(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体表面を有し、該表面の面内方向に関して格子定数が不均一である半導体基板と、
前記半導体基板の表面上に散点状に配置され、半導体により形成された複数の微結晶体であって、前記半導体基板の表面の面内方向に関して大きさが不均一であり、該微結晶体の大きさが前記半導体表面の格子定数の変化に応じて変化している前記微結晶体と
を有する半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板が、
面内で格子定数が均一な下地表面を有する下地基板と、
前記下地表面の格子定数と異なる格子定数を有する半導体が、該下地表面上にエピタキシャルに成長した下地層であって、基板面内の場所によって厚さ及び歪緩和量が異なり、該下地層の表面において格子定数が不均一である前記下地層と
を含む請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体表面を有する基板の該半導体表面上の有限長の帯状領域の両側に該帯状領域に隣接するように絶縁膜を形成する工程と、
前記基板の半導体表面の格子定数と異なる格子定数を有する半導体からなる下地層を、前記基板の半導体表面上にエピタキシャル成長させる工程であって、前記絶縁膜の表面上には成長せず、前記基板の半導体表面上に選択的に成長し、該帯状領域の中央における膜厚が端部における膜厚よりも厚くなる条件で前記下地層を、ＭＯＣＶＤにより成長させる工程と、
前記下地層の表面上に、化合物半導体層をエピタキシャル成長させる工程であって、周囲の領域とは組成が異なり、周囲の領域よりも大きな歪を有する微結晶体が層内に散点状に配置される条件で前記化合物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項４】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置され、第１導電型の半導体からなる下側クラッド層と、
前記下側クラッド層の上に基板面内方向に離散的に配置され、前記下側クラッド層とは格子定数の異なる半導体からなり、複数の緩和領域からなる緩和層であって、各緩和領域の厚さが相互に異なる前記緩和層と、
前記複数の緩和領域の各々の上に配置された複数の活性領域からなる活性層であって、該活性層内に散点状に分布し、その周囲の領域とは組成が異なる歪の集中した微結晶体を含み、各活性領域内の微結晶体の平均粒径が活性領域ごとに異なる前記活性層と、
前記複数の活性領域の各々の上に配置され、前記第１導電型と逆の第２導電型の半導体からなる複数の上側クラッド層と、
前記複数の上側クラッド層の各々にオーミックに接続された複数の電極と、
前記活性層、前記上側クラッド層、及び前記電極が積層され、基板面内に散点状に分布する複数の積層構造の各々の間に配置され、各積層構造を相互に電気的に分離する分離領域と
を有するレーザダイオードアレイ。
【請求項５】
半導体表面を有し、該表面の面内方向に関して格子定数が不均一である半導体基板と、
前記半導体表面上に散点状に分布し、該表面の格子定数の変化に応じて大きさが変化する複数の微結晶体を含む微結晶構造体と、
前記微結晶構造体にレーザ光を照射することができる波長可変のレーザ光源と、
前記微結晶構造体に照射されたレーザ光のうち、該微結晶構造体を透過したレーザ光を検出する受光手段と
を有する光半導体装置。
【請求項６】
さらに、前記微結晶構造体中の各微結晶体中に発生した電子正孔対の電子及び正孔のいずれか一方を当該微結晶体から取り出すための電界を各微結晶体に印加する電界印加手段を有する請求項５に記載の光半導体装置。
【請求項７】
ＭＯＣＶＤにより成長させる工程で成長させる下地層は、ＩｎＧａＡｓで形成される請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、電子もしくは正孔に対して３次元方向の量子閉じ込めを行う量子箱を含む半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下地の半導体表面との格子不整合の大きさが、結晶の弾性限界を越えるような半導体層を、下地表面上に量子スケールの厚さ、例えば数十ナノメートル程度の厚さに堆積すると、周囲の半導体領域と組成が異なり、歪の集中した微結晶体が形成されることが知られている。この微結晶体中の電子、正孔のとり得るエネルギ準位が周囲の半導体領域のエネルギ準位よりも低い場合には、微結晶体が電子及び正孔に対して３次元方向の量子閉じ込めを行う量子箱として作用する。
【０００３】
