JPH0752719B2 - 縦型半導体超格子の製造方法 - Google Patents
縦型半導体超格子の製造方法Info
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- JPH0752719B2 JPH0752719B2 JP23930086A JP23930086A JPH0752719B2 JP H0752719 B2 JPH0752719 B2 JP H0752719B2 JP 23930086 A JP23930086 A JP 23930086A JP 23930086 A JP23930086 A JP 23930086A JP H0752719 B2 JPH0752719 B2 JP H0752719B2
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- vertical semiconductor
- superlattice
- semiconductor superlattice
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超高度の１次元電子トランジスタ、あるいは
低発振しきい値を持つ量子井戸細線構造レーザ等に利用
される縦型半導体超格子の製造方法に関するものであ
る。
低発振しきい値を持つ量子井戸細線構造レーザ等に利用
される縦型半導体超格子の製造方法に関するものであ
る。
第３図（ａ）に理想化されたAlAs−GaAs縦型半導体超格
子を示す。同図において、基板表面Ｓは（100）に対し
［011］方位に角度θだけ傾いている。また、同図
（ｂ）は縦型半導体超格子のＸ線回折位置を示すもので
あり、同図（ａ）に示すような理想的な縦型半導体超格
子構造が得られている場合には、図中Ａ、Ｂに示す位置
に超格子回折が見られる。
子を示す。同図において、基板表面Ｓは（100）に対し
［011］方位に角度θだけ傾いている。また、同図
（ｂ）は縦型半導体超格子のＸ線回折位置を示すもので
あり、同図（ａ）に示すような理想的な縦型半導体超格
子構造が得られている場合には、図中Ａ、Ｂに示す位置
に超格子回折が見られる。
このような縦型半導体超格子を作製する試みは、既に分
子線エピタキシャル成長法（MBE）でなされている（ア
プライド フィジックス レターズ 45巻、６号、620
−622頁（1984年）:P.M.Petroff等）。このMBE法による
従来方法では、GaAs（100）結晶の［011］方位に１度か
ら５度傾いた基板を用いており、Asビームを照射しなが
ら、AlとGaのビームを1/2分子層に相当する量交互に基
板上に供給することにより、AlAs−GaAs縦型半導体超格
子の作製を試みている。
子線エピタキシャル成長法（MBE）でなされている（ア
プライド フィジックス レターズ 45巻、６号、620
−622頁（1984年）:P.M.Petroff等）。このMBE法による
従来方法では、GaAs（100）結晶の［011］方位に１度か
ら５度傾いた基板を用いており、Asビームを照射しなが
ら、AlとGaのビームを1/2分子層に相当する量交互に基
板上に供給することにより、AlAs−GaAs縦型半導体超格
子の作製を試みている。
しかし、このMBE法で作製した結晶を電子線回折で調べ
た結果、第３図（ａ）に示すような理想的な構造は得ら
れなかった。この点について、本願発明者が鋭意研究し
た結果、MBE法によると結晶表面に吸着した原子の表面
拡散距離ｌが小さいことに原因があることをつきとめ
た。
た結果、第３図（ａ）に示すような理想的な構造は得ら
れなかった。この点について、本願発明者が鋭意研究し
た結果、MBE法によると結晶表面に吸着した原子の表面
拡散距離ｌが小さいことに原因があることをつきとめ
た。
すなわち、第８図（ａ）に示すように、まず、ビーム照
射によって基板結晶表面のテラス部（基板結晶表面の水
平の部分）１の任意の位置にAlAs2が吸着し横方向に移
動しようとするが、その表面拡散距離ｌが小さいため、
同図（ｂ）に示すようにほとんどのAlAsは原子ステップ
（基板結晶表面の段差部）３まで達しない。この状態か
ら引き続いてGaAs4を吸着させるため、テラス上には同
図（ｃ）に示すように２次元核形成が起こってしまう。
その結果、原子ステップから横方向への均一な核形成が
行われず、第３図（ａ）に示すような縦型半導体超格子
が形成されない。
射によって基板結晶表面のテラス部（基板結晶表面の水
