JPH07118560B2 - 半導体構造体とその製造方法 - Google Patents
半導体構造体とその製造方法Info
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- JPH07118560B2 JPH07118560B2 JP60175814A JP17581485A JPH07118560B2 JP H07118560 B2 JPH07118560 B2 JP H07118560B2 JP 60175814 A JP60175814 A JP 60175814A JP 17581485 A JP17581485 A JP 17581485A JP H07118560 B2 JPH07118560 B2 JP H07118560B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体微細構造中に生じる量子サイズ効果を
利用した光デバイス及び電気デバイスと、それらの微細
構造およびその製造方法に関する。
利用した光デバイス及び電気デバイスと、それらの微細
構造およびその製造方法に関する。
多次元量子井戸構造による量子閉じこめを用いた半導体
レーザは、これまで理論的な解析が行われている（荒川
他，応用物理52,852（1982）参照。）のみで実験実証は
まだ行われていない。これは、100Å程度の量子閉じこ
めに必要な構造上の加工技術がこれまで存在しなかつた
ことによる。
レーザは、これまで理論的な解析が行われている（荒川
他，応用物理52,852（1982）参照。）のみで実験実証は
まだ行われていない。これは、100Å程度の量子閉じこ
めに必要な構造上の加工技術がこれまで存在しなかつた
ことによる。
本発明の目的は、100Å程度の量子井戸構造による電子
および／または正孔の波動函数の閉じこめを２次元方向
及び、３次元方向に実現する手段を与え、半導体レーザ
の性能を大幅に改善することにある。
および／または正孔の波動函数の閉じこめを２次元方向
及び、３次元方向に実現する手段を与え、半導体レーザ
の性能を大幅に改善することにある。
電子又は正孔を空間的に閉じこめ、量子サイズ効果を生
じさせるには、ヘテロ界面による量子井戸を実現する方
法が、最も適している。しかしながら、MBE法や、MOCVD
法を用いて多次元のヘテロ界面を形成することは極めて
難しく、いまだ実現していない。本発明では、III−Ｖ
族化合物半導体の超格子における不純物誘起相互拡散に
よる混晶化を量子井戸用ヘテロ界面に利用することで、
多次元量子井戸構造を得るものである。
じさせるには、ヘテロ界面による量子井戸を実現する方
法が、最も適している。しかしながら、MBE法や、MOCVD
法を用いて多次元のヘテロ界面を形成することは極めて
難しく、いまだ実現していない。本発明では、III−Ｖ
族化合物半導体の超格子における不純物誘起相互拡散に
よる混晶化を量子井戸用ヘテロ界面に利用することで、
多次元量子井戸構造を得るものである。
以下実施例を用いて説明する。
実施例１ 第１図において、ｎ−GaAs基板１上に、ｎ−Ga0.4Al0.6
Asクラツド層（1.5μｍ）2,アンドープAlAsバリア層（2
0Å）3,アンドープGaAs層（50Å）4,アンドープGa0.4Al
0.6As（30Å）５を順次MBE法で成長後、試料を１×10
-11torr以下の超高真空に保持したまま、集束イオンビ
ーム型イオン打込装置へ移送する。同程度の真空度を保
ちながら、Gaイオン６を、ビーム径100Åに絞つて、上
記試料に加速電圧5keV,電流密度20mA/cm2で打込む。打
込まれた領域で、Gaの濃度が５×1018の部分を７で示
す。再びMBE室に戻した後、Asソースを照射しながら700
℃で30分アニールした後、試料を外部へとり出し、透過
型電子顕微鏡で、試料の断面を観察した。超薄膜ヘテロ
構造3,4,5がGaイオンを打込んだ領域で消失し、混晶化
領域８が生じていた。非混晶化領域では、量子井戸構造
が残つており、井戸の部分９の幅は50Åで、その両側
は、ヘテロ構造が消えながら混晶化していく遷移領域が
50Åづつ存在していた。
Asクラツド層（1.5μｍ）2,アンドープAlAsバリア層（2
