【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体基板上に量子細線を形成する半導体量子細線の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】禁制帯幅の小さな半導体（例えばＧａＡ
ｓ）を禁制帯幅の大きな半導体（例えばＡｌＡｓ）で数百Å程度に２次元的に閉じ込める構造を量子細線とよばれている。 半導体レーザーの活性層に当該量子細線を用いると、半導体レーザーのしきい電流がさがり、特性が向上するという理論的予測があるため、量子細線作製に関する研究が盛んに行われている。

【０００３】ここでは量子細線を有する半導体装置の製造方法については、従来の技術の代表例として、例えばＧａＡｓ半導体基板上に単分子層（１分子層はＧａＡｓ
で2.８Å）の段差を持つステップ（単分子層ステップ）
が等間隔に並んだ表面構造でＡｌＡｓ、ＧａＡｓが成長することを利用したものを例にして、図６〜８に基づいて説明する。 微傾斜を有する半導体傾斜基板１で傾斜角度が２度のものを用い、Ｖ族と III族の原料ガスの分圧比を２０００という成長条件で有機金属気相成長法でＧ
ａＡｓ緩衝層２の結晶成長を行なった後、表面を原子オーダーで観察すると、成長前の基板表面では不規則な間隔で並んでいた単分子層ステップ３が、ほぼ等間隔に配列する（図６（ａ）参照）。

【０００４】つぎに、同じ成長条件で量子細線のバリア層４としてＡｌＡｓを１／２層分供給した後、同様に表面を観察すると、図６（ｂ）のように、ほぼ等間隔にＡ
ｌＡｓ単分子層ステップが並ぶ。 つぎに量子細線のウエル層５としてＧａＡｓを１／２層分供給した後、表面を観察すると、図７（ａ）のように、ほぼ等間隔にＧａＡ
ｓ単分子層ステップが並んでいる。 １／２層分のＡｌＡ
ｓとＧａＡｓの供給を１サイクルとし、それぞれ正確に１／２層分ずつ供給すると供給後の単分子層ステップ３
−２の先端はちょうど１サイクル前の単原子ステップ３
−１の先端の上にくる（図７（ａ）参照）。

【０００５】さらにこのサイクルを複数回繰り返すことによって、図７（ｂ）のような縦型超格子ができる。 この縦型超格子を上下からバリア層６，７としてＡｌＡｓ
で挟むことにより、図８のような量子細線を作製することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の量子細線には次のような欠点があり、その実用化を大きく妨げていた。

【０００７】（１）従来の量子細線では、横方向の周期（Ｌｂ ₂ ＋Ｌｘ ₂ ）（図７（ｂ））は単分子層ステップの間隔であり、微傾斜基板１の傾斜角度αで一意に決まってしまう。

【数１】Ｌｂ ₂ ＋Ｌｘ ₂ ＝ａ／２ｔａｎα ここで、ａは格子定数であり、ａ／２は単分子層ステップの段差に相当する。 例えば前述した従来技術の例における２度の傾斜角度をもつＧａＡｓ微傾斜基板の場合、
上式の右辺ａ／２ｔａｎαは８１Åになる。 そのため、
２度の微傾斜基板上ではＬｂ ₂ ＋Ｌｘ ₂ ＝８１Åの制約条件をみたす範囲でしかＬｂ ₂とＬｘ ₂との値を設定することができなかった。 そのため横方向の周期の異なる量子細線を同じ基板上に作製し、異なる波長を制御する素子を作製することが困難であった。

【０００８】（２）従来の量子細線の縦型超格子は、成長中にあるＧａ原子とＡｌ原子とが縦方向の異種界面を越えて横方向に相互拡散してしまうため、組成変化が鈍ってしまい、横方向の量子閉じ込め効果が十分ではなかった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上述した問題点を解決し、自由に寸法を制御した量子細線を作製する方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発明に係る半導体量子細線の製造方法は、化合物半導体基板上に量子細線を形成する方法において、化合物半導体基板上に複数の分子層の段差をもつステップを形成する工程と、（００１）面方位のテラスからなる周期的な階段状構造の半導体層を形成する工程とを少なくとも含むことを特徴とする。