このように、量子箱を自己形成する方法は、人為的な微細加工を行って量子箱を形成する方法よりも以下の点で優れている。すなわち、人為的な微細加工プロセスが不要であるため、工業化に有利である。また、加工プロセス中に発生する結晶欠陥等による結晶の品質低下を防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
量子箱を自己形成する方法により形成される量子箱は、その大きさに関して極めて高い均一性を有する。従って、この方法では、同一基板上に大きさの異なる複数の量子箱を形成することが困難である。
【０００５】
本発明の目的は、同一基板上に大きさの異なる複数の量子箱を形成した半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、半導体表面を有し、該表面の面内方向に関して格子定数が不均一である半導体基板と、前記半導体基板の表面上に散点状に配置され、半導体により形成された複数の微結晶体であって、前記半導体基板の表面の面内方向に関して大きさが不均一であり、該微結晶体の大きさが前記半導体表面の格子定数の変化に応じて変化している前記微結晶体とを有する半導体装置が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によると、半導体表面を有する基板の該半導体表面上の有限長の帯状領域の両側に該帯状領域に隣接するように絶縁膜を形成する工程と、前記基板の半導体表面の格子定数と異なる格子定数を有する半導体からなる下地層を、前記基板の半導体表面上にエピタキシャル成長させる工程であって、前記絶縁膜の表面上には成長せず、前記基板の半導体表面上に選択的に成長し、該帯状領域の中央における膜厚が端部における膜厚よりも厚くなる条件で前記下地層を、ＭＯＣＶＤにより成長させる工程と、前記下地層の表面上に、化合物半導体層をエピタキシャル成長させる工程であって、周囲の領域とは組成が異なり、周囲の領域よりも大きな歪を有する微結晶体が層内に散点状に配置される条件で前記化合物半導体層をエピタキシャル成長させる工程とを含む半導体装置の製造方法が提供される。
【０００８】
帯状領域内の表面上に、半導体表面が露出したその他の広い領域よりも厚い下地層が成長する。これは、帯状領域の表面上に、より多くの原料が供給されるためと考えられる。また、下地層の厚さは、帯状領域の長さ方向の中央部で最も厚くなり、端部に近づくに従って薄くなる。下地層の厚さが異なると、歪緩和量も異なる。従って、下地層の表面の格子定数が、帯状領域の長手方向に沿って変化する。面内の格子定数にばらつきのある半導体表面上に、微結晶体が層内に散点状に配置される条件で化合物半導体層をエピタキシャル成長させると、化合物半導体層内に大きさの異なる複数の微結晶体が形成される。
【０００９】
本発明の他の観点によると、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の上に配置され、第１導電型の半導体からなる下側クラッド層と、前記下側クラッド層の上に基板面内方向に離散的に配置され、前記下側クラッド層とは格子定数の異なる半導体からなる複数の緩和層であって、各緩和層の厚さが相互に異なる前記緩和層と、前記複数の緩和層の各々の上に配置された複数の活性層であって、該活性層内に散点状に分布し、その周囲の領域とは組成が異なる歪の集中した微結晶体を含み、各活性層内の微結晶体の平均粒径が活性層ごとに異なる前記複数の活性層と、前記複数の活性層の各々の上に配置され、前記第１導電型と逆の第２導電型の半導体からなる複数の上側クラッド層と、前記複数の上側クラッド層の各々にオーミックに接続された複数の電極と、前記活性層、前記上側クラッド層、及び前記電極が積層され、基板面内に散点状に分布する複数の積層構造の各々の間に配置され、各積層構造を相互に電気的に分離する分離領域とを有するレーザダイオードアレイが提供される。
【００１０】
レーザダイオードアレイ中の各レーザダイオードの活性層内に形成されている微結晶体の平均粒径が、各レーザダイオード相互間で異なるため、発光波長も異なる。発光波長の異なるレーザダイオードを配列したレーザダイオードアレイが得られる。
【００１１】
本発明の他の観点によると、半導体表面を有し、該表面の面内方向に関して格子定数が不均一である半導体基板と、前記半導体表面上に散点状に分布し、該表面の格子定数の変化に応じて大きさが変化する複数の微結晶体を含む微結晶構造体と、前記微結晶構造体にレーザ光を照射することができる波長可変のレーザ光源と、前記微結晶構造体に照射されたレーザ光のうち、該微結晶構造体を透過したレーザ光を検出する受光手段とを有する光半導体装置が提供される。
【００１２】