0Å）3,アンドープGaAs層（50Å）4,アンドープGa0.4Al
0.6As（30Å）５を順次MBE法で成長後、試料を１×10
-11torr以下の超高真空に保持したまま、集束イオンビ
ーム型イオン打込装置へ移送する。同程度の真空度を保
ちながら、Gaイオン６を、ビーム径100Åに絞つて、上
記試料に加速電圧5keV,電流密度20mA/cm2で打込む。打
込まれた領域で、Gaの濃度が５×1018の部分を７で示
す。再びMBE室に戻した後、Asソースを照射しながら700
℃で30分アニールした後、試料を外部へとり出し、透過
型電子顕微鏡で、試料の断面を観察した。超薄膜ヘテロ
構造3,4,5がGaイオンを打込んだ領域で消失し、混晶化
領域８が生じていた。非混晶化領域では、量子井戸構造
が残つており、井戸の部分９の幅は50Åで、その両側
は、ヘテロ構造が消えながら混晶化していく遷移領域が
50Åづつ存在していた。
実施例２ 第３図を用いて説明する。
実施例１で述べた方法を用いて、量子細線レーザを試作
した。MBE法を用いて、ｎ−GaAs基板11上に、ｎ−GaAs
バツフア層を２μｍ成長し、さらにｎ−Ga0.4Al0.6Asク
ラツド層12を1.5μｍ、ｎ−Ga0.7Al0.3As光ガイド層13
（0.3μｍ），アンドープAlAsバリア層（20Å），アン
ドープGaAS量子井戸層（50Å），アンドープAlAsバリア
層（20Å）,p−Ga0.7Al0.3As光ガイド層14（0.3μｍ）
を成長後、実施例１と同じ方法を用いてGaイオンをスト
ライプ状に打込んだ後、ｐ−Ga0.4Al0.6Asクラツド層15
（1.5μｍ）,p−GaAsキヤツプ層16（0.3μｍ）を成長し
た。
した。MBE法を用いて、ｎ−GaAs基板11上に、ｎ−GaAs
バツフア層を２μｍ成長し、さらにｎ−Ga0.4Al0.6Asク
ラツド層12を1.5μｍ、ｎ−Ga0.7Al0.3As光ガイド層13
（0.3μｍ），アンドープAlAsバリア層（20Å），アン
ドープGaAS量子井戸層（50Å），アンドープAlAsバリア
層（20Å）,p−Ga0.7Al0.3As光ガイド層14（0.3μｍ）
を成長後、実施例１と同じ方法を用いてGaイオンをスト
ライプ状に打込んだ後、ｐ−Ga0.4Al0.6Asクラツド層15
（1.5μｍ）,p−GaAsキヤツプ層16（0.3μｍ）を成長し
た。
通常のダブルヘテロ型半導体レーザを作製する方法を用
いて、ｐ側,n側の電極形成と、壁開による共振器の作製
を行つた。第３図に、量子細線が見えるカツトモデルを
図示した。この実施例では、打込後のアニールは、MBE
の成長を行うことで代行している。遷移領域も含めて幅
100Å，厚さ50Åの量子細線が得られた。レーザ発振の
しきい値は、2mA,微分量子効率90％のレーザが得られ
た。
いて、ｐ側,n側の電極形成と、壁開による共振器の作製
を行つた。第３図に、量子細線が見えるカツトモデルを
図示した。この実施例では、打込後のアニールは、MBE
の成長を行うことで代行している。遷移領域も含めて幅
100Å，厚さ50Åの量子細線が得られた。レーザ発振の
しきい値は、2mA,微分量子効率90％のレーザが得られ
た。
実施例３ 第４図を用いて説明する。
In0.18Ga0.82As/GaAs超格子で実施例１に示した積層構
造を作製し、Alをイオンソースとした直径100Åイオン
ビームで、互いに直交したｘ方向及びｙ方向の格子状の
打込を行い、As雰囲気中で750℃でアニールを行つた。A
lイオンを打込まなかつた領域９は、100×100Åの正方
形状に、ヘテロ構造が残つており、打込んだ領域８で
は、ヘテロ界面が混晶化により、消失していることが透
過電子線顕微鏡により観率で明らかになつた。
造を作製し、Alをイオンソースとした直径100Åイオン
ビームで、互いに直交したｘ方向及びｙ方向の格子状の
打込を行い、As雰囲気中で750℃でアニールを行つた。A
lイオンを打込まなかつた領域９は、100×100Åの正方
形状に、ヘテロ構造が残つており、打込んだ領域８で
は、ヘテロ界面が混晶化により、消失していることが透
過電子線顕微鏡により観率で明らかになつた。
この方法により、第４図に示す様な50×100×100Åの量
子箱が実現できた。
子箱が実現できた。
実施例４ 第５図を用いて説明する。
