(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓから構成されて主表面を（１００）面より傾斜した基板と、
前記基板の上に形成され、前記基板の平面上で同一方向に延在して交互に配列された線状の凹部と凸部とから構成された起伏が表面に自己形成されている障壁層と、
前記障壁層の表面を覆って前記起伏を平坦化して形成された量子細線形成層と
を備え、
前記障壁層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有する組成とされたＩｎ，Ｇａ，Ｐを備えるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成され、
前記量子細線形成層は、ＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成とされたＩｎ，Ｇａ，Ｐを備えるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成され、
前記障壁層の起伏を構成する線状の凹部により前記量子細線形成層に量子細線が構成されている
ことを特徴とする量子細線構造。
【請求項２】
請求項１記載の量子細線構造において、
前記基板は、（１００）面より５°〜５０°の範囲のいずれかの角度に傾斜している
ことを特徴とする量子細線構造。
【請求項３】
請求項１または２記載の量子細線構造において、
前記障壁層は、ＧａＡｓに対して２％以下の引っ張り歪を有する組成とされたＩｎＧａＰから構成され、
前記量子細線形成層は、ＧａＡｓに対して２％以下の圧縮歪を有する組成とされたＩｎＧａＰから構成されている
ことを特徴とする量子細線構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の量子細線構造において、
前記障壁層と前記量子細線形成層とが繰り返して積層された積層構造を備え、
積層された前記障壁層の各々における前記量子細線が積層方向に配列する方向は、前記基板の平面の法線方向および（１００）方向のいずれとも異なる方向とされている
ことを特徴とする量子細線構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いた光デバイスや電子デバイスに用いられる量子細線構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子細線構造は、キャリア（電子、正孔）を１次元的に閉じ込めることが可能であり、バルク構造や量子井戸構造では実現できない状態密度分布が得られ、さらに電気的および光学的な面内異方性を持つという特徴がある。これらの特徴を生かし、量子細線構造は、半導体レーザ、電界効果トランジスタ、光制御素子、太陽電池などの様々な光デバイスや電子デバイスへの応用が考えられている。半導体を用いた量子細線構造は、基本的には量子細線となる半導体層を、バンドギャップの大きな半導体層で囲んだ構造であり、周辺に比べてバンドギャップが小さい半導体層が一方向のみに伸びた構造となっている。
【０００３】
上述した量子細線構造を作製するために、様々な技術が開発されてきているが、一般には、次に示す２つの作製方法が用いられている。
【０００４】
第１に、半導体基板表面に加工により、基板平面上で同一方向に延在して交互に配列された線状の凹部と凸部とを形成し、この凹部または凸部に量子細線を作製する方法がある。
【０００５】
第２に、量子井戸構造を含むエピタキシャルウェハに加工によって一方向に伸びた構造（細線）を形成し、選択成長等によりこの構造の周囲をバンドギャップの大きな層で囲んで量子細線を作製する方法がある。
【０００６】
以下、上記２つの方法について、より詳細に説明する。まず、第１の製造方法について、図９Ａ，図９Ｂを用いて説明する。第１の製造方法では、基板にＶ字状の溝（以下、Ｖ溝と略記）を形成し、このＶ溝の底の部分に量子細線を作製する方法が広く用いられている。
【０００７】
まず、図９Ａに示すように、主表面を（１００）面としたＧａＡｓからなる基板４０１にパターニングとエッチングを行い、表面に（０−１１）方向に沿ったＶ溝４０１ａを形成する。次に、Ｖ溝４０１ａを形成した基板４０１の上に、ＧａＡｓからなるバッファ層４０２を結晶成長させる。引き続き、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層４０３と、ＧａＡｓからなる井戸層４０４とを交互に成長し、図９Ｂに示すように、Ｖ溝４０１ａの底の部分に障壁層４０３に囲まれたＧａＡｓからなる量子細線４０５を作製する。
【０００８】
上記製造方法は、量子細線構造の検討が始まった１９８０年代から検討されており、主にＧａＡｓを基板とする場合に用いられてきた（例えば、非特許文献１参照）。この大きな理由は、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓは、大気中に晒された場合に形成される表面酸化膜が比較的強固で除去が困難であるが、上述した作製方法によれば、ＧａＡｓからなる量子細線が大気に晒されることなく、結晶成長により作製できるという利点があるためである。
【０００９】
次に、第２の製造方法について、図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃを用いて説明する。上述した第１の製造方法が、ＧａＡｓ基板上の量子細線で用いられることが多いのに対し、第２の製造方法は、ＧａＡｓに比べて酸化膜の除去が容易であり、また選択制の高いエッチングが利用可能なＩｎＰ基板上のＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰなどを用いた量子細線構造の作製に用いられることが多い。
【００１０】