微結晶構造体にレーザ光を照射すると、その波長に対応するバンドギャップを有する微結晶体中に電子正孔対が生成する。微結晶体が量子サイズである場合には、微結晶体中に１個または少数個の電子正孔対しか存在できない。このため、同じ波長のレーザ光に対する吸収係数が低下する。微結晶構造体の光吸収スペクトルの波形に、照射したレーザ光の波長に対応する下向きのピークが現れる。このピークの有無を「０」と「１」に対応させ、１ビットの情報を記憶することができる。
【００１３】
受光手段で透過レーザ光を検出することにより、照射したレーザ光の波長に対応する下向きのピークの有無を検出することができる。ピークの有無を検出することにより、記憶した情報を読み出すことができる。特定の波長のレーザ光を選択的に照射することにより、複数ビットの情報の記憶、読み出しを行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の理解を容易にするために、本願発明者らの先の提案（特願平６−２２２１０７号）による量子箱の作製方法を説明する。
【００１５】
図１は、先の提案による半導体装置の積層構造を示す。ＧａＡｓ基板１の上にＧａＡｓバッファ層２、散点状に配置された量子箱５を有するＩｎＧａＡｓ層３、及びＧａＡｓキャップ層４がそれぞれエピタキシャル成長されている。このように、量子箱５を有する層（以下、「量子箱層」と呼ぶ）３が、バッファ層２、キャップ層４に挟まれた構造とされている。
【００１６】
図２は、図１に示す積層構造を形成するための減圧有機金属化学気相成長（ＬＰ−ＭＯＣＶＤ）装置の概略を示す。ただし、結晶成長は、原料交互供給で行う。なお、原子層エピタキシャル成長（ＡＬＥ）装置を用いて行ってもよい。反応容器１０の下方にガス流路１５が開口し、ガス流路１５から反応容器１０内に反応ガスが導入される。反応容器１０内に導入された反応ガスは反応容器１０の上方に設けられたガス排気管１４から外部に真空排気される。
【００１７】
反応容器１０内にはサセプタ１１が配置され、ガス流路１５の開口部に対向する位置に基板１が保持される。反応容器１０の周囲にはサセプタ１１を取り囲むように高周波コイル１２が配置されており、サセプタ１１及び基板１を高周波加熱することができる。
【００１８】
ガス流路２０からガス供給系にキャリアガス及びパージ用ガスとして使用されるＨ2 ガスが供給される。ガス流路２０から分岐したＨ2 ガス、及びガス流路２０から分岐しトリメチルインジウムジメチルエチルアミンアダクト（ＴＭＩＤＭＥＡ）をバブリングしたＨ2 ガスがそれぞれマスフローコントローラＭＦＣを通してガス流路２１に供給される。
【００１９】
同様に、ガス流路２０から分岐したＨ2 ガス、及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をバブリングしたＨ2 ガスがそれぞれマスフローコントローラＭＦＣを通してガス流路２２に供給される。
【００２０】
ガス流路２１、２２はガス切り換えバルブ２５の入力側に接続されている。ガス切り換えバルブ２５の出力側は、反応容器１０に反応ガスを供給するためのガス流路１５及び排気用ガス流路２７に接続されている。ガス切り換えバルブ２５でガス流路を切り換えることにより、ガス流路１５にＴＭＩＤＭＥＡを含んだＨ2 ガスあるいはＴＭＧを含んだＨ2 ガス、またはその両方を供給することができる。また、両方のガスを排気用ガス流路２７に排気することもできる。
【００２１】
ガス流路２０から分岐したＨ2 ガスがマスフローコントローラＭＦＣを介してガス流路２３に供給される。また、ガス流路２０から分岐したＨ2 ガス、及びアルシン（ＡｓＨ3 ）がそれぞれマスフローコントローラＭＦＣを通してガス流路２４に供給される。
【００２２】
ガス流路２３、２４はガス切り換えバルブ２６の入力側に接続されている。ガス切り換えバルブ２６の出力側は、ガス切り換えバルブ２５と同様にガス流路１５及び排気用ガス流路２８に接続されている。ガス切り換えバルブ２６でガス流路を切り換えることにより、ガス流路１５にパージ用Ｈ2 ガスあるいはＡｓＨ3 とＨ2 の混合ガスを供給することができる。
【００２３】
次に、図２に示すＬＰ−ＭＯＣＶＤ装置を使用して図１に示す積層構造を形成する方法について説明する。
まず、ＧａＡｓ基板１をサセプタ１１に保持する。パージ用ガスとしてＨ2 ガスを流しながら高周波コイル１２でサセプタ１１を加熱し、基板温度を４６０℃とする。なお、反応容器１０内の圧力が２０００Ｐａとなるように排気量を制御する。
【００２４】
基板温度が４６０℃となったところでＴＭＧを含むＨ2 ガスを流量２５ｓｃｃｍ、ＡｓＨ3 とＨ2 の混合ガスを流量１００ｓｃｃｍの条件で供給し、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層２を堆積する。
【００２５】