平の部分）１の任意の位置にAlAs2が吸着し横方向に移
動しようとするが、その表面拡散距離ｌが小さいため、
同図（ｂ）に示すようにほとんどのAlAsは原子ステップ
（基板結晶表面の段差部）３まで達しない。この状態か
ら引き続いてGaAs4を吸着させるため、テラス上には同
図（ｃ）に示すように２次元核形成が起こってしまう。
その結果、原子ステップから横方向への均一な核形成が
行われず、第３図（ａ）に示すような縦型半導体超格子
が形成されない。
本発明の縦型半導体超格子の製造方法は上記問題点に鑑
みてなされたものであり、結晶面から所定の方位に傾い
た基板結晶表面上に複数の有機金属化合物ガスを順次切
り換えて導き、前記有機金属化合物ガスに応じた半導体
を前記基板結晶表面上に析出する有機金属気相成長法
（MOCVD法）を用い、前記有機金属化合物ガスに応じて
形成される２種類以上の半導体を１分子層形成する間に
順に析出して超格子を形成するものである。
みてなされたものであり、結晶面から所定の方位に傾い
た基板結晶表面上に複数の有機金属化合物ガスを順次切
り換えて導き、前記有機金属化合物ガスに応じた半導体
を前記基板結晶表面上に析出する有機金属気相成長法
（MOCVD法）を用い、前記有機金属化合物ガスに応じて
形成される２種類以上の半導体を１分子層形成する間に
順に析出して超格子を形成するものである。
MBE法では、成長系内が高真空のため結晶表面の状態が
活性と考えられるが、MOCVD法では、系内の圧力が高く
水素雰囲気で結晶成長を行うため水素吸着により結晶表
面状態が安定し、供給原子が表面に既に吸着された水素
と置換しながら動いてゆくそのため、結晶表面に吸着し
た原子が動き易く、MBE法による場合と比較して表面拡
散距離ｌが十分に大きくなり、横方向に均一に核形成が
起こる。
活性と考えられるが、MOCVD法では、系内の圧力が高く
水素雰囲気で結晶成長を行うため水素吸着により結晶表
面状態が安定し、供給原子が表面に既に吸着された水素
と置換しながら動いてゆくそのため、結晶表面に吸着し
た原子が動き易く、MBE法による場合と比較して表面拡
散距離ｌが十分に大きくなり、横方向に均一に核形成が
起こる。
以下、実施例と共に本発明を詳細に説明する。
第１図は、本発明の一実施例を示す模式図であり、GaAs
（100）面の［011］方位にθ＝２度傾いた基板結晶上に
AlAs0.5分子層、GaAs0.5分子層を交互に析出した例を示
している。同図（ａ）に示すように、基板結晶表面のテ
ラス１上の任意の位置に吸着したAlAs2の原子は、それ
ぞれのテラス上において左方すなわち原子ステップ３に
向かって移動する。そして、同図（ｂ）に示すように、
原子ステップ３から横方向に均一な核形成が行われゆ
く。この核形成が同図（ｃ）に示すようにステップ間隔
ｄの1/2に達した時点で、AlAs2に代えて引き続きGaAs4
の析出を行い、同図（ｄ）に示すような層を形成する。
（100）面の［011］方位にθ＝２度傾いた基板結晶上に
AlAs0.5分子層、GaAs0.5分子層を交互に析出した例を示
している。同図（ａ）に示すように、基板結晶表面のテ
ラス１上の任意の位置に吸着したAlAs2の原子は、それ
ぞれのテラス上において左方すなわち原子ステップ３に
向かって移動する。そして、同図（ｂ）に示すように、
原子ステップ３から横方向に均一な核形成が行われゆ
く。この核形成が同図（ｃ）に示すようにステップ間隔
ｄの1/2に達した時点で、AlAs2に代えて引き続きGaAs4
の析出を行い、同図（ｄ）に示すような層を形成する。
以下に実施例の結晶成長条件の詳細を示す。高周波加熱
の横型炉を用い、0.1気圧の減圧化で成長を行った。原
料としてトリエチルアルミニウム、トリエチルガリウム
及びアルシンを用いた。反応管内の分圧は、それぞれ4.
7×10-7atm、1.3×10-6atmおよび4.7×10-4atmであり、
水素キャリアガスも含め全ガス流量は３リッター／分で
ある。また、成長温度は650℃である。そして、この条
件で、原料トリエチルアルミニウムとトリエチルガリウ
ムを交互に３秒ずつ切り替えた。成長速度は、AlAsおよ
びGaAs共に0.47Å／秒であり、６秒間に交互に析出した
AlAsとGaAsの析出量は2.82Å／秒で丁度１分子層の厚さ
に相当する。全成長時間３時間で成長層厚さ0.5μｍの
結晶を作製した。
の横型炉を用い、0.1気圧の減圧化で成長を行った。原
料としてトリエチルアルミニウム、トリエチルガリウム
及びアルシンを用いた。反応管内の分圧は、それぞれ4.