図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃでは、一例としてＩｎＰからなる基板５０１上に、ＩｎＧａＡｓからなる量子細線５０３ａを形成する場合を説明する。まず、図１０Ａに示すように、基板５０１上に、ＩｎＰからなる第１半導体層５０２、ＩｎＧａＡｓからなる第２半導体層５０３を形成し、この上に、ＩｎＰからなるパターン５０４を形成し、パターン５０４の上に、ＩｎＧａＡｓからなる第３半導体層５０５を形成する。
【００１１】
例えば、上述した各材料の層を順次にエピタキシャル成長して積層し、最上層のＩｎＧａＡｓおよびこの下のＩｎＰの層を公知のリソグラフィー技術とエッチング技術とによりパターニングし、パターン５０４，第３半導体層５０５を形成する。パターン５０４，第３半導体層５０５は、（０１１）方向に延在する短冊状の形状とする。
【００１２】
次に、パターン５０４以外の領域の第２半導体層５０３を除去し、図１０Ｂに示すように、量子細線５０３ａを形成する。量子細線５０３ａは、（０１１）方向に延在するものとなる。例えば、ＩｎＰに対してＩｎＧａＡｓが選択的にエッチングされるエッチング方法により、第３半導体層５０５およびパターン５０４以外の領域の第２半導体層５０３をエッチング除去すればよい。
【００１３】
この後、全域にＩｎＰを成長することで、図１０Ｃに示すように、ＩｎＰからなる第１半導体層５０２の上のＩｎＧａＡｓからなる量子細線５０３ａが、ＩｎＰからなる第４半導体層５０５に埋め込まれた量子細線構造が得られる。
【００１４】
上述した量子細線構造の製造方法は、所望の位置付近に量子細線が形成でき、形成した量子細線の形状も設計に近いものを得ることができるという利点がある。しかしながら、各形状の加工においては、エッチング処理などにより半導体表面にダメージが発生することになり、このダメージを完全に回避することは難しい。
【００１５】
さらに、太陽電池などの比較的大きな面積が必要となるデバイスでは、ウェハ面内に高密度に量子細線構造を作製する必要があるが、上述した方法で量子細線構造が作製できる領域は、ウェハの一部に限られるという問題がある。
【００１６】
これに対し、基板やエピタキシャルウェハを加工することなく、ウェハ全面に高密度に量子細線構造を作製する方法も検討されている。この方法は、結晶成長時に一方向に伸びる凸部を自己形成させ、この凸部を量子細線として用いるものである。この自己形成される量子細線の作製方法の中で、比較的サイズが均一な量子細線を作ることが可能な方法として、通常のデバイス作製に用いられる（１００）基板とは異なる高指数面基板を用いる方法が知られている。例えば、主表面を（７７５）Ｂ面としたＧａＡｓからなる基板を用いて量子細線レーザ構造が作製されている（非特許文献２参照）。
【００１７】
この技術では、図１１に示す構成とした量子細線構造が製造されている。まず、シリコンがドープされたＧａＡｓからなり主表面を（７７５）Ｂ面とした基板６０１の上に、ＳｉドープＧａＡｓ層６０２，クラッド層６０３、分離閉じ込め層６０４を備える。クラッド層６０３は、Ｓｉドープ（ＧａＡｓ）4（ＡｌＡｓ）6超格子から構成されている。分離閉じ込め層６０４は、基板６０１の側から積層方向上にｍを６から２に段階的に変化させた（ＧａＡｓ）4（ＡｌＡｓ）m超格子から構成されている。
【００１８】
また、分離閉じ込め層６０４の上には、活性層６０５が形成され、活性層６０５の上には、分離閉じ込め層６０６，クラッド層６０７，コンタクト層６０８が形成されている。
【００１９】
活性層６０５は、（ＧａＡｓ）4（ＡｌＡｓ）2超格子を用いた障壁層６０５ａと、ＧａＡｓからなる層厚が２．１ｎｍまたは３．０ｎｍの量子細線形成層６０５ｂとを、量子細線形成層６０５ｂが５層となるように積層されている。
【００２０】
分離閉じ込め層６０６は、基板６０１の側から積層方向上にｍを２から６に段階的に変化させた（ＧａＡｓ）4（ＡｌＡｓ）m超格子から構成されている。クラッド層６０７は、Ｂｅドープ（ＧａＡｓ）4（ＡｌＡｓ）6超格子から構成されている。コンタクト層６０８は、ＢｅをドープしたＧａＡｓから構成されている。
【００２１】
主表面の面方位を（７７５）Ｂとした基板６０１の上では、ＧａＡｓからなる量子細線形成層６０５ｂにおいて、自発的に（１−１０）方向に伸びる起伏を発生させることが容易であり、この起伏による複数の量子細線を、均一な形状に形成できるという特徴を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】E. Kapon et al., "Single quantum wire semiconductor lasers," Applied Physics Letters, Vol. 55, No. 26, pp.2715-2717, 1989.
【非特許文献２】M. Higashiwaki et al., "GaAs/(GaAs)4(AlAs)2 quantum wire lasers grown on (775)B-oriented GaAs substrates by molecular beam epitaxy,"Journal of Crystal Growth, Vol. 201/201, pp.886-890, 1999.
【非特許文献３】Q. Xie et al., "Vertically self-organized InAs quantum box islands on GaAs(100)," Physical Review Letters, Vol. 75, No. 13, pp.2542-2545, 1995.
【非特許文献４】M. Schmidbauer et al., "Nucleation of lateral compositional modulation in InGaP epitaxial films grown on (001) GaAs," Journal of Applied Physics, Vol. 111, 024306, 2012.