次に、ＴＭＩＤＭＥＡ、ＴＭＧ及びＡｓＨ3 を時間的に切り換えて供給し、厚さ７ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子箱層３を堆積する。
図３は、ＴＭＩＤＭＥＡ、ＴＭＧ及びＡｓＨ3 の供給のタイムチャートを示す。まず、Ｈ2 ガスを０．５秒間流し反応容器１０内をパージする。続いて、ＴＭＩＤＭＥＡをバブリングしたＨ2 ガスを流量２００ｓｃｃｍの条件で１．０秒間、続いてＴＭＧをバブリングしたＨ2 ガスを流量３５ｓｃｃｍの条件で０．１秒間供給する。Ｈ2 ガスを０．５秒間供給し反応容器１０内をパージする。続いて、ＡｓＨ3 とＨ2 の混合ガスを流量４００ｓｃｃｍの条件で１０秒間供給する。
【００２６】
上記ガス供給シーケンスを１サイクルとしてガス供給を１２サイクル繰り返す。
続いて、図１のＧａＡｓ層２の形成と同一の条件で厚さ１００ｎｍのＧａＡｓキャップ層４を堆積する。なお、有機金属材料として他の原料ガスを用いることも可能である。
【００２７】
図３では、Ｉｎ原料、Ｇａ原料、Ａｓ原料をこの順番で供給する場合について示したが、その他の順序で供給してもよい。例えば、Ｉｎ原料とＧａ原料の供給順序を逆にしてもよい。また、Ｉｎ原料の供給とＧａ原料の供給の間にさらにＡｓ原料を供給してもよい。
【００２８】
また、図３では、Ｇａ原料の供給からＡｓ原料の供給への切替え時及びＡｓ原料の供給からＩｎ原料の供給への切替え時にパージ用の水素ガスを供給する場合について示したが、他の原料切り替え時にパージ用の水素ガスを供給してもよい。
【００２９】
また、上記先の提案では、ガス供給サイクルを１２回繰り返す場合について説明したが、１２回に限らない。なお、ガス供給サイクルを６回以上繰り返すことが好ましく、さらには１０〜２４回繰り返すことが好ましい。
【００３０】
また、上記先の提案では、量子箱層の成長温度を４６０℃とした場合について説明したが、その他の温度としてもよい。例えば、成長温度を２５０℃〜６００℃、より好ましくは４２０℃〜５００℃としてもよい。
【００３１】
上記条件でＩｎＧａＡｓ量子箱層３を成長させると、図１に示すように散点状に分布するＩｎ組成の多い微結晶体３が形成される。この理由は、以下のように考えられる。
【００３２】
ＴＭＩＤＭＥＡ、ＴＭＧ、及びＡｓＨ3 を時間的に分割して供給すると、通常、形成されるＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成比は、各構成元素の原料ガスの供給時間等によって特定される値になる。
【００３３】
ＧａＡｓバッファ層の上にＩｎＧａＡｓ層を堆積する場合に、Ｉｎ組成の均一なＩｎＧａＡｓ層が全面に形成されるとすると、格子不整合のためＩｎＧａＡｓ層に面内方向の歪が発生する。このようにＩｎＧａＡｓ層全面に歪が発生するよりも、広い領域で下地のＧａＡｓバッファ層と格子定数がほぼ整合するＩｎ組成の少ない領域が形成され、局所的にＩｎ組成の多い領域が散点状に形成される方が歪エネルギが低くなると考えられる。また、このＩｎ組成の多い領域が球状に近いほど歪エネルギが低くなると考えられる。
【００３４】
上記のような理由から、図１に示すようにＩｎ組成の少ない領域の中にＩｎ組成の多い微結晶体５が散点状に分布すると考えられる。
このＩｎ組成の多い微結晶体５中の電子及び正孔のとり得るエネルギ準位が、周囲のＩｎ組成の少ない領域及び上下のＧａＡｓキャップ層４及びＧａＡｓバッファ層２のエネルギ準位に比べて低いため、微結晶体５はキャリアに対して３次元的なポテンシャル井戸として働く。このようにして、電子及び正孔に対して３次元方向の量子閉じ込めを行う量子箱５が形成される。量子箱５の大きさは、量子箱層３内の歪エネルギを最小にする熱力学的条件により定まる。このため、量子箱５は、その大きさに関して高い均一性を有する。
【００３５】
次に、量子箱の大きさを制御する方法について説明する。量子箱層３内の歪エネルギは、下地表面との格子不整合の大きさにより変化し、格子不整合が大きくなると歪エネルギも大きくなると考えられる。格子不整合が大きければ、より多くの歪エネルギを低減させることが必要になる。格子不整合の大きさを変化させることにより、量子箱の大きさを変化させることができると考えられる。
【００３６】
本願発明者らは、上記考察を検証するために、格子不整合の大きさを種々変化させて量子箱層を成長させ、量子箱からの発光波長を測定した。なお、格子不整合の大きさは、下地表面のＩｎＧａＡｓのＩｎ組成比を変化させることにより調整した。
【００３７】
