JPS6310517A - 半導体構造の製造方法 - Google Patents

半導体構造の製造方法

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JPS6310517A
JPS6310517A JP62159507A JP15950787A JPS6310517A JP S6310517 A JPS6310517 A JP S6310517A JP 62159507 A JP62159507 A JP 62159507A JP 15950787 A JP15950787 A JP 15950787A JP S6310517 A JPS6310517 A JP S6310517A
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アーサー　チャールズ　ゴザード
ステヘン　ジョン　ピアトン
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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】 〔技術分野〕 本発明は組成変化を有しキャリア閉込め用の量子井戸を
有する半導体構造に関する。
〔背景技術〕
バルク半導体においてはキャリアの移動は量子井戸で制
限されることはないので３次元で自由に移動することが
できる。しかし、キャリア移動が３次元以下に制限され
るように半導体構造が製造されると興味深くかつ有用な
効果が生じる。例えば、非ドープのバンドギャップの狭
い材料にドープしたバンドギャップの広い材料を隣接さ
せるようにしてペテロ接合が製作される。この種の構造
は一般に変調ドープ（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｄｏｐｉ
ｎｇ）　　と呼ばれ、ドープしたバルク半導体に比べて
キャリア移動度が大きい。それはキャリアが本質的に閉
込められる非ドープ材料においては不純物散乱が少ない
ためキャリア移動度が大きくなるからである。
変調ドープは電界効果トランジスタにおいて有用であり
、このようなトランジスタは一般に選択的ドープヘテロ
接合トランジスタ（ΣｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙＤ　ｏｐｅ
ｄ　　Ｈｅｔｅｒｏｊ　ｕｎｃｔｉｏｒ−エｒａｎｓｉ
ｓｔｏｒ　　　ｓ　　５ｔ）ＨＴ）と呼ばれる。
キャリア移動が、充分に小さくて量子効果が重要になる
ような次元にさらに制限されると別の興味深い効果が生
じる。そのような効果をもつ構造は一般に量子井戸と呼
ばれる。２次元量子井戸構造はＧａＡｓ／ＧａＡ　Ｉ　
Ａｓ材料系において最初に提示された。この量子井戸構
造においてはキャリアは２次元で自由に移動することが
できるが、第３の次元において量子効果が重要な位置を
占める。つまり、エネルギーレベルは１つの次元におい
ては量子化されるが、他の２つの次元においては連続で
ある。
このような量子井戸構造は大変に興味深い。その理由は
例えば、量子効果が存在するために可能なエネルギーレ
ベルが変化するので、ダブルヘテロ構造レーザの放出周
波数がバルク半導体の場合に期待される値から変動する
ためである。
２次元キャリア閉込めを用いたデバイスの成功及びその
技術的、商業的重要性により、キャリア移動がさらに制
限される構造、即ちキャリアが１次元でのみ自由に移動
できる構造（１次元閉込）またはキャリアの位置が本質
的に局所化される構造に対する要望が高まってきた。ｌ
またはＯの自由度に量子閉込めを行なうと興味深いデバ
イス応用を伴なう新しい物理現象が起きるのではないか
と当業者は仮定し、キャリアがそのように閉込められる
構造を製作する努力を続けてきた。
しかし、このような提案も努力も２次元量子井戸構造で
得られた成功段階にはまだ到達していない。不成功の原
因は明らかに、２方向または３方向において、キャリア
のド・ブロイ波長に近い寸法を有する構造を製造する際
の技術的困難さにある。この波長は典型的には約５０ｎ
ｍより短かい。