【非特許文献５】X. Wallart et al., "Composition effect on the growth mode, strain relaxation, and critical thickness of tensile Ga1-xInxP layers," Applied Physics Letters, Vol. 76, No.15 pp. 2080-2082, 2000.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
前述したように、半導体を用いた量子細線構造を作製する方法としては、基板やエピタキシャルウェハを加工する方法が用いられてきたが、まず、半導体表面へのダメージを完全には回避することが困難である。また、量子細線構造が作製できる領域はウェハの一部に限られるという課題があった。
【００２４】
上記問題を解決する１つの方法として、上述のように結晶成長時に量子細線構造を自己形成させる技術がある。しかしながら、この量子細線構造を自己形成させる方法では、成長方向に対して量子細線を何十段も多段に積層させるような方法は確立されていない。
【００２５】
しかし、太陽電池や光吸収を用いた光変調器など大きな光吸収が必要とされるデバイスへの応用では、比較的厚い合計膜厚が必要となる。例えば、太陽電池の場合は、光吸収層として０．５μｍ程度の膜厚が必要となる。このため、上述した量子細線を比較的厚い膜厚が必要なデバイスに応用することは難しい。
【００２６】
以下、自己形成による量子細線を多段に積層させた構造の作製が困難な要因について詳しく述べる。一般的に自己形成される量子細線は、量子細線自体が変形することにより形成される。例えば、特定の結晶面が出る現象や、格子歪により一方向に沿った起伏が発生する現象を用いることで、図１２の（ａ）に示すように、障壁層７０１の上に量子細線７０２を自己形成することができる。
【００２７】
この場合、結晶成長面の表面積は、量子細線の発生で表面が平坦な場合に比べて大きくなる。結晶の表面エネルギーは、ダングリングボンドと呼ばれる表面上の未結合手が増えるほど増加し、このダングリングボンドの数は表面積が大きくなるほど増加する。このために量子細線自体に起伏が発生する場合、表面エネルギー自体は増加することになる。
【００２８】
一般的に結晶成長は、表面エネルギーと結晶に加わる格子歪が関係した歪エネルギーの合計のエネルギーが小さくなるように進み、この合計のエネルギーが小さい程、安定した結晶成長が期待できる。しかし、図１２の（ａ）に示すように、量子細線自体が変形する場合、量子細線の形成時に表面エネルギーが大きくなるために、結晶成長が不安定になり易く、量子細線を多段に積層させたような構造ではさらに結晶成長が困難になると考えられる。
【００２９】
量子細線を多段に積層させる構造では、量子細線が面内だけでなく、成長方向に対しても規則的に配列されていることが望ましいが、現状では、量子細線を積層方向に規則的に配列させる方法は確立されていない。一方、同じ半導体量子ナノ構造であるＧａＡｓ基板上のＩｎＡｓ量子ドットでは、図１２の（ｂ）に示すように、近接積層構造と呼ばれる構造を用いることで量子ドットを成長方向に対しても規則的に配列させることが可能である（例えば、非特許文献３参照）。
【００３０】
図１２（ｂ）は、近接積層構造を持つ量子ドット構造を模式的に示しており、成長方向であるｚ軸方向において、上下の量子ドットを近づけることで、下段のＩｎＡｓ量子ドット７１１の格子変形による歪場を利用し、この真上に上段の量子ドットが配列するようにしてある。近接積層構造を持つ量子ドット構造は、この図のように量子ドットが成長方向に沿って直線的に配列されているものがほとんどである。これは、近接積層構造を持つ量子ドット構造の成長では（１００）基板が用いられることが多く、量子ドットも（１００）方向に沿って配列する。近接積層構造を持つ量子ドット構造の場合、図１２（ｂ）のようにｚ軸方向では、規則的な配列が見られるが、ｘ−ｙ平面における量子ドットの配置には自由度がある。
【００３１】
図１２の（ｃ）は、格子歪を利用して自己形成させた量子細線に、上述した近接積層構造を適用した場合の構成を模式的に示した斜視図である。格子歪を利用して自己形成させた量子細線の場合も、量子ドットの場合と同様に（１００）基板を用いると、量子細線は（１００）方向（図中ｚ軸）に沿って配列する。一方、量子細線は、量子ドットと異なりｘ−ｙ平面における自由度はなく、図１２の（ｃ）に示すように、ｘ軸に沿って伸びる構造にする必要がある。さらに、量子細線の体積は、量子ドットに比べて大きいため、格子歪が加わる体積が大きく、多段に積層させることによる格子歪の影響も量子ドットに比べて大きくなることがある。
【００３２】
これらの理由により、格子歪を利用して自己形成される量子細線に近接積層構造を適用しても、多段に安定して積層させることは困難と考えられる。このように、従来の量子細線が変形することにより自己形成される量子細線構造では、多段の量子細線を安定して積層するのは容易ではないという問題があった。