量子細線アレイの多層化を行つた。ｎ−GaAs基板上にｎ
−Ga0.4Al0.6Asクラツド層,n−Ga0.7Al0.3As光ガイド層
2,アンドープAlAsバリア層（20Å）18,アンドープGaAs
層（50Å）19,アンドープGa0.4Al0.6As（30Å）20をMBE
法で成長後、超高真空に保持したまま、イオン打込室で
Ga集束イオンビームを実施例１と同様のパターンに打込
み、MBE室でさらにアンドープGa0.6Al0.4As（20Å）21,
アンドープGa0.4Al0.3Asバリア層20Å22,アンドープGaA
s（50Å）23,アンドープGa0.4Al0.6As（30Å）24を成長
後、Gaイオンを前回と同様に打込み、ｐ−Ga0.7Al0.3As
光ガイド層層25,p−Ga0.4Al0.6Asクラツド層26,p−GaAs
キヤツプ層を成長し、層19,23における量子井戸構造を
量子細線部９を多層的に残した。以下通常のプロセスを
用いて、半導体レーザを作り、電流注入を行つてレーザ
発振させた。レーザ発振のしきい値は5mA,レーザ出力4m
Wが得られた。3mW出力時の微少変調の周波数特性は、3d
B領域で、10GHzであり、極めて高速変調が可能であるこ
とがわかつた。
−Ga0.4Al0.6Asクラツド層,n−Ga0.7Al0.3As光ガイド層
2,アンドープAlAsバリア層（20Å）18,アンドープGaAs
層（50Å）19,アンドープGa0.4Al0.6As（30Å）20をMBE
法で成長後、超高真空に保持したまま、イオン打込室で
Ga集束イオンビームを実施例１と同様のパターンに打込
み、MBE室でさらにアンドープGa0.6Al0.4As（20Å）21,
アンドープGa0.4Al0.3Asバリア層20Å22,アンドープGaA
s（50Å）23,アンドープGa0.4Al0.6As（30Å）24を成長
後、Gaイオンを前回と同様に打込み、ｐ−Ga0.7Al0.3As
光ガイド層層25,p−Ga0.4Al0.6Asクラツド層26,p−GaAs
キヤツプ層を成長し、層19,23における量子井戸構造を
量子細線部９を多層的に残した。以下通常のプロセスを
用いて、半導体レーザを作り、電流注入を行つてレーザ
発振させた。レーザ発振のしきい値は5mA,レーザ出力4m
Wが得られた。3mW出力時の微少変調の周波数特性は、3d
B領域で、10GHzであり、極めて高速変調が可能であるこ
とがわかつた。
実施例５ 第６〜８図を用いて説明する。
ｎ−GaAs基板１上に、Siを５×1017cm-3ドーピングした
３層すなわちｎ−Ga0.4Al0.6As（30Å）43,n−GaAs（10
0Å）44,n−Ga0.4Al0.6As（20Å）45を成長し、直径500
ÅのBe集束イオンビーム34を打込み、領域35を作る。さ
らに、Siイオンを全面に打込み、領域37のSiイオンの濃
度が、１×1018cm-3となる様にする。As圧下で800℃で
アニールを行い、領域38を混晶化する。Beイオン打込領
域は、Beの濃度が２×1018cm-3以上の中心部の高濃度領
域のみ、混晶化が生じず、直径200Åの細い量子細線が
得られる。
３層すなわちｎ−Ga0.4Al0.6As（30Å）43,n−GaAs（10
0Å）44,n−Ga0.4Al0.6As（20Å）45を成長し、直径500
ÅのBe集束イオンビーム34を打込み、領域35を作る。さ
らに、Siイオンを全面に打込み、領域37のSiイオンの濃
度が、１×1018cm-3となる様にする。As圧下で800℃で
アニールを行い、領域38を混晶化する。Beイオン打込領
域は、Beの濃度が２×1018cm-3以上の中心部の高濃度領
域のみ、混晶化が生じず、直径200Åの細い量子細線が
得られる。
実施例６ 実施例４で述べた量子細線の多層化と、実施例３で述べ
た量子箱の作製法を組合せ、活性層部に多重量子箱を多
数有する量子箱レーザを作製した。レーザの共振器方向
をy,結晶の成長方向をz,両者に重なる方向をｘとする
と、量子箱の個数は、ｘ方向に50個,y方向に10,000個,z
方向に５個積層した。多重量子箱を有する活性層以外
は、実施例２と同様である。
た量子箱の作製法を組合せ、活性層部に多重量子箱を多
数有する量子箱レーザを作製した。レーザの共振器方向