【００１１】また、上記方法において、化合物基板として（００１）面から［−１１０］方向に３度から３６度に傾斜したＧａＡｓ化合物半導体基板を用い、かつ、有機金属気相成長法におけるＶ族原料とIII 族原料の分圧比を２から１０００の範囲の有機金属原料を供給することにより、ＧａＡｓ基板上に複数の分子層の段差を持つステップを形成する工程と、（００１）面方位のテラスからなる周期的な段階状構造の半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００１２】すなわち、本発明の量子細線の作製方法はＧａＡｓの結晶成長条件を選ぶことにより、最初等間隔に並んでいた単原子ステップを集合させ、ステップバンチングを起こさせ、複数の分子層の段差を持つマルチステップを用いるところに最も大きな特徴をもつ。

【００１３】このマルチステップを形成するため（すなわちステップバンチングする）の成長条件は、（００
１）面方位から［−１１０］方向に３度から３６度に傾斜した面方位をもつ、化合物半導体からなる基板上に、
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で、Ｖ族／III 族（以下単に「Ｖ／III 」と記す）比を２から１０００までの範囲、基板温度５００度から７００度までの範囲でＧａＡｓを成長する。 この結果、マルチステップと（０
０１）面方位のテラスとからなる段階構造が形成され、
このマルチステップとテラスとを利用して量子細線を作製するものである。

【００１４】

【外１】

【００１５】

【実施例】以下、本発明の好適な一実施例を説明する。
図１にＧａＡｓ基板の傾斜角度と成長した後のＧａＡｓ
表面のマルチステップの段差の関係を示す。 従来の方法ではＶ／III 分圧比を２０００にしていたのでステップの段差は高々単分子層であった。 しかし、Ｖ／III 分圧比を１０００以下に下げることによって、ＧａＡｓ表面に数分子層の段差を持つマルチステップが形成される。
また従来は傾斜角度を２度にとっていたが、傾斜角度を大きくすることによってマルチステップの段差はさらに大きくなることが判明した。 しかし、基板傾斜角度が大きすぎると、その表面は白濁し、良好な結晶成長は実現できない。

【００１６】図２は本発明に係る量子細線の工程図を示している。 （００１）面から［−１１０］方向に角度５
度という従来より大きな傾斜角度で傾斜した面方位をもつ半導体傾斜基板１としてＧａＡｓ基板を用い１（図２
（ａ））、この基板１に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ法）でＧａＡｓを成長させる。

【００１７】次に、基板温度６００度、Ｖ／III 比は８
０という従来の方法より低い分圧比で緩衝層２であるＧ
ａＡｓを成長させると、基板１上では不規則に並んでいた単分子層ステップが集合し、すなわちステップバンチングを起こし、図２（ｂ）のように、（００１）面方位のテラスと２０分子層の段差（５５Å）を持つマルチステップ８からなる階段構造になる。

【００１８】図２（ｂ）で示したマルチステップ８は傾斜に垂直な方向に（図では紙面に垂直な方向に直線的に伸びている。次に同じ条件で量子細線のバリア層４であるＡｌＡｓを成長させると、ＡｌＡｓは下地のマルチステップ形状をなぞるように一様な厚さで成長するので、
図２（ｃ）に示すような構造ができる。

【００１９】次に量子細線のウエル層５であるＧａＡｓ
を成長させるとＧａＡｓはマルチステップからテラス上を横方向に成長するので図３（ａ）のような構造になる。 次に再びバリア層３であるＡｌＡｓを成長させると、図３（ｂ）のようになり、量子細線のウエル層５であるＧａＡｓを２次元的に囲むことができ量子細線が完成する。

