JPH0529714A - 量子細線または量子箱 - Google Patents

量子細線または量子箱

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JPH0529714A
JPH0529714A JP18457191A JP18457191A JPH0529714A JP H0529714 A JPH0529714 A JP H0529714A JP 18457191 A JP18457191 A JP 18457191A JP 18457191 A JP18457191 A JP 18457191A JP H0529714 A JPH0529714 A JP H0529714A
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JP
Japan
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quantum
layer
algaas
film
wire
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JP18457191A
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English (en)
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Takeshi Miura
猛 三浦
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
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    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3413Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers comprising partially disordered wells or barriers

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 完全に二次元的または三次元的に量子化され
た量子細線または量子箱を提供することを目的とする。 【構成】 超格子層9を有する半導体装置において、超
格子層9の上部に、この超格子層9までの距離が異なる
凹凸14を少なくとも1つ有するAlGaAs層6を設け、凹
凸14を覆った状態にSiO2 膜10を形成する。この
膜10の内部にAlGaAs層6のGa原子が拡散し、AlGaAs層
6に空孔11を形成する。加熱することによって、空孔
11が超格子層9側に拡散するが、凹凸14の超格子層
9までの距離が異なることにより、超格子層9の一部が
混晶化され、量子細線または量子箱が製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、量子細線または量子箱
の製造方法に関する。なお、量子細線または量子箱と
は、超格子(伝導電子の量子力学的波長λと同程度のレ
ベルに区切ったもの)の次元を二次元または三次元に拡
大したものである。
【0002】
【従来の技術】上記のような量子細線または量子箱は、
例えば量子井戸レーザーの活性層として使用されること
があり、これら量子細線または量子箱の使用により、レ
ーザー発振に要するしきい値電流の温度に対する安定性
が向上する。従来、このような量子細線の製造方法とし
ては、例えば図5に示すようなものがある。この製造方
法では、まず同図(a)に示すように、GaAs基板3上に
AlGaAs量子薄層2とGaAs量子薄層1とを交互に成長させ
ることによって、超格子構造を形成する。次に、同図
(b)に示すように、この超格子構造の上面にフォトレ
ジスト4を塗布して、所定の幅にパターニングを行う。
その後に、同図(c)に示すように、この超格子構造に
対してウエットエッチングを行い、このエッチングの際
のサイドエッチングを考慮して、超格子構造の幅を量子
効果がでる程度のサイズに制御する。このとき、エッチ
ング液としては、硫酸と過酸化水素と水との混合液を使
用する。最後に、同図(d)に示すように、フォトレジ
スト4を除去してから、超格子構造を覆うようにAlGaAs
の保護層5を埋め込み成長させる。即ち、この製造方法
では、量子薄層自体をエッチングすることによって量子
細線を形成していた。
【0003】また、図6に示すような方法によって量子
細線を製造することもある。即ち、同図(a)に示すよ
うに、GaAs基板3上にAlGaAs障壁層6でGaAs量子薄層1
を挟んだウエハーを形成する。次に、同図(b)に示す
ように、集束Gaイオンビーム7で最上部のAlGaAs障壁層
6の表面を走査しながら、Ga原子を注入する。そして、
このウエハーをアニールし、同図(c)に示すように、
Gaイオン注入領域8を形成する。このように、Gaイオン
注入領域8によってGaAs量子薄層1を部分的に混晶化さ
せ、量子細線を形成する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図5に示す製造方法で