【００３３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より容易に安定した状態で、量子細線がより多く積層できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明に係る量子細線構造は、ＧａＡｓから構成されて主表面を（１００）面より傾斜した基板と、基板の上に形成され、基板の平面上で同一方向に延在して交互に配列された線状の凹部と凸部とから構成された起伏が表面に自己形成されている障壁層と、障壁層の表面を覆って起伏を平坦化して形成された量子細線形成層とを備え、障壁層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有する組成とされたＩｎ，Ｇａ，Ｐを備えるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成され、量子細線形成層は、ＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成とされたＩｎ，Ｇａ，Ｐを備えるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成され、障壁層の起伏を構成する線状の凹部により量子細線形成層に量子細線が構成されている。
【００３５】
上記量子細線構造において、基板は、（１００）面より５°〜５０°の範囲のいずれかの角度に傾斜していればよい。また、障壁層は、ＧａＡｓに対して２％以下の引っ張り歪を有する組成とされたＩｎＧａＰから構成され、量子細線形成層は、ＧａＡｓに対して２％以下の圧縮歪を有する組成とされたＩｎＧａＰから構成されていればよい。
【００３６】
上記量子細線構造において、障壁層と量子細線形成層とが繰り返して積層された積層構造を備え、積層された障壁層の各々における量子細線が積層方向に配列する方向は、基板の平面の法線方向および（１００）方向のいずれとも異なる方向とされている。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明したことにより、本発明によれば、より容易に安定した状態で、量子細線がより多く積層できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における量子細線構造の構成を示す構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態における量子細線構造の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態における量子細線構造の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態における量子細線構造の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態における量子細線構造の製造過程を示す説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１における量子細線構造の構成を示した構成図である。
【図４】図４は、基板２１１を上述した傾斜角度１０°とした場合の、実施例１における量子細線構造の断面を、透過電子顕微鏡を用いて観察した結果を示す写真である。
【図５】図５は、基板２１１を上述した傾斜角度１５°とした場合の、実施例１における量子細線構造の断面を、透過電子顕微鏡を用いて観察した結果を示す写真である。
【図６】図６は、実施例において、原料供給量、成長時間、成長温度などの成長条件は共通とし、基板の傾斜角度のみを変化させた試料を作製し、各試料におけるフォトルミネッセンスの発光ピーク波長の傾斜角度による変化を示した特性図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施例２における、傾斜基板（不図示）上のＩｎＧａＰ表面に形状の揃った起伏が形成される過程を模式的に示した説明図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、実施例２における、傾斜基板（不図示）上のＩｎＧａＰ表面に形状の揃った起伏が形成される過程を模式的に示した説明図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、実施例２における、傾斜基板（不図示）上のＩｎＧａＰ表面に形状の揃った起伏が形成される過程を模式的に示した説明図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、実施例２における、傾斜基板（不図示）上のＩｎＧａＰ表面に形状の揃った起伏が形成される過程を模式的に示した説明図である。
【図８】図８は、実施例２において実際に作製した試料を、透過電子顕微鏡を用いて観察した結果を示す写真である。
【図９Ａ】図９Ａは、量子細線構造を作製する過程を示す説明図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、量子細線構造を作製する過程を示す説明図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、量子細線構造を作製する過程を示す説明図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、量子細線構造を作製する過程を示す説明図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、量子細線構造を作製する過程を示す説明図である。
【図１１】図１１は、量子細線構造の構成例を示す構成図である。
【図１２】図１２は、量子構造の構成例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における量子細線構造の構成を示す構成図である。図１では、一部断面を模式的に示している。
【００４０】
この量子細線構造は、基板（不図示）の上に、基板の平面上で同一方向に延在して交互に配列された線状の凹部と凸部とから構成された起伏が表面に自己形成されている障壁層１０１と、障壁層１０１の表面を覆って起伏を平坦化して形成された量子細線形成層１０２とが、交互に積層されている。図１では、最上層として障壁層１０３を形成している。この量子細線構造では、障壁層１０１の起伏を構成する線状の凹部により、量子細線形成層１０２に量子細線が構成される。