図４のグラフ中に断面図で示すように、ＧａＡｓ基板の表面上にＬＰ−ＭＯＣＶＤによりＩｎx Ｇａ1-x Ａｓの下地層を堆積し、その上にＩｎＧａＡｓからなる量子箱層を成長させた。なお、量子箱層の成長条件は、図１に示す量子箱層３の成長条件と同様である。このとき、量子箱の組成をエレクトロンディフラクションＸ線分析（ＥＤＸ）により測定したところ、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓであった。
【００３８】
図４は、量子箱からの発光波長を、下地層のＩｎ組成比の関数として示す。横軸は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの下地層のＩｎ組成比ｘを表し、縦軸は量子箱からの発光波長を単位μｍで表す。なお、下地層の厚さは、５００ｎｍに固定した。
【００３９】
下地層の厚さがその格子不整合の大きさにおける臨界膜厚を超えているため、下地層中の歪は、ＧａＡｓ基板から離れるに従って徐々に緩和していると考えられる。歪緩和量は下地層のＩｎ組成比ｘにより左右される。従って、下地層のＩｎ組成比ｘを変化させることにより、下地層の最表面の格子定数を変化させることができる。すなわち、図４の横軸は下地層の最表面の格子定数に対応している。Ｉｎ組成比ｘが大きくなると、下地層の最表面の格子定数が量子箱層の格子定数に近づき、量子箱層との格子不整合が小さくなる。
【００４０】
図４に示すように、下地層と量子箱層との格子不整合が小さくなると、量子箱からの発光波長が徐々に長くなる。すなわち、量子箱内のエネルギギャップが小さくなる。このことから、格子不整合が小さくなると、量子箱の大きさが大きくなっていると考えられる。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により量子箱を観察したところ、下地層のＩｎ組成比ｘが大きくなるに従って、量子箱が大きくなることを確認することができた。
【００４１】
このように、下地表面と量子箱層との格子不整合の大きさを変化させることにより、量子箱の大きさを変化させることができる。
次に、図５を参照して、第１の実施例による量子箱の形成方法を説明する。
【００４２】
図５（Ａ）に示すように、基板面内の一方向に関して組成が徐々に変化するＩｎＧａＡｓ基板３０を作製する。以下、ＩｎＧａＡｓ基板３０の作製方法を説明する。
【００４３】
長さ２０ｍｍのＧａＡｓ単結晶と長さ１０ｍｍのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ単結晶を接触させて電気炉内に配置し、約１０００℃に加熱する。炉内の温度勾配に応じ、ＩｎＧａＡｓの相図によって決定される組成分布を持ったＩｎＧａＡｓ単結晶が形成される。組成分布は、電気炉内の温度分布等に依存する。本実施例では、一端の組成がＧａＡｓ、他端の組成がＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの組成分布を持った長さ３０ｍｍのインゴットを得ることができた。
【００４４】
本実施例では、ブリッジマン法を用いてインゴットを作製する場合を説明したが、チョクラルスキー法、ゾーンメルティング法等の他の方法で作製してもよい。
【００４５】
得られたインゴットから、表面内の一方向に関して組成が変化するようにＩｎＧａＡｓ基板３０を切り出す。ＩｎＧａＡｓ基板３０の一端の組成はＧａＡｓであり、他端の組成はＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓである。ＧａＡｓの格子定数は０．５６５３３ｎｍでありＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの格子定数は０．５９７７４ｎｍである。
【００４６】
図５（Ｂ）に示すように、ＩｎＧａＡｓ基板３０の上に、図１に示す量子箱層３と同様の条件で厚さ１０ｎｍの量子箱層３１を成長させる。量子箱層３１内に量子箱３２が形成される。
【００４７】
図５（Ａ）に示すＩｎＧａＡｓ基板３０の一端近傍の点Ｐ１、他端近傍の点Ｐ５、及び点Ｐ１と点Ｐ５との間をほぼ４等分する点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の５箇所の近傍領域に形成された量子箱からの発光波長を測定した。
【００４８】
図５（Ｃ）は、各点Ｐ１〜Ｐ５の近傍領域の量子箱からの発光波長を示す。横軸は基板面内の位置を表し、縦軸は量子箱からの発光波長を単位μｍで表す。点Ｐ１近傍の量子箱からの発光波長は約１．３μｍであり、点Ｐ５に近づくに従って発光波長が長くなっている。
【００４９】
このように、下地表面の格子定数を面内で変化させることにより、発光波長の異なる複数の量子箱を同一基板上に形成することができる。すなわち、大きさの異なる複数の量子箱を同一基板上に形成することができる。
【００５０】
次に、図６を参照して、第２の実施例による量子箱の形成方法を説明する。