をy,結晶の成長方向をz,両者に重なる方向をｘとする
と、量子箱の個数は、ｘ方向に50個,y方向に10,000個,z
方向に５個積層した。多重量子箱を有する活性層以外
は、実施例２と同様である。
レーザ発振のしきい値は、11mA,微分量子効率は95％で
あつた。しきい値の温度特性Toは、500Kという優れた値
を示し、高温の悪環境下でも使用できることがわかつ
た。
あつた。しきい値の温度特性Toは、500Kという優れた値
を示し、高温の悪環境下でも使用できることがわかつ
た。
実施例で述べたごとく、Ga,In等を用いた超格子の混晶
化を利用した量子細線及び、量子箱の製造法は、一次元
量子閉じこめを行うのみである従来の量子井戸型レーザ
と比べ、発振しきい電流値で、1/5,発振しきい値の温度
特性で２〜３倍以上の改善をもたらし、半導体レーザの
性能を大幅に改善した。
化を利用した量子細線及び、量子箱の製造法は、一次元
量子閉じこめを行うのみである従来の量子井戸型レーザ
と比べ、発振しきい電流値で、1/5,発振しきい値の温度
特性で２〜３倍以上の改善をもたらし、半導体レーザの
性能を大幅に改善した。
第１図及び第２図は、Gaイオン打込による超格子の混晶
化を利用した量子細線作製法の概念を示した結晶断面
図、第３図は、量子細線レーザの構造図、第４図は、量
子箱の概念図、第５図は、多層量子細線の製法を示す結
晶の断面図、第６〜８図は、BeとSiイオンによる量子細
線製造法を示す結晶の断面図。 1,11…基板、2,12,15…クラツド層、３…バリア層、４
…GaA層、５…GaAlAs層、6,34…イオンビーム、８…混
晶化領域、９…量子井戸層、13,14…光ガイド層、35,3
7,38…領域。
化を利用した量子細線作製法の概念を示した結晶断面
図、第３図は、量子細線レーザの構造図、第４図は、量
子箱の概念図、第５図は、多層量子細線の製法を示す結
晶の断面図、第６〜８図は、BeとSiイオンによる量子細
線製造法を示す結晶の断面図。 1,11…基板、2,12,15…クラツド層、３…バリア層、４
…GaA層、５…GaAlAs層、6,34…イオンビーム、８…混
晶化領域、９…量子井戸層、13,14…光ガイド層、35,3
7,38…領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中塚 慎一 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 茅根 直樹 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−217690（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−250684（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−236184（ＪＰ，Ａ)
Claims (7)
- 【請求項１】電子又は／及び正孔の波動函数に対し、２
次元又は、３次元的閉じこめを行つた多次元量子井戸構
造の半導体構造体に、少なくとも一方向の次元に対し、
II族,III族,IV族に属する少なくとも一つの元素の混入
により誘起されたIII−Ｖ族超格子の構成原子の相互拡
散による混晶化領域を用いたことを特徴とする半導体構
造体。 - 【請求項２】電子又は／及び正孔の波動函数に対し、２
次元又は、３次元的閉じこめを行つた多次元量子井戸構
造の半導体構造体の製造方法において、Ga又は／及びIn
の集束イオンビームを用いて混晶化領域を形成する工程
を含むことを特徴とした半導体構造体の製造方法。 - 【請求項３】特許請求の範囲第２項において、選択的に
上記混晶化領域を形成する工程として、Beを相互拡散を
生じさせない領域に選択的に打込み、残りの領域又は、
全領域にSiを打込むか、又はあらかじめSiを１×1018cm
-3以上ドーピングして成長しておきアニール処理を行う
工程を含むことを特徴とした半導体構造体の製造方法。 - 【請求項４】上記多次元量子井戸構造の一方向の閉じ込
めが、III−Ｖ族超格子による量子井戸構造体に、それ
と直交する方向で、かつ一次元格子状に、集束イオンビ
ームを走査し、熱処理により、線状の超格子の相互拡散