【００４１】
ここで、基板は、ＧａＡｓから構成されて主表面が（１００）面より傾斜している。また、障壁層１０１は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有する組成とされたＩｎ，Ｇａ，Ｐを主成分として備えるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されている。また、障壁層１０１は、上記基板の主表面上にエピタキシャル成長することで形成されている。量子細線形成層１０２は、ＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成とされたＩｎ，Ｇａ，Ｐを主成分として備えるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されている。
【００４２】
上述したように、本発明における量子細線構造は、引っ張り歪を有して表面に周期的な起伏が自己形成されたＩｎＧａＰからなる障壁層１０１の表面起伏を、圧縮歪を有するＩｎＧａＰからなる量子細線形成層１０２で埋め込み、成長表面の平坦化を図りつつ、量子細線構造を実現しているところに大きな特徴がある。この量子細線構造では、量子細線形成層１０２に形成される線上の凸部からなる量子細線の凸が、基板の方を向いており、図１２の（ａ）を用いて説明した従来の構成とは、基板からみて上下逆である。
【００４３】
また、この量子細線構造では、基板平面の法線方向（ｚ軸方向）および、（１００）方向とは異なる方向１２１に、異なる層の量子細線の配列させることができる。また、本発明による量子細線では、基板表面の法線方向や（１００）方向とも違う方向に、量子細線を配列させることができる。前述した近接積層構造では、下層の量子構造の直上に、上層の量子構造が配置されることになるが、本発明では、このような基板平面方向（ｘ軸方向）の位置関係の制約を受けない。
【００４４】
前述したように、化合物半導体における結晶成長は、表面エネルギーと結晶に加わる格子歪が関係した歪エネルギーの合計のエネルギーが小さくなるようにして進むが、量子細線のｘ軸方向における配列に関する制約がなくなることで、この合計のエネルギーが小さくすることが可能になる。このため、実施の形態における量子細線構造では、量子細線の配列方向への制限を受ける前述した近接積層構造に比較し、安定した結晶成長が期待できる。
【００４５】
以下、より詳細に説明する。ＩｎＧａＰは、ＧａＡｓやＩｎＰなどに比べて平坦な表面を得ることが難しい材料として知られている。この現象を利用することで、ＧａＡｓ上に成長したＩｎＧａＰは、ＩＩＩ族組成を調整することにより、表面に起伏を発生させることが可能である。
【００４６】
ＩｎＧａＰにおいて起伏が発生しやすい現象は、ＧａＡｓと格子定数が同じでＧａＡｓに格子整合した状態から、ＩｎＧａＰのＧａ組成を大きくしてＧａＡｓよりも格子定数を小さくし、ＩｎＧａＰに引っ張り歪が加わる状態で発生し、引っ張り歪が大きくなるほど起伏は発生しやすくなると考えられる（例えば、非特許文献４，非特許文献５参照）。
【００４７】
このＩｎＧａＰの表面において起伏が発生する現象には、成長表面においてＩｎＧａＰの構成元素であるＧａとＰの結合が強いために、Ｇａの表面での拡散長（一般に、マイグレーション長と呼ばれる）が小さいことが大きく関係している。
【００４８】
一方、ＩｎとＰの結合は、ＧａとＰの結合に比べて弱いため、Ｉｎの表面での拡散長はＧａに比べて長い。このため、Ｇａ組成が大きいＩｎＧａＰの場合とは反対に、Ｉｎ組成の大きいＩｎＧａＰを用いれば、表面の起伏を平坦化することができる。実際に。ＩｎＧａＰでＩｎ組成が１の場合であるＩｎＰは、様々なＩｎＰ基板上の光半導体デバイスの埋め込み再成長に利用されている。この場合、ＩｎＧａＰはＩｎ組成が増えることによりＧａＡｓよりも大きな格子定数を持つため、ＩｎＧａＰには圧縮歪が加わることになる。
【００４９】
以上のことが、ＩｎＧａＰに引っ張り歪が加わった条件では表面に起伏が自己形成され、ＩｎＧａＰに圧縮歪が加わった条件では表面が平坦化されるメカニズムの概要である。
【００５０】
本発明では、ＧａＡｓ基板上に、引っ張り歪を有するＩｎＧａＰの層を形成し、この層の表面に周期的な起伏を発生させ、この層の上に圧縮歪を有するＩｎＧａＰの層を形成して下層の起伏を埋め込むことで量子細線構造としている。
【００５１】
本発明では、上述したＩｎＧａＰを用いた量子細線構造を、主表面が（１００）面より傾斜したＧａＡｓからなる傾斜基板上に作製することにより、多段に量子細線を積層することを可能にしている。
【００５２】
以下、製造過程について、図２Ａ〜図２Ｄを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の実施の形態における量子細線構造の製造過程を示す説明図である。図２Ａ〜図２Ｄでは、（０−１１）方向の断面を示している。
【００５３】
ＧａＡｓから構成されて主表面を（１００）面より傾斜した基板（不図示）の上に、Ｇａ組成が大きく引っ張り歪を有するＩｎＧａＰをエピタキシャル成長させると、（０−１１）方向に延在して交互に配列された線状の凹部と凸部とから構成された起伏が表面に自己形成されている障壁層２０１が形成される。ここでは、図２の紙面左右方向に配列した状態を示している。なお、後述するように、配列している各凹凸の形状を揃えることができる。
【００５４】
