚が小さ
いほど許容エネルギー準位が高くなるために、実際には
（４１１）Ａファセットからなる谷部の領域１８に局在
化することになる。この効果により、電子および正孔の
運動の自由度は第２図（ｂ）の紙面に垂直方向のみとな
り、量子井戸細線構造が実現できる。また、これを用い
て半導体量子井戸細線レーザ装置が作製できる。

さらに、ＢｅドープＧａＡｓ層２の厚さを４００Å以下
と薄くして量子井戸細線の長さを１００人程度にすれば
量子井戸箱構造が実現でき、いっそう高性能のレーザ装
置を作製することができる。

ここで述べた半導体量子井戸細線および量子井戸箱の作
製法は、同一の分子線エピタキシャル成長装置内で実施
できる。そのため大気にさらさずに作製でき、結晶性の
よい半導体層を用いて該構造を実現できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図により説明する。

第２図（ａ）はＡ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ系量子井戸細線レーザ装置の（０１１）断面図で
ある。

半導体層のエピタキシャル成長は、分子線エピタキシー
装置内で６３０”Ｃにて成長速度１μｍ／時で行った。

ｐ型ＧａＡｓ　（１００）基板（Ｚｎ濃度Ｉ　Ｘ　１０
”ａｍ−３）　７上に、ＢｅドープＡ　ｎ。、５Ｇ　ａ
ｏ、、Ａ　ｓ層（Ｂ　ｅ　：　６　Ｘ　１０１９ａｎ−
３）８を５００人、ＢｅドープＡ　Ｑ　ｘ　Ｇ　ｚ　−
ｘ　Ａ　８層（Ｂ　ｅ　：　Ｉ　Ｘ　１０１９ｃｍ−３
、組成Ｘは０．５から０．３へ徐々に変化させる）９を
３００人、アンドープＡ　Ｑ。、３Ｇ　ａ（１，７Ａ　
ｓ層１ｏを１００人、アンドープＧａＡｓ層１１を５０
人、再びアンドープＡ　Ｑ、、、Ｇ　ａｌ）、７Ａ　ｓ
層１０を１００人、そしてＳｉドープＡｆ１．Ｇａ□−
ｘＡｓ層（Ｓ　ｉ　：　Ｉ　ＸＩＯ”ａｍ−３、組成又
は０．３から０．５へ徐々に変化させる）１２を５００
人、Ｓ１ドープＡ　１２ｏ、５Ｇａ、、５Ａｓ層（Ｓ　
ｉ　：　Ｉ　Ｘ　１０１＠ｒａ−３）　１３を１０００
人。

ＳｉドープＧ　ａ　Ａ　ｓ層（Ｓ　ｉ　：　５　Ｘ　１
０”ａｎ−３）１４を２０００人成長した。なお、ここ
で示した膜厚は、平坦な（１００）面上に換算した場合
の値である。

層９から層１２までの領域を断面透過型電子顕微鏡によ
り観察した結果を模式的に第２図（ｂ）に示す。層９の
厚さは層８からのＢｅの拡散を考慮して、層９表面付近
でＢｅ濃度が４Ｘ１０”ｅｌｌ−”になるように最適化
しているので、層９表面には高さ約１００人の（４１１
）Ａファセットが［０１１］方向に同期５６０±５０人
で現れている。［０１１Ｆ方向の山脈形状の直線性は０
．３μｍ以上である。続く層１０では層９の表面に存在
するＢｅ原子の影響で（４１１）Ａファセット形状はほ
ぼ引きつがれる。しかし、層１０を１００人成長後、層
１１の成長を始める付近から（４１１）Ａファセットか
ら成る谷部への成長が始まっている。層１１は平坦な（
１００）面上で５０人の厚さに換算されるが、実際には
谷部で約１０ｏ人の厚さとなっている。層１１以後の成
長により、表面は（１００）面へと平坦化に向い、層１
３成長中に完全に（１００）表面となった。

このようにして、層１０．層１１２層１０の３層構造お
よび層１０の膜厚分布により、電子および正孔は第２図
（ｂ）に示した領域１８に局在化され、紙面に垂直方向
のみに運動の自由度を有する量子井戸細線構造が実現で
きた。しかも、この細線が［０１１］方向に５６０±５
０人の周期で繰り返される多重量子井戸細線構造となっ
ている。

上述のように実現された多重量子井戸細線構造を備えた
エピタキシャル結晶に対して、ｎ型オーミック電極１５
をｐ型ＧａＡｓ　（１００）基板７の裏面全面に、ｎ型
オーミック電極１６をＳｉドープＧ　ａ　Ａ　ｓ層１４
の表面の必要領域にそれぞれ形成した後に、へき開を行
い第２図（ａ）に示したユーザ装置を作製した。

なお、本実施例における量子井戸細線の長さは０．３μ
ｍ程度あるいはそれ以上となっているが、この値は重要
ではない。なぜならば、レーザ装置への適用にあたり本
質的なのは、自由電子および正孔の運動が１方向のみに
限られることにより。

状態密度が鋭いピークを持つようになることであるから
である。ただし、層８の厚さを４００Å以下と薄くし、
（４１１）Ａファセットの高さを低減して、量子井戸細
線の長さを０．１μｍ以下あるいはさらに１００人程度
にしてしまえば、自由電子および正孔の自由度がＯと見
なせる量子井戸箱構造となり、さらにレーザ装置の特性
を上げることもできる。