組成を不秩序にするために不純物を注入することにより
小構造を製造する試みがなされた。ジャパニーズ　ジャ
ーナル　オブ　アプライド　フィジックス　２４巻Ｌ５
１６−Ｌ５１８ページ、１９８５年７月号（Ｊａｐａｎ
ｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ＾Ｉ）ｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓ　１ｃｓ）を参照。
キャリアが本質的に１自由度しか持たないように閉込め
られる構造は量子井戸ワイヤ（Ｑ　ｕａｎ　ｔｕ…Ｗｅ
ｌｌ　Ｗｉｒｅ　：　ＱＷＷ）と呼ばれる。同様にして
、キャリアが自由度を持たないように制限される構造は
量子井戸ボックス（Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｗｅｌｌ　Ｂｏ
ｘ　：ＱＷＢ）と呼ばれる。
〔発明の概要〕 本発明は組成プロフィールを有する半導体の局所的領域
に種を注入することにより形成される半導体構造である
。急速熱アニールにより量子井戸ワイヤ（ＱＷＷ）と量
子井戸ボックス（ＱＷＢ）の製造が可能となる。注入し
た半導体のアニールにより２つの種、例えばＡＩとＧａ
の相互拡散がもたらされる。その局所的領域がヘテロ接
合の近くにあれば、これらの種はヘテロ接合を横切って
も動（し、平行な方向にも動く。従って側方拡散が存在
する。１実施例では組成プロフィールは第１のヘテロ接
合を含む、注入工程により多数の欠陥が生じるが、この
欠陥により相互拡散が急速に行なわれる。他の実施例で
は半導体は２つのクラフト層を有するＡｌｌＧａＡｓ　
ＧａＡｓ　ｉ子井戸である。即ち、組成プロフィールは
第１と第２のヘテロ接合を含む。注入される種はＧａで
ある。多重ＧａＡｓ　（ＡＩＧａＡｓ）量子井戸構造も
用いることができる。
〔実施例の説明〕
説明を簡略にするために図中に示した要素は非等尺で描
いである。
Ｃｒをドープした（ｌ　Ｏ０）ＧａＡｓ基板の上に非ド
ープＧａＡｓ単量子井戸を有する構造を成長させた。こ
の構造は順に基板１．５０ｎｍのＧａＡｓバッファ層、
５０ｎｍのＧ　ａｏ、　ｈｓ　Ａ　１　ｏ、　：＋ｓ　
Ａ　ｓ第１バリア層３．５ｎｍのＧａＡｓ量子井戸５．
５０ｎｍのＧａｓ、　ＩＩｓ　Ａ　ｌ　ｏ、　１ｓＡｓ
第２バリア層７及び５ｎｍのＧａＡｓキャップ層を含ん
だ。表面上に厚さ約１５０ｎｍの薫着Ｔｉ／Ａｕ−Ｐｄ
膜からマスク９を形成した０次にこの膜を従来の電子ビ
ームリソグラフィ及びリフトオフ技術を用いてパターン
化した５０ｎｍないし１１０００ｎの大きさの金属のワ
イヤートッド形状が製造された。このワイヤートッド形
状は紙面の方向に伸びる縞である。この構造の断面図を
第１図に示す、簡略化するために基板、量子井戸層、こ
れを囲む２つのバリア層、マスクのみを示す。次にエネ
ルギー２１０ＫｅＶ、典型的には線量５×１０１３ＣＩ
＋１４で量子井戸領域にＧａ＋イオンを注入した。この
工程は第２図に概略的に示す。イオン数は深さＺの関数
として第３図に示す。線量レベルは典型的にはアモルフ
ァス化閾値（ａｍｏｒｐｈｉｚａｔｉｏｎ　ｔｈｒｅｓ
ｈｏｌｄ）より低く保った。注入工程により極めて多い
欠陥が生じることは容易に理解されるであろう。Ａｕ−
Ｐｄ用にヨウ化カリウム溶液、Ｔｉ用に希釈ＨＦを用い
てマスクを除去した。ウェハのエピタキシャル側をＧａ
Ａｓウェハに接触させた状態で温度約９００℃で急速熱
アニールを行なった。注入材料の急速熱アニールにより
ヘテロ境界を横切る方向に、ならびにマスクの下で側方
にＧａとＡ１の相互拡散が生じる。
アニールは典型的には５ないし１５秒間行なうがより長
い時間、例えば約５分間行なうこともできる。得られる
構造の理想化した状態を第４図に示す、アニールにより
、図示したワイヤを形成するＧａとＡＩの相互拡散がも
たらされる。つまり、ＡＩは量子井戸領域に入るように
移動し、Ｇａはそこから出るように移動する。ＡｌｌＧ
ａＡｓのバンドギャップはＧａＡｓより大きいから、量
子井戸ワイヤとボックスはマスクの下に形成される。