混晶化領域を形成し、非混晶化領域が、格子状の量子細
線アレイとなる工程を含むことを特徴とする特許請求の
範囲第２項記載の半導体構造の製造方法。 - 【請求項５】特許請求の範囲第４項において、集束イオ
ンビームによるイオン打込の走査方向を少なくとも２個
の異なる方向に対し選ぶことで、非混晶化領域が、島状
の量子箱アレイとならしめる工程を含むことを特徴とす
る半導体構造体の製造方法。 - 【請求項６】特許請求の範囲第４もしくは５項におい
て、上記量子細線又は、上記量子箱を形成する工程が集
束イオンビームによる打込を行つた後、MBE法又は、MOC
VD法等で、さらに成長方向に対する量子井戸層を形成し
た後、量子細線又は、量子箱を形成するためのイオン打
込の過程を繰返し、最後にアニール処理を一括して行い
混晶化する工程であることを特徴とする半導体構造体の
製造方法。 - 【請求項７】上記半導体構造体を、これらの半導体の平
均的屈折率よりも小さい屈折率を持ち、かつ、多重量子
井戸のエネルギー・バンドギヤツプより大きいバンドギ
ヤツプを持つ半導体で、かつ、互に相異なる導電型を持
つ２種の半導体でサンドイツチ状にはさんで多重量子井
戸層をレーザ活性層として電流を注入する手段を付加さ
せた半導体レーザとしたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の半導体構造体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60175814A JPH07118560B2 (ja) | 1985-08-12 | 1985-08-12 | 半導体構造体とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60175814A JPH07118560B2 (ja) | 1985-08-12 | 1985-08-12 | 半導体構造体とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6236886A JPS6236886A (ja) | 1987-02-17 |
| JPH07118560B2 true JPH07118560B2 (ja) | 1995-12-18 |
Family
ID=16002695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60175814A Expired - Lifetime JPH07118560B2 (ja) | 1985-08-12 | 1985-08-12 | 半導体構造体とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07118560B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0632343B2 (ja) * | 1986-11-27 | 1994-04-27 | 日本電気株式会社 | 半導体レ−ザ |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60217690A (ja) * | 1984-04-13 | 1985-10-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光半導体装置およびその製造方法 |
| JPS60250684A (ja) * | 1984-05-25 | 1985-12-11 | Nec Corp | ３次元量子井戸半導体レ−ザの作製方法 |
| JPS61236184A (ja) * | 1985-04-12 | 1986-10-21 | Agency Of Ind Science & Technol | 半導体レ−ザ素子の製造方法 |
-
1985
- 1985-08-12 JP JP60175814A patent/JPH07118560B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6236886A (ja) | 1987-02-17 |
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