図６（Ａ）は、ＧａＡｓ下地基板の平面図を示し、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｂ６−Ｂ６における断面図を示す。ＳｉＯ2 からなる相互に同一形状の長方形の１対のマスクパターン４１が、ＧａＡｓ下地基板４０の表面上に、１０μｍの間隔をおいて平行配置されている。マスクパターン４１の厚さは０．２μｍである。ＧａＡｓ基板４０の表面に、１対のマスクパターン４１に挟まれた幅１０μｍの帯状領域４３が画定される。マスクパターン４１の相互に直交する辺のうち帯状領域４３の長手方向に平行な辺の長さは６００μｍである。帯状領域４３の長手方向に直交する辺の長さをｗとし、ｗの異なる複数対のマスクパターンを形成した。
【００５１】
マスクパターン４１の表面上には成長せず、ＧａＡｓ基板４０の露出した表面上にのみ成長する条件で、原料をＴＭＩ、ＴＥＧ、ＡｓＨ3 とし、基板温度を６３０℃としたＭＯＣＶＤによりＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層４２を堆積する。
【００５２】
図６（Ｃ）は、帯状領域４３のほぼ中央の点Ｑ１におけるＩｎＧａＡｓ層の膜厚ＴQ1と帯状領域４３以外の平坦部の点Ｑ２における膜厚ＴQ2との比ＴQ1／ＴQ2を、マスクパターン４１の辺の長さｗの関数として示す。横軸は辺の長さｗを単位μｍで表し、縦軸は膜厚比ＴQ1／ＴQ2を表す。なお、点Ｑ２におけるＩｎＧａＡｓ層４２の膜厚が約６０ｎｍになるようにした。
【００５３】
辺の長さｗが１００μｍのとき、膜厚比ＴQ1／ＴQ2が約２．５になる。辺の長さｗを長くすると、膜厚比ＴQ1／ＴQ2が大きくなる。このように、点Ｑ１において点Ｑ２よりも膜厚が厚くなるのは、帯状領域４３内の表面上に、より多くの原料が供給されるためと考えられる。
【００５４】
また、ＩｎＧａＡｓ層４２の膜厚は、帯状領域４３の長さ方向の中央において最も厚くなり、端部に近づくに従って薄くなる。
ＩｎＧａＡｓ層４２の膜厚が臨界膜厚以下の領域では、歪がほとんど緩和しないため、ＩｎＧａＡｓ層４２の最表面の格子定数は、ＧａＡｓ基板４０の格子定数とほぼ等しい。ＩｎＧａＡｓ層４２が厚くなると、歪緩和量が大きくなるため、ＩｎＧａＡｓ層４２の最表面の格子定数がＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの格子定数に近づく。このように、面内方向に関して格子定数が変化する半導体表面を得ることができる。
【００５５】
ＩｎＧａＡｓ層４２の表面上に量子箱層を成長させることにより、第１の実施例の場合と同様に基板表面の場所によって大きさの異なる量子箱を形成することができる。
【００５６】
上記第１及び第２の実施例では、ＧａＡｓ基板上に直接、または歪緩和層としてＩｎＧａＡｓを用い、ＩｎＧａＡｓからなる量子箱層を形成する場合を説明したが、量子箱層とその下地表面との間で一定の格子不整合が生じるような組み合わせであればその他の材料を用いてもよい。例えば、基板、歪緩和層、及び量子箱層の材料として表１に示すような組み合わせとしてもよい。歪緩和層と量子箱層との構成元素が等しい組み合わせの場合には、各構成元素の組成比を変えることにより格子定数に差を設けることができる。
【００５７】
【表１】
0003698802.tif 000002
図７は、上記第２の実施例による量子箱の形成方法を利用して作製したレーザダイオードアレイの断面図を示す。なお、以下に示す半導体の各層は、例えばＭＯＣＶＤにより形成される。
【００５８】
ｎ型のＧａＡｓからなる基板５０の上に、ｎ型のＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐからなる厚さ１μｍのクラッド層５１が形成されている。ｎ型クラッド層５１の表面上に、図６（Ａ）及び（Ｂ）で説明した方法と同様の方法で、図７の横方向に関して厚さが６０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で変化するｎ型のＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓからなる歪緩和層を形成する。すなわち、図６（Ａ）に示す帯状領域４３が、図７の横方向に延在するようにマスクパターン４１を配置して歪緩和層を選択成長させる。図７では、右方に進むに従って歪緩和層が厚くなる場合を示している。この歪緩和層の上に、原料の交互供給によるＭＯＣＶＤにより、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなる厚さ１０ｎｍの量子箱層を成長させる。
【００５９】