上述した凹凸（起伏）は、配列している方向の断面形状が、非対称となる。これは、次に示すことが原因となる。傾斜基板では、表面に周期的に配列した段差がある。この段差は、基板上にエピタキシャル成長させたバッファ層などの各層の表面にも同様に形成される。障壁層２０１の成長における初期状態では、上記段差の付近で表面を拡散していたＩＩＩ族原子（この場合、Ｉｎ原子とＧａ原子）が吸着される。この吸着において、段差を上る場合と下る場合では、表面のポテンシャルエネルギーが異なる。この結果、図２の紙面左向と右向とでは、ＩＩＩ族原子の吸着のされ易さが異なり、障壁層２０１の表面における凹凸の断面形状が、非対称となる。
【００５５】
上述したように、表面に起伏が自己形成された障壁層２０１の上に、Ｉｎ組成が大きく圧縮歪を有するＩｎＧａＰをエピタキシャル成長させると、図２Ｂに示すように、起伏を平坦化して量子細線形成層２０２が形成され、表面を平坦に近づけることができる。Ｉｎ組成の大きなＩｎＧａＰは、障壁層２０１の起伏を構成する線状の凹部における層厚の大きい領域が、（０−１１）方向に伸びる細線状の構造になる。
【００５６】
Ｉｎ組成が大きなＩｎＧａＰは、下地のＩｎＧａＰよりもバンドギャップが小さいため、量子細線形成層２０２に形成される細線状の構造は、１次元的なキャリアの閉じ込めが可能な量子細線となる。このように複数の量子細線を備える量子細線形成層２０２の上に、さらにＧａ組成が大きく引っ張り歪を有するＩｎＧａＰをエピタキシャル成長させると、図２Ｃに示すように、障壁層２０１と同様に表面に起伏を備える障壁層２０３が形成される。なお、障壁層２０１の上の障壁層２０３においては、起伏の凸部の頂点位置が、障壁層２０１における起伏の凸部の頂点の直上とはならず、配列方向にずれる。
【００５７】
ここで、積層される障壁層の表面に形成される起伏の頂点位置が、下層の障壁層の起伏の頂点位置より、起伏の配列方向にずれる利理由について説明する。
【００５８】
引っ張り歪を有するＩｎＧａＰからなる障壁層２０１では、起伏により層厚が異なるために、この層厚の差に応じて場所ごとに歪場の大きさが異なる。具体的には、障壁層２０１の層厚が大きくなった領域近くで、歪場の影響が大きくなる。障壁層２０１の歪場の影響は、Ｉｎ組成が大きく圧縮歪を有するＩｎＧａＰからなる量子細線形成層２０２が積層されることにより弱められる。量子細線形成層２０２は圧縮歪を有しており、さらに場所により層厚が異なるために、障壁層２０１が関係した歪場はこの量子細線形成層２０２により変調されて上に伝播する。なお、この歪場が伝播する方向２２１は、障壁層２０１と量子細線形成層２０２との歪量と層厚、基板の傾斜角度によって調整できる。
【００５９】
上述したことが、障壁層２０３と障壁層２０１の頂点の位置が垂直方向からずれる大きな要因の一つである。
【００６０】
上述した量子細線形成層２０２の形成、および障壁層２０３の形成を繰り返すことで、図２Ｄに示すように、量子細線を多段に積層させることができる。この構造は、図１を用いて説明したように、積層方向における量子細線の配列方向に自由度を持たせることができるため、結晶成長を安定化させるのに有効な構造である。
【００６１】
次に、本発明の量子細線構造のより具体的な実施例について図を参照しながら説明する。
【００６２】
［実施例１］
はじめに実施例１について図３を用いて説明する。図３は、実施例１における量子細線構造の構成を示した構成図である。図３では、断面を模式的に示している。この量子細線構造は、まず、ＧａＡｓから構成されて主表面を（１００）面より傾斜した基板２１１の上に、ＧａＡｓからなる第１半導体層２１２，ＧａＡｓにほぼ格子整合する組成のＩｎＧａＰからなる第２半導体層２１３を備える。基板２１１は、（０１１）方向を水平方向から０°から１５°まで傾けたＧａＡｓ傾斜基板である。
【００６３】
また、第２半導体層２１３の上には、積層構造２１４が形成されている。積層構造２１４は、圧縮歪が１．３％のＩｎＧａＰからなる層厚７ｎｍの量子細線層と、引っ張り歪が−０．１％のＩｎＧａＰからなる層厚１３ｎｍの障壁層とを１周期とし、これらが２０周期積層されている。また、積層構造２１４の上には、ＧａＡｓにほぼ格子整合する組成のＩｎＧａＰからなる第３半導体層２１５が形成されている。
【００６４】
この量子細線構造の作製には、ＩＩＩ族原料ガスにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族原料にフォスフィン（ＰＨ3）、アルシン（ＡｓＨ3）を用いた有機金属分子線エピタキシーを結晶成長方法として用いる。
【００６５】
図４は、基板２１１を上述した傾斜角度１０°とした場合の、実施例１における量子細線構造の断面を、透過電子顕微鏡を用いて観察した結果を示す写真である。図４では、量子細線形成層２０２が、より黒い領域として示され、障壁層２０３が、より白い領域として示されている。障壁層２０３には、図４の水平（左右）方向に周期的な起伏が発生しており、この起伏は周期数によらず、ほぼ同じ形状になる。
【００６６】
また、図４に示されているように、上記起伏を埋め込んで量子細線形成層２０２が形成されている。量子細線形成層２０２における量子細線の配列方向は、障壁層２０３における起伏が配列された方向であり、図４の紙面左右方向である。図４において、積層方向への量子細線の配列方向２３２は、（１００）方向からは１２°、図４には示されていない基板平面の法線２３１からは、２２°傾いている。
【００６７】
次に、上述した積層方向における量子細線の配列方向の調節について説明する。図５は、基板２１１を上述した傾斜角度１５°とした場合の、実施例１における量子細線構造の断面を、透過電子顕微鏡を用いて観察した結果を示す写真である。基板の傾斜角が異なるが、他の製造条件は図４に示した場合と同一である。
【００６８】