7×10-7atm、1.3×10-6atmおよび4.7×10-4atmであり、
水素キャリアガスも含め全ガス流量は３リッター／分で
ある。また、成長温度は650℃である。そして、この条
件で、原料トリエチルアルミニウムとトリエチルガリウ
ムを交互に３秒ずつ切り替えた。成長速度は、AlAsおよ
びGaAs共に0.47Å／秒であり、６秒間に交互に析出した
AlAsとGaAsの析出量は2.82Å／秒で丁度１分子層の厚さ
に相当する。全成長時間３時間で成長層厚さ0.5μｍの
結晶を作製した。
このようにして作製した縦型半導体超格子のＸ性回折を
第２図に示す。図中Ａ、Ｂの回折が超格子構造による回
折である。超格子の回折角より超格子周期が原子ステッ
プの間隔と一致していることがわかり、第３図に示す理
想的な縦型半導体超格子が実現していることが明らかで
ある。
第２図に示す。図中Ａ、Ｂの回折が超格子構造による回
折である。超格子の回折角より超格子周期が原子ステッ
プの間隔と一致していることがわかり、第３図に示す理
想的な縦型半導体超格子が実現していることが明らかで
ある。
本実施例では、（100）から［011］方位へ２度傾けてい
るが、同方向へ0.2度〜4.0度傾いた基板を用いた場合に
も、同様に理想的な縦型半導体超格子が実現できた。な
お、傾斜θとステップ間隔ｄの関係は、 ｄ＝h/tanθ で表される（但し、ｈは第１図（ｄ）に示すように１分
子層の厚さである）。したがって、たとえば、（100）
面から0.2度傾いた場合には、ｄ＝811Å、4.0度傾いた
場合にはｄ＝40Åとなる。
るが、同方向へ0.2度〜4.0度傾いた基板を用いた場合に
も、同様に理想的な縦型半導体超格子が実現できた。な
お、傾斜θとステップ間隔ｄの関係は、 ｄ＝h/tanθ で表される（但し、ｈは第１図（ｄ）に示すように１分
子層の厚さである）。したがって、たとえば、（100）
面から0.2度傾いた場合には、ｄ＝811Å、4.0度傾いた
場合にはｄ＝40Åとなる。
基板面方位に関して、本実施例のごとく（100）面の［0
11］方位に傾いた場合は縦型半導体超格子が形成される
が、［010］方位あるいは［001］方位に傾いた場合には
良好な縦型半導体超格子は得られない。これは原子ステ
ップにある不対ボンド（ダングリングボンド）が［01
1］方位に伸びているためである。また、（111）面の
［11］方位及び（110）面の［11］方位に傾いた基
板結晶上にも良好な縦型半導体超格子が得られている。
11］方位に傾いた場合は縦型半導体超格子が形成される
が、［010］方位あるいは［001］方位に傾いた場合には
良好な縦型半導体超格子は得られない。これは原子ステ
ップにある不対ボンド（ダングリングボンド）が［01
1］方位に伸びているためである。また、（111）面の
［11］方位及び（110）面の［11］方位に傾いた基
板結晶上にも良好な縦型半導体超格子が得られている。
さらに、超格子を構成する２種類の半導体を交互に析出
したときの析出量が１分子量相当量よりずれた場合に
は、縦型半導体超格子は大きく傾く。すなわち、第４図
に示すように、超格子の傾き角をβとし、基板の傾き角
をθとすると、 tanβ＝｛１−（ｍ＋ｎ）｝/tanθ が成立する。ここに、m,nは、（AlAs）ｍ（GaAs）ｎの
指数ｍ、ｎであり、ｍ原子層、ｎ原子層を示す。したが
って、ｍ＝0.5、ｎ＝0.5のときはβ＝０度となる。しか
し、例えば１周期で1.1分子層相当の厚さを析出した場
合、すなわち、ｍ＋ｎ＝1.1の原子層になると、θ＝２
度のときにβ＝70度にもなり、ほとんど平行型超格子に
近くなってしまう。したがって、１周期の成長速度は正
確に１分子層に合わせる必要がある。そのためには、第
３図（ｂ）に示す理想化された縦型半導体超格子のＸ線
回折における点ＡおよびＢに示す位置に超格子回折が見
られるように原料供給量を調整すればよい。
したときの析出量が１分子量相当量よりずれた場合に
は、縦型半導体超格子は大きく傾く。すなわち、第４図
に示すように、超格子の傾き角をβとし、基板の傾き角
をθとすると、 tanβ＝｛１−（ｍ＋ｎ）｝/tanθ が成立する。ここに、m,nは、（AlAs）ｍ（GaAs）ｎの
指数ｍ、ｎであり、ｍ原子層、ｎ原子層を示す。したが
って、ｍ＝0.5、ｎ＝0.5のときはβ＝０度となる。しか
し、例えば１周期で1.1分子層相当の厚さを析出した場
合、すなわち、ｍ＋ｎ＝1.1の原子層になると、θ＝２
度のときにβ＝70度にもなり、ほとんど平行型超格子に
近くなってしまう。したがって、１周期の成長速度は正
確に１分子層に合わせる必要がある。そのためには、第
３図（ｂ）に示す理想化された縦型半導体超格子のＸ線
回折における点ＡおよびＢに示す位置に超格子回折が見
られるように原料供給量を調整すればよい。
また、第５図に成長速度とＸ線の超格子回折強度の関係
を示す。同付からわかるように、２Å／秒以上の速い成
長速度では付着原子が結晶表面で十分拡散できず、原子
ステップからの成長が起こらない。