量子箱層と歪緩和層とを部分的にエッチングして、図の横方向に左から右方に向かって離散的に並ぶ歪緩和層５２Ａ〜５２Ｃ、及び各歪緩和層５２Ａ〜５２Ｃの上にそれぞれ配置された量子箱層５３Ａ〜５３Ｃを残す。歪緩和層５２Ａ、５２Ｂ及び５２Ｃの各々の平均の厚さは、この順番に厚くなっている。従って、量子箱層５３Ａ、５３Ｂ及び５３Ｃの各々に形成された量子箱の平均の大きさは、この順番に大きくなる。
【００６０】
歪緩和層５２Ａ〜５２Ｃ、及び量子箱層５３Ａ〜５３Ｃを覆うように、ノンドープのＧａＡｓからなる厚さ１００ｎｍの光閉じ込め層５４を堆積する。光閉じ込め層５４の上に、ｐ型のＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐからなる厚さ１μｍのクラッド層５５、及びｐ型のＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍのコンタクト層５６を堆積する。量子箱層５３Ａと５３Ｂ、及び５３Ｂと５３Ｃの間に、コンタクト層５６から少なくともｎ型クラッド層５１の上面まで達する分離溝５９を形成する。分離溝５９の形成は、例えばエッチングガスとしてＣｌ2 を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により行う。
【００６１】
分離溝５９によって分離されたコンタクト層５６の各々の上に、例えば、リフトオフ法を用いてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ（Ｔｉが下層）からなるｐ側電極５７を形成する。また、基板５０の裏面に、ＡｕＧｅ／Ａｕ（ＡｕＧｅが下層）からなるｎ側電極５８を形成する。
【００６２】
量子箱層５３Ａ〜５３Ｃの各々を活性層とする３つのレーザダイオードが形成される。各レーザダイオードの活性層中の量子箱の平均の大きさが相互に異なるため、発光波長も異なる。このように、発光波長の異なる複数のレーザダイオードを同一基板上に配列したレーザダイオードアレイを得ることができる。
【００６３】
次に、図８及び図９を参照して、図６に示す第２の実施例による量子箱の形成方法を用いて、ホールバーニング現象を利用した記憶装置について説明する。
図８（Ａ）は、ホールバーニング現象を利用した記憶装置に用いられる量子箱素子７１の断面図を示す。導電性が付与されたＧａＡｓ基板６１の上に、図６（Ａ）及び（Ｂ）で説明した方法と同様の方法で、図８（Ａ）の横方向に関して厚さが６０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で変化するＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓからなる歪緩和層６２を形成する。歪緩和層６２の上にＡｌＧａＡｓからなる厚さ５ｎｍのバリア層６３、ＩｎＧａＡｓからなる厚さ１０ｎｍの量子箱層６４、導電性を付与されたＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍの電極層６５がこの順番に積層されている。電極層６５の表面上の一部の領域に電極６６が形成され、基板６１の裏面の一部の領域に電極６７が形成されている。
【００６４】
歪緩和層６２の厚さが場所によって異なるため、量子箱層６４内に大きさの異なる複数の量子箱が形成される。
図８（Ｂ）は、量子箱層の光吸収スペクトルの一例を示す。量子箱層内に形成される量子箱の大きさが均一である場合には、各量子箱が吸収する光の波長が等しいため、図の破線ｂで示すように鋭いピークが現れる。これに対し、大きさの異なる複数の量子箱が形成されている場合には、各量子箱が吸収する光の波長が異なるため、実線ａで示すようにある幅を持ったブロードなピークを示す。
【００６５】
量子箱層に、波長λ1 のレーザ光を照射すると、波長λ1 のエネルギに対応するバンドギャップを有する量子箱内に電子正孔対が生成される。量子箱内には少数の電子正孔対しか存在できないため、波長λ1 のレーザ光を吸収して電子正孔対が生成された量子箱は、それ以上レーザ光を吸収できない。このため、量子箱層の吸収スペクトルの波長λ1 の位置に、鋭い下向きのピークが発生する。これが、ホールバーニング現象である。
【００６６】
波長λ1 の下向きのピークの有無を「０」と「１」に対応させ、１ビットの情報を記憶することができる。波長を変化させることにより、各波長に対応して１ビットの情報を記憶することができる。多くの情報を記憶するためには、なるべく広い波長域において、大きな吸収係数を示す量子箱層を用いることが好ましい。図８（Ａ）に示すように、大きさの異なる複数の量子箱を形成することにより、吸収スペクトルのピークがブロードになり、多くの情報を記憶するのに適した吸収スペクトル波形を得ることができる。