図５に示す量子細線構造では、積層方向への量子細線の配列方向２３３は、（１００）方向からは１４°、図５には示されていない基板平面の法線２３１からは、２９°傾いている。
【００６９】
図４に示した量子細線構造（試料１）と、図５に示した量子細線構造（試料２）とが、積層方向における量子細線の配列方向が異なるのは、歪場の変調のされ方が基板の傾斜角度によって変わったためである。この他に、積層構造２１４を構成する各層の歪量と層厚を変えることでも配列方向を変えることができる。
【００７０】
量子細線が形成されると、光励起されたキャリアの閉じ込めが２次元（量子井戸構造）から１次元（量子細線）に変化するため、フォトルミネッセンスの発光ピークは短波長側へシフトする。この現象を利用して、量子細線が形成されるのに有効な傾斜角度を調べた。図６は、原料供給量、成長時間、成長温度などの成長条件は共通とし、基板の傾斜角度のみを変化させた試料を作製し、各試料におけるフォトルミネッセンスの発光ピーク波長の傾斜角度による変化を示した特性図である。
【００７１】
傾斜角度が０°で傾斜がない基板上の試料は、量子細線構造にはなっておらず、通常の量子井戸構造であることを断面観察から確認している。従って、傾斜がない基板上の試料よりも発光ピーク波長が短波長の試料では、量子細線が形成されていることになる。図６に示すように、傾斜角度が５°以上の基板を用いて作製した試料では、傾斜がない基板で作製した試料よりも、発光ピーク波長が短波長になっていることが分かる。これらのことより、量子細線が形成されるのに有効な傾斜角度は５°以上であり、本発明で用いるＧａＡｓ傾斜基板の傾斜角度も５°以上であることが望ましいことがわかる。
【００７２】
傾斜角度には下限だけでなく、上限も存在する。本発明による量子細線構造は、３次元成長が支配的にならない範囲に傾斜角度を設定する必要がある。主表面を（１１１）Ａ面としたＧａＡｓからなる基板や、主表面を（１１１）Ｂ面としたＧａＡｓからなる基板を用いた場合、三角形や六角形の形状をした３次元構造が成長し易いことが知られている。（１１１）面は、（１００）面が５４．７°傾いた面に相当する。このため、３次元成長を抑えるためには、（１００）面からの傾斜角度を５０°以下とすることが望ましい。
【００７３】
ところで、圧縮歪や圧縮歪が加わったＩｎＧａＰによる障壁層，量子井戸形成層は、ある層厚を超えると結晶欠陥が発生して歪エネルギーが緩和される。このために、障壁層，量子井戸形成層は、結晶欠陥が発生しない範囲に歪量および層厚を設定することが重要となる。
【００７４】
本発明による量子細線構造は、引っ張り歪を有するＩｎＧａＰからなる障壁層において自己形成させた起伏を利用するが、キャリアの閉じ込めを良くするためには、振幅の大きな起伏が必要であり、このためには障壁層の平均層厚が、１０ｎｍ程度はあることが望ましい。
【００７５】
一方、圧縮歪を有するＩｎＧａＰからなる量子細線形成層は、障壁層における起伏を埋め込み平坦化する必要があるため、障壁層と同程度の平均層厚を持つことが望ましい。層厚を１０ｎｍに固定したＩｎＧａＰ層において、圧縮歪または引っ張り歪を加えていった場合に、格子歪に起因した結晶欠陥が導入される歪量は、ともに２％程度である。従って、ＩｎＧａＰに加える歪量は、圧縮歪、引っ張り歪のいずれの場合も２％以下であることが望ましい。
【００７６】
ここで、実施例１では、結晶成長方法として有機金属分子線エピタキシーを用いた場合について説明したが、結晶成長方法はこれに限るものではない。ＩｎＧａＰからなる層において起伏が発生するという現象自体は、有機金属気相エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法など成長方法によらず確認されているため、ＩｎＧａＰのエピタキシャル成長が可能な形成方法であれば、どの技術であっても良いことは言うまでもない。
【００７７】
また、この実施例では、ＩｎＧａＰだけで量子細線が構成される場合を示したが、他のＩＩＩ族元素（例えば、Ａｌ）やＶ族元素（例えば、ＡｓやＳｂ）が、少量含まれる場合も、引っ張り歪が加わる場合は起伏が自己形成され、圧縮歪が加わる場合はこの起伏が平坦に埋め込まれるという効果は基本的には変わらないため、厳密にＩｎＧａＰである必要がないことは言うまでもない。
【００７８】
［実施例２］
次に、実施例２について説明する。
【００７９】
量子細線では、形成される細線の形状が揃っていることが望まれる。本発明による量子細線では、この形状は下地の障壁層において自己形成される起伏によるため、量子細線の形状を揃えるためには、障壁層表面の起伏の形状を揃える必要がある。一般に、ＩｎＧａＰの層に自己形成される起伏は、凹凸の振幅ならびに周期のバラツキが大きい。これに対し、引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層と、圧縮歪を有するＩｎＧａＰ層とを組み合わせることにより、凹凸の形状の揃った起伏が得られることを示す。
【００８０】
図７Ａ〜図７Ｄは、傾斜基板（不図示）上のＩｎＧａＰ表面に形状の揃った起伏が形成される過程を模式的に示した説明図である。まず、図７Ａに示すように、傾斜基板上に引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層３０１を単層成長しただけでも、表面に起伏を発生させることができる。しかし、起伏における凹凸の形状を揃えることは困難である。
【００８１】
次に、図７Ｂに示すように、起伏が形成されているＩｎＧａＰ層３０１の表面に、圧縮歪を有するＩｎＧａＰ層３０２を積層すると、ＩｎＧａＰ層３０１の表面起伏が平均化されるように埋め込まれる。これは、図７Ａに示した、凹凸形状が揃っていないＩｎＧａＰ層３０１表面の起伏を小さくしながら平均化されることに相当する。