を示す。同付からわかるように、２Å／秒以上の速い成
長速度では付着原子が結晶表面で十分拡散できず、原子
ステップからの成長が起こらない。
また、本実施例では１分子層形成する間に２種類の半導
体を交互に析出しているが、３種類以上の半導体を順に
析出して３種類以上にの半導体からなる縦型半導体超格
子を形成することもできる。
体を交互に析出しているが、３種類以上の半導体を順に
析出して３種類以上にの半導体からなる縦型半導体超格
子を形成することもできる。
つぎに、第６図および第７図に、このようにして製作さ
れた縦型半導体超格子を利用した素子の具体例を示す。
第６図に示すものは、変調ドーピング構造をもつ１次元
電子FET（電界効果トランジスタ）である。100Å程度の
厚さを持つ縦型半導体超格子をバッファ層（あるいはク
ラッド層）で挟むことにより１次元電子構造となってお
り、電子が１次元化されることにより不純物による散乱
確率が減り高移動度トランジスタが得られる（ジャバニ
ーズ ジャーナル オブ アプライド フィジックス
19巻12号L735−738頁1980年:H.Sakaki）。なお、同図に
おいて、11はソース、12はゲート、13はドレイン、14は
SiドープAlrGa1-rAs層、15は本実施例により製作された
AlAs−GaAs縦型半導体超格子、16は１次元電子ガス、17
はアンドープGaAs層、18は半絶縁性GaAs基板である。
れた縦型半導体超格子を利用した素子の具体例を示す。
第６図に示すものは、変調ドーピング構造をもつ１次元
電子FET（電界効果トランジスタ）である。100Å程度の
厚さを持つ縦型半導体超格子をバッファ層（あるいはク
ラッド層）で挟むことにより１次元電子構造となってお
り、電子が１次元化されることにより不純物による散乱
確率が減り高移動度トランジスタが得られる（ジャバニ
ーズ ジャーナル オブ アプライド フィジックス
19巻12号L735−738頁1980年:H.Sakaki）。なお、同図に
おいて、11はソース、12はゲート、13はドレイン、14は
SiドープAlrGa1-rAs層、15は本実施例により製作された
AlAs−GaAs縦型半導体超格子、16は１次元電子ガス、17
はアンドープGaAs層、18は半絶縁性GaAs基板である。
また、光素子への応用として第７図に量子井戸細線構造
レーザを示す。電子および正孔の状態密度が１次元化す
ることにより不連続となり、発振しきい値が温度に対し
て安定化する（アプライドフィジックス レターズ 40
巻11号939−941頁 1982年:Y.Arakawa等）。ここに、21
はｐ−GaAsキャップ層、22はｐ−GaAsクラッド層、23は
本実施例により製作されたAlAs−GaAs縦型半導体超格
子、24はｎ−AlGaAsクラッド層、25はｎ−GaAs基板であ
る。
レーザを示す。電子および正孔の状態密度が１次元化す
ることにより不連続となり、発振しきい値が温度に対し
て安定化する（アプライドフィジックス レターズ 40
巻11号939−941頁 1982年:Y.Arakawa等）。ここに、21
はｐ−GaAsキャップ層、22はｐ−GaAsクラッド層、23は
本実施例により製作されたAlAs−GaAs縦型半導体超格
子、24はｎ−AlGaAsクラッド層、25はｎ−GaAs基板であ
る。
以上説明したように本発明の縦型半導体超格子の製造方
法によれば、MOCVD法を利用しているので、結晶表面に
吸着した原子が動き易く、MBE法による場合と比較して
表面拡散距離ｌが十分に大きくなる。そのため基板結晶
の原子ステップから横方向に均一に核形成が起こり、理
想的な縦型半導体超格子を形成することができる。
法によれば、MOCVD法を利用しているので、結晶表面に
吸着した原子が動き易く、MBE法による場合と比較して
表面拡散距離ｌが十分に大きくなる。そのため基板結晶
の原子ステップから横方向に均一に核形成が起こり、理
想的な縦型半導体超格子を形成することができる。
第１図は本発明の一実施例を示す説明図、第２図は本実
施例により作製した縦型半導体超格子のＸ線回折図、第
３図（ａ）は理想的な縦型半導体超格子を示す構造図、
第３図（ｂ）はそのＸ線回折図、第４図は条件を変えた
場合の縦型半導体超格子を示す構成図、第５図は結晶成
長速度とＸ線の超格子回折強度の関係を示す特性図、第
６図および第７図はそれぞれ縦型半導体超格子を利用し
た素子の具体例を示す図、第８図は従来の方法示す説明
図である。 １……テラス、２……AlAs、３……原子ステップ、４…
…GaAs。
施例により作製した縦型半導体超格子のＸ線回折図、第
３図（ａ）は理想的な縦型半導体超格子を示す構造図、
第３図（ｂ）はそのＸ線回折図、第４図は条件を変えた
場合の縦型半導体超格子を示す構成図、第５図は結晶成
長速度とＸ線の超格子回折強度の関係を示す特性図、第
６図および第７図はそれぞれ縦型半導体超格子を利用し
た素子の具体例を示す図、第８図は従来の方法示す説明
図である。 １……テラス、２……AlAs、３……原子ステップ、４…