当業者には理解されるが、ワイヤとボックスは紙面に垂
直である。アニールの時間を短かくするとＧａとＡＩの
相互拡散が不完全になる。
注入工程用に選択する特定の種は特に重要ではない。半
導体を構成する成分以外の種を用いることもできる。し
かし、半導体は相互拡散する種を２種類持っていなけれ
ばならない。さらに半導体はこの２つの種の濃度が変化
する組成プロフィール（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ　
ｐｒｏｆｉｌｅ）を有していなければならない。急速熱
アニール工程により、欠陥が相互拡散を強化する機構を
介して、この２つの種は平衡に達する。即ち、拡散係数
は損傷を受けていない材料中よりも損傷を受けた材料中
の方がはるかに大きい。
得られた構造のより現実的な概略図を第５図に示す。図
示しであるのはＧａＡｓバッファ層１、バリア１ｉ３＆
び７、量子井戸Ｎ５及びマスク９である。Ｌｚは元の量
子井戸層の厚さである。Δｉは相互拡散長である。説明
をしやす（するためにＺ及びＸ方向を図示しである。境
界に対して垂直な方向、即ちＺ方向のＡａ＞７４度の変
化は誤差関数により与えられる。マスクの下におけるＸ
方向の相互拡散は以下で説明するようになだらかに減少
する。局所的バンドギャップはＡｌ濃度に比例する。従
って、Ａｌ５７は量子井戸層であったと二ろで増加する
のでＧａＡｓワイヤはマスク材料の下に形成される。
注入エネルギーは注入した種が所望の局所領域に堆積さ
れるように選ぶ。所望量の相互拡散が生じるように時間
は充分に長く温度は充分に高くする。いくつかの応用例
にあっては完全な相互拡散は望まれないことを理解され
たい。
１００１００ｎ子井戸における電子の閉込めエネルギー
は比較的低く、例えばｌ　ｍｅＶより低い。ワイヤに垂
直なポテンシャル井戸プロフィールは以下の３個のパラ
メータによって！Ｉ＊ｍ付けられる。皿ち・ （１）　　マスクの大きさ く２）注入の側方ばらつき （３）相互拡散を助長する欠陥の拡散長である。マスク
が大きいと、即ち幅が３５０ｎｍを越すと、閉込め効果
は全くないか、または小さ過ぎて解決にはつながらない
。マスクが小さいとプロフィールは方形ではなく丸くな
る。このボテンシャルで−よ最初の２つのエネルギーレ
ベル間の分離は典型的には同一の幅を有する方形井戸に
おけるよりも大きいが、エネルギーレベルの量子数が増
加すると残少する。しかしながら、さらにマスクを小さ
くしても、主としてばらつきと欠陥拡散長により決めら
れるポテンシャルの幅をもはや変えることはできない。
これはＧａＡｓ量子井戸ワイヤへのＡ７！の相互拡散の
増加に起因するものであり、この増加によりＸ方向にお
ける閉込め用伝導帯オフセントが減少する。
極めて多量の側方拡散、即ちマスクの下での拡散が存在
することに注意されたい。このうちのいくつかはアニー
ル工程の間に側方欠陥拡散をもたらす注入工程の間の側
方ばらつきの結果生じるものである。拡張したプロフィ
ール、即ち変動バンドギャップは次にアニール工程によ
りマスクの下でＸ方向に生成される。
説明した構造は多くの応用例で有用である。例えば拡張
したバンドギャップ構造は容易に側方で達成できる。こ
れは拡張バンドギャップ構造が垂直方向、即ち成長方向
にのみしか製造されない分子ビームエピタキシとは対照
的である。適切なマスクを第６図に平面図で示す。注入
領域の幅Ｗは左から右へ増加する。従って、注入領域、
さらには線量も増加する。しかし単位領域毎の線量は同
一である。熱アニール処理を行なったＡ　Ｉ　ＧａＡｓ
の実効バンドギャップ構造を伝導帯と価電子帯に対して
第７図に示す。図から明らかなようにバンドギャップは
、ＡｌとＧａの相互拡散がさらに多く存在するために、
左から右へ単調に増加している。このような側方に拡散
したデバイスはエツチングなしで構造中に組込フィール
ド（ｂｕｉｌｔ−ｉｎｆｉｅｌｄ）をもたらすための２
つの自由度を有する。
その他の実施例も考えられる。例えば極小導波路も容易
に作成できる。
さらに、わずかな改変、即ち第６図に示すマスクを注入
領域で等価混合することにより格子を形成することがで