【００８２】
さらに、図７Ｃに示すように、ＩｎＧａＰ層３０２の上に引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層３０３を積層させることにより、ＩｎＧａＰ層３０３の表面には、下層のＩｎＧａＰ層３０１よりも形状の揃った起伏が形成される。
【００８３】
上述した圧縮歪を有するＩｎＧａＰ層３０２の積層と、引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層３０３の積層とを、表面の起伏が揃うまで繰り返すと、最終的に、図７Ｄに示すように、引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層３０４の表面に、形状の揃った起伏を発生させることが可能になる。
【００８４】
図８は、ＧａＡｓからなる傾斜角度が１０°の基板（不図示）の上に格子整合するＩｎＧａＰ層３１１を形成し、この上に、引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層３０１を形成し、上述したように、圧縮歪を有するＩｎＧａＰ層３０２の積層と、引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層３０３の積層とを繰り返し、ＩｎＧａＰ層３０４が形成された状態を作製した試料を、透過電子顕微鏡を用いて観察した結果を示す写真である。
【００８５】
ＧａＡｓにほぼ格子整合したＩｎＧａＰ層３１１上に引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層３０１を単層積層させただけでは、表面の起伏が小さく不揃いである。この上に、圧縮歪を有するＩｎＧａＰ層３０２を積層させ、さらにこの上に引っ張り歪を有するＩｎＧａＰ層３０３を積層させると、表面の起伏は形状が揃いながら大きくなっていく。最終的に、積層位置Ａより上では、凹凸の揃った起伏を備えるＩｎＧａＰ層３０４が形成され、この状態が保持されてほとんど形状が変化しなくなる。このように、ＩｎＧａＰ層３０２とＩｎＧａＰ層３０３とを繰り返して積層させる回数は、積層位置Ａ以降であれば何回でも良く、形状の揃った自己形成による起伏を得ることができる。
【００８６】
この実施例では、引っ張り歪のＩｎＧａＡｓ層と圧縮歪のＩｎＧａＰ層とを、比較的多く繰り返して積層させることにより、凹凸形状の揃った表面起伏を自己形成させているが、各層の層厚と歪量や基板の傾斜角度を変えることで表面起伏の大きさは変わるため、より少ない繰り返し数でも、凹凸形状の揃った表面起伏を自己形成させることができる。
【００８７】
また、この実施例では傾斜角度が１０°のＧａＡｓ傾斜基板を用いた場合を示したが、傾斜角度が変わっても上述した形成過程は基本的には変わらないため、傾斜角度が１０°以外の傾斜基板を用いた場合でも同様に有効なことは言うまでもない。また、この実施例では、ＩｎＧａＰだけで表面起伏が自己形成される場合を示したが、他のＩＩＩ族元素（例えば、Ａｌ）やＶ族元素（例えば、ＡｓやＳｂ）が少量含まれる場合も、引っ張り歪が加わる場合は起伏が自己形成され、圧縮歪が加わる場合はこの起伏が平坦に埋め込まれるという効果は基本的には変わらないため、厳密にＩｎＧａＰである必要がないことは言うまでもない。
【００８８】
以上に説明したように、本発明によれば、ＧａＡｓから構成された傾斜基板を用い、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有する組成とされたＩｎ，Ｇａ，Ｐを備えるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成された障壁層と、ＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成とされたＩｎ，Ｇａ，Ｐを備えるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成された量子細線形成層とを積層する構成としたので、より容易に安定した状態で、量子細線がより多く積層できるようにするようになる。
【００８９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００９０】
１０１…障壁層、１０２…量子細線形成層、１０３…障壁層。
【要約】
【課題】より容易に安定した状態で、量子細線がより多く積層できるようにする。
【解決手段】基板（不図示）の上に、基板の平面上で同一方向に延在して交互に配列された線状の凹部と凸部とから構成された起伏が表面に自己形成されている障壁層１０１と、障壁層１０１の表面を覆って起伏を平坦化して形成された量子細線形成層１０２とが、交互に積層されている。障壁層１０１の起伏を構成する線状の凹部により、量子細線形成層１０２に量子細線が構成される。基板は、ＧａＡｓから構成されて主表面が（１００）面より傾斜し、障壁層１０１は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有する組成とされたＩｎＧａＰから構成され、量子細線形成層１０２は、ＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成とされたＩｎＧａＰから構成されている。
【選択図】  図１【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図１２】
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