【００６７】
量子箱内に電子正孔対を生成させた後、電極６６と６７との間に電圧を印加する。電子または正孔のうち一方のキャリアが、バリア層６３をトンネルして歪緩和層６２内に取り出される。他方のキャリアに対しては、バリアが高くなるようなバンド構造としておく。一方のキャリアのみを量子箱内に残すことにより、キャリアの寿命を延ばすことができ、記憶可能時間を長くすることができる。
【００６８】
図９は、量子箱素子を用いた記憶装置の概略図を示す。図８（Ａ）に示す量子箱素子７１に、複数のレーザダイオード７０Ａ〜７０Ｅからレーザ光が照射される。量子箱素子７１を透過したレーザ光が、受光素子７２によって検出される。レーザダイオード７０Ａ〜７０Ｅは、量子箱素子７１が比較的大きな吸収係数を示す波長域内のそれぞれ相互に異なる波長のレーザ光を出力する。
【００６９】
例えば、レーザダイオード７０Ａ〜７０Ｅの各々の発光波長に対応して１ビットの情報を記憶することができる。情報を記憶するときは、記憶すべき波長に対応するレーザダイオードからレーザ光を出力する。量子箱素子の吸収スペクトルに、当該波長に対応する下向きのピークが現れる。
【００７０】
情報を読み出すときは、読み出すべき波長に対応するレーザダイオードからレーザ光を出力する。量子箱素子７１の吸収スペクトルに、既に当該波長に対応する下向きのピークが現れている場合には、受光素子７２でレーザ光が検出され、そうでない場合には、レーザ光が検出されない。
【００７１】
なお、レーザダイオード７０Ａ〜７０Ｅを波長可変型とすることにより、より多くの情報を記憶することが可能になる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、同一基板上に、大きさの異なる複数の量子箱を形成することができる。量子箱を発光源として使用することにより、発光波長の異なる複数のレーザダイオードを有するレーザダイオードアレイを得ることができる。また、量子箱のホールバーニング現象を利用した記憶装置に適用することにより、多くの情報を記憶することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】先の提案による量子箱層を含む半導体積層構造の断面図である。
【図２】先の提案による半導体積層構造の作製に使用した減圧ＭＯＣＶＤ装置の概略図である。
【図３】先の提案による半導体積層構造の量子箱層形成工程における反応ガス供給のタイムチャートである。
【図４】量子箱からの発光波長を、量子箱層の下のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成比の関数として示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施例で使用した基板の平面図、基板と量子箱層の断面図、及び量子箱からの発光波長を基板面内の位置の関数として示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施例で使用した基板の平面図と断面図、及び長方形のマスクパターンが形成された基板表面上に選択成長により形成されたＩｎＧａＡｓ層の帯状領域における膜厚と他の領域における膜厚との比を、マスクパターンの一辺の長さの関数として示すグラフである。
【図７】第２の実施例による量子箱の形成方法を用いて作製したレーザダイオードアレイの断面図である。
【図８】第２の実施例による量子箱の形成方法を用いて作製した半導体積層構造の断面図、及び半導体積層構造の量子箱層による光吸収スペクトルを示すグラフである。
【図９】ホールバーニング現象を利用した記憶装置の概略図である。
【符号の説明】
１  基板
２    バッファ層
３    量子箱層
４    キャップ層
５    量子箱
１０    反応容器
１１    サセプタ
１２    高周波コイル
１４    ガス排気管
１５、２０、２１、２２、２３、２４  ガス流路
２５、２６  ガス切り換えバルブ
２７、２８  排気用ガス流路
３０、４０  基板
４１  マスクパターン
４２  ＩｎＧａＡｓ層
４３  帯状領域
５０  基板
５１、５５  クラッド層
５２Ａ〜５２Ｃ  歪緩和層
５３Ａ〜５３Ｃ  量子箱層
５４  光閉じ込め層
５６  コンタクト層
５７、５８  電極
６１  基板
６２  歪緩和層
６３  バリア層
６４  量子箱層
６５  電極層
６６、６７  電極
７０Ａ〜７０Ｅ  レーザダイオード
７１  量子箱素子
７２  受光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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