…GaAs。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/18
Claims (2)
- 【請求項１】所定の指数面から所定の方位に傾いた基板
結晶表面上に複数の有機金属化合物ガスを順次切り換え
て導き、前記有機金属化合物ガスに応じた半導体を前記
基板結晶表面上に析出する有機金属気相成長法を用い、
前記有機金属化合物ガスに応じて形成される２種類以上
の半導体を１分子層形成する間に順に析出して超格子を
形成することを特徴とする縦型半導体超格子の製造方
法。 - 【請求項２】基板結晶表面は、低指数面が（100）、（1
11）または（110）であるときに、それぞれ［011］方
位、［11］方位または［11］方位に0.2度から4.0度
傾いたものである特許請求の範囲第１項記載の縦型半導
体超格子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23930086A JPH0752719B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 縦型半導体超格子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23930086A JPH0752719B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 縦型半導体超格子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6394615A JPS6394615A (ja) | 1988-04-25 |
| JPH0752719B2 true JPH0752719B2 (ja) | 1995-06-05 |
Family
ID=17042674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23930086A Expired - Lifetime JPH0752719B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 縦型半導体超格子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0752719B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2720930B2 (ja) * | 1988-07-06 | 1998-03-04 | 科学技術振興事業団 | グリッド入り量子薄膜素子 |
| EP0386388A1 (en) * | 1989-03-10 | 1990-09-12 | International Business Machines Corporation | Method for the epitaxial growth of a semiconductor structure |
| JP2575901B2 (ja) * | 1989-11-13 | 1997-01-29 | 新技術事業団 | グリッド入り量子構造 |
| JPH04154113A (ja) * | 1990-10-18 | 1992-05-27 | Agency Of Ind Science & Technol | 結晶成長方法 |
| JPH04154114A (ja) * | 1990-10-18 | 1992-05-27 | Agency Of Ind Science & Technol | 結晶成長方法 |
| US5238867A (en) * | 1991-07-09 | 1993-08-24 | Posco Educational Foundation | Method for preparing an optical switching device having multiple quantum wells |
| EP0564915B1 (en) * | 1992-03-26 | 2001-10-04 | Canon Kabushiki Kaisha | Methods for growing compound semiconductor layers |
| DE69323127T2 (de) * | 1992-08-10 | 1999-07-22 | Canon K.K., Tokio/Tokyo | Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren |
-
1986
- 1986-10-09 JP JP23930086A patent/JPH0752719B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6394615A (ja) | 1988-04-25 |
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