は、超格子構造自体をエッチングしなければならず、こ
のエッチングの際に超格子層が大気中にさらされるため
に、表面準位の影響を受け、完全に二次元的に量子化さ
れないという問題があった。即ち、膜厚方向(図5にお
ける上下方向)には量子効果が現れるが、二次元的に
(図5における上下及び左右方向に)量子効果が確認さ
れないという問題点があった。また、AlGaAsの保護層5
を埋め込み成長させているので、この埋め込み成長させ
る際の成長温度の問題で、膜厚方向の量子井戸構造がデ
ィスオーダされ、所望の量子効果が得られないことがあ
るという問題点があった。
【0005】また、図6に示す製造方法では、イオン注
入を行った際に、結晶欠陥が生じる。この結晶欠陥を元
の結晶状態に回復させるために、加熱を行うが、この際
に注入したGa原子の拡散が生じる。これが微細部には大
きな問題となる。
【0006】本発明は、上記の問題点を解決した量子細
線または量子箱の製造方法を提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、量子薄層を有する半導体装置におい
て、この量子薄層の上部に、この量子薄層までの距離が
異なる凹凸を少なくとも1つ有する半導体層を設け、こ
の半導体層を構成する原子が拡散する膜、例えばSiO
2 を上記凹凸を覆った状態に形成する。この半導体層と
しては、例えばAlGaAs層を用いる事ができる。また、上
記凹凸は様々な形状、幅及び深さを有するものとするこ
とができ、例えば、そのうちの1つを用いる。最後に、
このような半導体層及び膜を有する上記半導体装置を加
熱する。
【0008】
【作用】本発明による量子細線または量子箱の製造方法
によれば、上記膜を半導体層に設けたことにより、半導
体層を構成する原子が上記膜に拡散し、半導体層には空
孔が生じる。この空孔は、半導体装置を加熱した際に、
量子薄層側へ拡散する。このとき、半導体層には凹凸が
設けられているので、量子薄層までの距離が長い部分と
短い部分とがある。量子薄層までの距離が短い半導体層
の部分の空孔は、加熱によって、量子薄層まで到達し、
その到達部分を混晶化する。一方、量子薄層までの距離
が長い半導体層の部分の空孔は、加熱されても、量子薄
層まで殆ど到達せず、量子薄層を混晶化しない。従っ
て、量子薄層には、混晶化部分が間隔をおいて形成さ
れ、この混晶化部分が量子薄層を区切ることによって量
子細線または量子箱が形成される。
【0009】
【実施例】この実施例では、まず図1(a)に示すよう
に、GaAs基板3上に量子薄層、例えばGaAs/AlGaAs 超格
子層9を成長させる。この超格子層9は、公知のように
GaAs層とAlGaAs層とを同図における上下方向に交互に成
長させたもので、伝導電子の量子力学的波長λと超格子
の各層厚を同程度のレベルとしてある。この実施例で
は、各層厚は例えば100Å程度とされている。この超
格子層9の上面に、半導体層として、例えばAlGaAs障壁
層6を成長させている。
【0010】次に、AlGaAs障壁層6上にフォトレジスト
4を塗布し、パターニングを行い、このパターニングを
行ったフォトレジスト4をマスクとして、AlGaAs障壁層
6をエッチングする。その結果、同図(b)に示すよう
に多数の凹部14aと凸部14bとからなる凹凸14が
形成される。なお、量子細線を製造する場合には、凹凸
14は図2に示すように、一方向にのみ形成し、量子箱
を形成する場合には、図3に示すように一方向のみでな
く、これと直角な方向にも形成する。なお、凹部14a
のGaAs/AlGaAS 超格子層9までの深さd、凹部14aの
幅w、凸部14bのGaAs/AlGaAS 超格子層9までの深さ
D、凸部14bの幅Wは、製造しようとする量子細線、
量子箱によって異なるが、例えば順に5000Å、1μ
m、1μm、1μmである。
【0011】フォトレジスト4を除去した後、同図
(c)に示すように凹凸14上に膜、例えばSiO2
10を形成する。一般にSiO2 膜は、AlGaAs層に接触
させた場合、AlGaAs層のGa原子を吸い取る性質がある。
従って、SiO2 膜10をAlGaAs障壁層6の凹凸14上
に形成すると、AlGaAs障壁層6中のGa原子がSiO2
10中に拡散する。その結果、AlGaAs障壁層6中には、
同図(d)に示すようにGa原子の空孔(Vacancy )11
が発生する。
【0012】最後に、例えばラピッド・サーマル・アニ
ール法によって、例えば摂氏900度乃至1000度
で、望ましくは950度で、15秒ほど、GaAs基板3、
GaAs/AlGaAS 超格子層9、AlGaAs障壁層6、SiO2
10を加熱する。これによって、AlGaAs障壁層6中のGa
原子の空孔11が、同図(d) に示すように、GaAs/AlGaA
S 超格子層9側に拡散する。この際、凹部14aからAl
GaAs障壁層6までの距離dは、凸部14bからAlGaAs障
壁層6までの距離Dよりも短いので、凹部14aに対応
するAlGaAs障壁層6の部分には空孔11が到達するが、
凸部14bに対応するAlGaAs障壁層6の部分には空孔1
1が殆ど到達しない。即ち、一定の周期で空孔11が到
達する部分と到達しない部分が形成される。そして、空
孔11が到達したGaAs/AlGaAS 超格子層9の部分が混晶