きる。これらの格子は多くの応用例、例えば単一周波数
レーザにおける外部格子に用いることができる。さらに
、これらの格子はダブルヘテロ構造の活性層に光学結合
して分布フィードバックレーザを形成することができる
。当業者にあっては容易に理解されるように格子上の再
成長は不要である。量子井戸ワイヤとボックスが半導体
レーザの一部である例も考えられる。キャリアを基底状
態に緩和するために化学的ドーパントを加えても良い。
【図面の簡単な説明】
第１図は半導体構造上のマスクを示す図、第２図はイオ
ン注入の概略図、 第３図は表面からの距離に対する注入イオン数を示す図
、 第４図は本発明の１実施例の理想的概略図、第５図は本
発明の他の実施例の概略図、第６図は格子を製造するの
に適したマスクを示す図、 第７図は格子中のバンドギャップ変動を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 基　板・・・・・・・・・・・・・・・・・・１第１バ
リア層・・・・・・・・・３ 量子弁戸層・・・・・・・・・・・・５第２バリア層・
・・・・・・・・７ ＦＩ６．４ ＦＩ６．５ ！ ＦＩ６．６ Ｆ／に、　７

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、組成プロフィールを有する半導体体部の局所領域に
    種を注入する工程と、欠陥を生成する工程と、半導体構
    造を加熱する工程とを含み、注入はアモルファス化閾値
    より低い線量で行ない、半導体は少くとも２つの種を含
    む半導体構造の製造方法において、 該加熱工程は欠陥助長機構により該半導体の少くとも２
    つの種の相互拡散を生じるために該半導体構造を急速ア
    ニールする工程を含むことを特徴とする半導体構造の製
    造方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において該組成プ
    ロフィールは第１のヘテロ接合を含むことを特徴とする
    半導体構造の製造方法。 ３、特許請求の範囲第２項記載の方法において該組成プ
    ロフィールはさらに第２のヘテロ接合を含み、これによ
    りポテンシャル井戸領域を形成し、該種はこの領域に注
    入されることを特徴とする半導体構造の製造方法。 ４、特許請求の範囲第３項記載の方法において、該局所
    領域は１つまたは複数の線を含むことを特徴とする半導
    体構造の製造方法。 ５、特許請求の範囲第４項記載の方法において、該線は
    異なる幅を有することを特徴とする半導体構造の製造方
    法。 ６、特許請求の範囲第５項記載の方法において、該アニ
    ール工程は該半導体体部のバンドギャップを側方に変化
    させることを特徴とする半導体構造の製造方法。 ７、特許請求の範囲第４項記載の方法において、該線は
    量子井戸ワイヤを含むことを特徴とする半導体構造の製
    造方法。 ８、特許請求の範囲第１項記載の方法において、該注入
    工程は該半導体体部の中に複数のボックスを生じること
    を特徴とする半導体構造の製造方法。 ９、特許請求の範囲第８項記載の方法において、該ボッ
    クスは量子井戸ボックスを含むことを特徴とする半導体
    構造の製造方法。
JP62159507A 1986-06-27 1987-06-26 半導体構造の製造方法 Pending JPS6310517A (ja)

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US06/879,361 US4751194A (en) 1986-06-27 1986-06-27 Structures including quantum well wires and boxes

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JP (1) JPS6310517A (ja)
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