【００２０】本発明における量子細線の横方向の寸法Ｌ
ｘ ₁はウエル層５としてのＧａＡｓのマルチステップが横方向に成長する時間のみで決まり、成長中に自由に変えることができる（図３（ｃ）参照）。 量子細線の縦方向の寸法ＬＹ ₁はマルチステップの段差で決まり、図１
からＶ／III 比の値により例えば、１０分子層から３５
分子層ステップに制御することができる。 また量子細線のバリア層の厚さＬｂ ₁はＡｌＡｓ３バリア層の成長時間のみで決まる。

【００２１】以上の説明は、供給したＧａＡｓ分子すべてがマルチステップに付着し横方向に成長するという理想的な場合で説明した。 実際には、ＧａＡｓ分子の大部分はマルチステップに付着することを実験より明らかにしているが、下のテラスに付着しＡｌＡｓ分子のように成長するＧａＡｓ分子も一部分だが存在する。 しかし、
そのような場合であってもそれが本発明に含まれることはいうまでもない。

【００２２】本発明の多重量子細線の構造図を図４に示す。 本発明の量子細線は図２，図３に示した方法により、複数に重ね合わせて多重に作ることは可能であり、
構造上何段でも重ねあわせることができる。 また表面は巨視的に平面であり、半導体素子の作製が容易である。

【００２３】図５（ａ）は本発明による多重量子細線の断面を透過型電子顕微鏡で観察した顕微鏡写真の模式図であり、図５（ｂ）はその要部拡大図である。 観察の倍率は３８万倍である。 観察資料は基板傾斜角５度、Ｇａ
Ａｓ量子細線１１の縦方向の寸法が約５５Å（２０分子層），横方向の寸法は約４００Åである。 ＡｌＡｓバリア層１２の厚さは約４０Åである。 ＧａＡｓは全体的に約４０Å分供給した。 ＧａＡｓ層がＡｌＡｓ層に縦方向のみならず横方向にも閉じ込められており、ＧａＡｓ多重量子細線が実現できていることがわかる。 この例では、ＧａＡｓを４０Å分供給し、実施例より成長時間を長くしたために、ＧａＡｓマルチステップ１３端が下のＡｌＡｓ（００１）面テラス１４の端までほぼ達しているが、ＧａＡｓの成長時間を短く（供給量を少なく）することによって、量子細線の横方向の寸法をさらに小さくすることができる。 尚、図５（ａ）中、符号１５は表面を図示している。

【００２４】図２（ａ）の工程図では基板１表面で単分子ステップが並んでいる場合を示したが、基板表面が単分子ステップでない不規則表面でも、図２（ｂ）の緩衝層２の表面でマルチステップとテラスが形成できる。

【００２５】以上、本発明の応用例としては、量子細線を含む半導体素子なら何れであっても適用が容易であり、例えば半導体レーザー、電界効果トランジスターなどにも適用できることはいうまでもない。 またステップバンチングをおこす半導体材料なら、ＧａＩｎＰ／Ｇａ
Ａｓ，ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ等のIII-V 族化合物、Ｚｎ
Ｓｅ／ＺｎＣｄＳｅ等のII-VI 族化合物、さらにＳｉ基板上のＳｉＧｅ等の材料でも適用できるのは明らかである。

【００２６】

【発明の効果】本発明のステップバンチングを利用した半導体量子細線の製造方法は所望の寸法を有する半導体量子細線を制御性良く製造できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】基板の傾斜角度と成長したＧａＡｓのステップの段差との関係を示す特性図である。

【図２】本発明に係る量子細線の工程図である。

【図３】本発明に係る量子細線の工程図である。

【図４】本発明に係る量子細線を多重量子細線に応用した例の構造図である。

【図５】本発明の多重量子細線の断面電子顕微鏡写真の模式図である。

【図６】従来の方法で作製した量子細線の工程図である。

【図７】従来の方法で作製した量子細線の工程図である。

【図８】従来の方法で作製した量子細線の工程図である。

【符号の説明】

１ 半導体傾斜基板 ２ 緩衝層 ３ 単分子層ステップ ４ 量子細線のバリア層 ５ 量子細線のウエル層 ６ 下のバリア層 ７ 上のバリア層 ８ マルチステップ