化部分12となる。ここで、混晶化とは、超格子層9を
構成しているGaAsのGaと、AlGaASのAl、Gaとが相互拡散
することによって、平均的な組成のAlGaASとなることで
あり、この混晶化をGaの空孔11が促進している。この
ようにして、超格子層9に混晶化部分12が一定間隔を
おいて形成されるので、超格子層9には、凸部14bの
幅Wに対応した幅(この幅Wは無論、伝導電子の量子力
学的波長(ドブロイ波長)以下である。)を持つ量子細
線または量子箱が形成される。
【0013】このようにして製造された量子細線または
量子箱は、量子井戸レーザーの活性層として使用される
が、これら量子細線または量子箱の領域を1つ1つ分離
することで、数十μmサイズのマイクロレーザーとして
使用したり、数個を1チップ内に組み込むことで、アレ
イレーザーとして使用することができる。
【0014】なお、図4(a)及び(b)に示すよう
に、凹部14aの深さd、凸部14bの深さDを変更す
ることによって混晶化の度合いを変えることができるの
で、波長の異なるアレイレーザーを製造することがで
き、また同図(c)に示すように、凹部14a及び凸部
14bの幅W、wを調整することによって、または同図
(d)に示すように凹部14a、凸部14bの形状を上
記の実施例とは異なるものとすることによって、混晶部
12の形状やサイズを調整することができる。また、上
記の実施例では、超格子層9には、AlGaAs系の材料を使
用したが、他の材料、例えばInGaAs系の材料を使用し、
GaAS/InGaAs の超格子層9を形成してもよい。
【0015】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、半導体
層、例えばAlGaAs層に少なくとも1つの凹凸を設けるこ
とによって、量子薄層までの距離がそれぞれ異なる部分
を半導体層に形成し、さらに、この半導体層の凹凸を覆
うように膜を形成し(この膜は、半導体層を構成する原
子、例えばGa原子が、この膜の内部に拡散するものであ
り、半導体層に空孔を形成する。)、加熱することによ
って、空孔を量子薄層側に拡散させ、凹凸の量子薄層ま
での距離が異なることを利用して、部分的に量子薄層を
混晶化し、量子薄層をドブロイ波長程度に区切って、量
子細線または量子箱を製造しているので、量子薄層自体
をエッチングしたり、埋め込み成長を行ったり、イオン
注入及びそれによる結晶欠陥回復用の加熱を行ったりす
る必要がない。従って、完全に二次元的または三次元的
に量子化された量子細線または量子箱を得ることができ
る。さらに、形成する凹凸の形状、幅、深さを任意に設
定することによって、様々な用途に応じた混晶化部の形
状や、大きさ、混晶化の程度を任意に設定することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による量子細線または量子箱の製造方法
の1実施例を示す図である。
【図2】同実施例において量子細線を製造する場合の凹
凸を示す斜視図である。
【図3】同実施例において量子箱を製造する場合の凹凸
を示す斜視図である。
【図4】同実施例において使用する凹凸の様々な変形例
を示す図である。
【図5】従来の量子細線または量子箱の製造方法の一例
を示す図である。
【図6】従来の量子細線または量子箱の製造方法の他の
例を示す図である。
【符号の説明】
3 GaAs基板 6 AlGaAs障壁層(半導体層) 9 GaAs/AlGaAs 超格子層(量子薄層) 10 SiO2 膜 12 混晶化部 14 凹凸

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 量子薄層を有する半導体装置において、
    上記量子薄層の上部に、この量子薄層までの距離が異な
    る凹凸を少なくとも1つ有する半導体層を設ける過程
    と、上記半導体層を構成する原子が拡散する膜を上記凹
    凸を覆った状態に形成する過程と、上記量子薄層、上記
    半導体層及び上記膜を有する上記半導体装置を加熱する
    過程とを、具備する量子細線または量子箱。
  2. 【請求項2】 上記半導体層がAlGaAs層であり、上記膜
    が二酸化シリコンの膜であることを特徴とする請求項1
    記載の量子細線または量子箱。
  3. 【請求項3】 上記凹凸が様々な形状、幅及び深さを有
    するもののうちから選択された1つであることを特徴と
    する請求項1または2記載の量子細線または量子箱。
JP18457191A 1991-07-24 1991-07-24 量子細線または量子箱 Pending JPH0529714A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07202349A (ja) * 1993-12-14 1995-08-04 Korea Electron Telecommun Mbe材結晶成長の分子線回折を利用した量子細線レーザーダイオードの製造方法
JP2012222354A (ja) * 2011-04-05 2012-11-12 Imec 半導体デバイスおよび方法

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