さらに１層１０としてアンドープ Ａ　Ｑｏ、３Ｇ　ａ、、、Ａ　ｓに代えてＢｅドープＡ
　Ｑ。、、Ｇ　ａｏ−ｔＡ　ｓ　（Ｂ　ｅ　：　Ｉ　Ｘ
　１０”Ｑｌｌ−３）を用いてもよい。この場合、量子
井戸細線中に正孔が充満し、電子と正孔の再結合確率が
増大するので、微分利得等のレーザ特性がさらに改善さ
れる。

本実施例では量子井戸細線の構成半導体としてＡ　Ｑ　
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系についてのみ示
したが、他の■−■族化合物半導体および混晶系とＢｅ
の高濃度ドーピングの組み合わせ、あるいは■−■族化
合物半導体および混晶系とＳｎの高濃度ドーピングの組
み合わせによる（４１１）Ａファセット形状を利用して
も、全く同様にして量子井戸細線構造を作製できる。ま
た、ＩＶ族半導体および混晶については、表面偏析する
不純物としてＢ。

Ｇａ、Ｓｂを用いると、（３１１）　ファセットが発生
し、ｍ−ｖ族化合物半導体系と同様に本発明を実施でき
る。なお、このようにして作製された量子井戸細線構造
および量子井戸箱構造は、レーザ装置以外にトランジス
タ等の電子素子に適用して高速化、高集積化に寄与する
効果もある。

本実施例によれば、ホトリソグラフィー工程を用いずに
、エピタキシャル成長のみで量子井戸細線および量子井
戸箱構造を短時間で容易に良好な結晶性で実現できる効
果がある。しかも、自然に形成されたファセット間隔が
±５０人程度のばらつきしかないことから、ホトリソグ
ラフィーの精度に頼っていた従来技術に比べて、きわめ
て高精度に量子井戸細線構造が作製できる効果もある。

さらに、該ファセットとして同一半導体系では常に一定
の面が現れるので、それにより構成される谷部の形状は
一定になるため、再現性よく量子井戸細線が作製できる
効果もある。

さらに、量子井戸細線構造作製に不可欠な層８から上側
の層１０までの成長時間は６分程度であり、エピタキシ
ャル成長前後の基板温度の昇降温時間約３０分を含めて
も、４０分以内での量子井戸細線構造の作製が可能とな
り、従来技術の数時間〜数日に比べて生産性が飛躍的に
向上する効果もある。

また、量子井戸細線間隔が５６０人程度あるいはそれ以
下にまでできるので、量子井戸細線密度が上がり、これ
を用いたレーザ装置の性能が向上する効果もある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、結晶表面に周期性よく自然に形成され
るファセット形状を用いて、エピタキシャル成長のみで
量子井戸細線および量子井戸箱構造を作製できる。従っ
てホトリソグラフィーを用いていた従来技術に比較して
、作製が短時間かつ容易となり、しかも本気にさらさず
に作製できるので結晶性が向上する。

また、ファセット形状は常に一定となるので、量子井戸
細線作製の再現性が非常によくなる。さらに、量子井戸
細線あるいは量子井戸箱の間隔が０．１μｍ以下のもの
が容易に実現できることがら、高密度の量子井戸細線あ
るいは量子井戸箱構造を有する高性能のレーザ装置を再
現性良く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための半導体エピタキ
シャル成長層の（０１１）縦断面図、第２図は本発明の
一実施例のＡ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　ＧａＡｓ系量
子井戸細線レーザ装置の（０１１）縦断面図である。 １−　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　（１００）基板、２−　Ｂ　ｅ
ドープＧａＡｓ層、３・＝　（４１１）　Ａファセット
、４゜１０　・・・アンドープＡ　Ｑ。、３Ｇ　ａ、、
、Ａ　ｓ層、５゜１１・・・アンドープＧ　ａ　Ａ　ｓ
層、６・・・超格子混晶化領域、７−ｐ型ＧａＡｓ　（
１００）基板、８・・・ＢｅドープＡ　Ｑｏ、ｓＧ　ａ
ｏ、ＳＡ　ｓ層、９−　Ｂ　ｅドープグレーディングＡ
ｕＧａＡｓ層、１３・・・ＳｉドープＡ　Ｑｏ、ｓＧ　
ａｏ、ｃＡ　ｓ層、１８・・電子および正孔閉じ込め領
域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面偏析する不純物原子を高濃度含む半導体層上に
   形成されるファセット形状を利用することを特徴とする
   半導体量子井戸細線・量子井戸箱の作製法。 ２、上記半導体層はIII−Ｖ族化合物半導体および混晶
   であり、上記不純物はＢｅあるいはＳｎであることを特
   徴とする請求項１記載の半導体量子井戸細線・量子井戸
   箱の作製法。 ３、上記半導体層はＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓであり
   、上記不純物はＢｅであり、Ｂｅ濃度は６×１０＾１＾
   ９ｃｍ＾−＾３以上であることを特徴とする請求項１記
   載の半導体量子井戸細線・量子井戸箱の作製法。 ４、上記半導体層はIV族半導体および混晶であり、上記
   不純物はＢ、ＧａあるいはＳｂであることを特徴とする
   請求項１記載の半導体量子井戸細線・量子井戸箱の作製
   法。 ５、請求項１ないし４記載の半導体量子井戸細線構造あ
   るいは半導体量子井戸箱構造を用いて作製されたことを
   特徴とする半導体レーザ装置。 ６、請求項１ないし４記載の方法で作製された半導体量
   子井戸細線構造あるいは半導体量子井戸箱構造を含むこ
   とを特徴とする半導体エピタキシャル成長ウェハ。 ７、同一エピタキシャル成長装置内で行なうことを特徴
   とする半導体量子井戸細線および量子井戸箱の製作法。