(57)【要約】    【課題】  選択的エピタキシャル成長法を利用して、半導体基板に多様な大きさを有する三角形構造のエピタキシャル層を成長させることで、単一半導体基板に多様な大きさの量子細線を形成する。    【解決手段】  半導体基板上に酸化膜を蒸着する段階と、酸化膜のない領域が多様な大きさを有するように前記酸化膜をエッチングする段階と、選択的エピタキシャル成長法を利用して前記酸化膜のない領域に三角形のエピタキシャル構造を形成する段階と、を順次行うことで、単一基板に多様な大きさの量子細線を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に酸化膜を蒸着する段階と、
酸化膜のない領域が多様な大きさを有するように前記酸化膜をエッチングする段階と、
選択的エピタキシャル成長法を利用して前記酸化膜のない領域に三角形のエピタキシャル構造を形成する段階と、
を順次行うことを特徴とする量子細線形成方法。
【請求項２】
前記三角形のエピタキシャル構造を形成する段階は、エピタキシャルの成長率を調節することで、三角形のエピタキシャル層の成長特性及び表面特性を改善することを特徴とする請求項１に記載の量子細線形成方法。
【請求項３】
前記エピタキシャルの成長率は、ＡｌＧａＡｓの場合０．５２μｍ／ｈｏｕｒで、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓの場合０．７μｍ／ｈｏｕｒであることを特徴とする請求項２に記載の量子細線形成方法。
【請求項４】
前記三角形のエピタキシャル構造を形成する段階は、エピタキシャルの成長時間を調節することで、多様な大きさの台形構造が形成されることを特徴とする請求項１に記載の量子細線形成方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の量子細線形成方法により形成された三角形のエピタキシャル構造の頂点付近に形成される多様な大きさの量子細線を利用して、多様な波長の発光源を有するように構成されることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板に量子細線を形成する方法及びこの方法により製造された光デバイスに係るもので、詳しくは、単一基板に多様な大きさ(厚さ及び幅)の量子細線を形成する方法、及び、これら多様な大きさの量子細線を利用して製造される多様な波長を有する光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスは、ナノメートルサイズの超微細量子構造に基づいて開発される見通しであり、多様な量子細線（１次元)構造や量子箱（０次元)構造のような低次元量子構造が集中的に研究されている。このような低次元量子構造は、半導体構造とは異なって、顕著に改善された光遷移（optical transition）及び電気的輸送（electrical transport）特性を有している。従って、低次元量子構造を有する光デバイスは、高効率の電気的及び光学的特性を示し、高速及び低電力で動作可能である。
【０００３】
一般に、低次元量子構造を製作するためには、電子ビーム又はイオンビームリソグラフィ、エッチング或いは不純物注入による格子破壊（impurity induced dislocation）などの技法を利用して、垂直、水平又は立体方向にキャリアを拘束させなければならない。
しかし、量子構造の発光効率を増加させ、製作された光デバイスの固有の光学的特性を調べるためには良質の半導体界面が必要であるため、前記の技法とは異なる方法を講究しなければならない。その方法の一つが、反応管の内部に試片を１回のみ装入し、パターン化された基板上にエピタキシャル成長を行うことで、所望の３次元デバイスを製作する選択的エピタキシャル成長法である。このような選択的エピタキシャル成長法は、半導体構造の垂直方向の厚さだけでなく水平方向の幅も直接制御することができるため、優秀な特性の低次元量子構造を製造することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の選択的エピタキシャル成長法においては、均一な大きさの量子細線を形成するため、単一特性のみを有する量子細線しか製作し得ないという不都合な点があった。例えば、このような方法で半導体レーザーデバイスを製作すると、１つの発光波長のみを有するデバイスしか製作することができないが、もし、１つの基板上に多様な大きさ(厚さ及び幅)を有する量子細線を一度に形成することができれば、複数のデバイスを別々に製作する場合よりも、製作単価及びデバイスの大きさを大いに減らすことができるはずである。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、選択的エピタキシャル成長法を利用して、半導体基板に多様な大きさを有する三角形構造のエピタキシャル層を成長させることで、単一半導体基板に多様な大きさの量子細線を形成することを目的とする。また、本発明の他の目的は、単一半導体基板に形成された多様な大きさの量子細線を利用して、多様な波長を有する光デバイスを製造することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するため、本発明に係る量子細線形成方法においては、半導体基板上に酸化膜を蒸着する段階と、酸化膜のない領域が多様な大きさを有するように前記酸化膜をエッチングする段階と、選択的エピタキシャル成長法を利用して前記酸化膜のない領域に三角形のエピタキシャル構造を形成する段階と、を順次行うことを特徴とする。
また、請求項２の発明では、前記三角形のエピタキシャル構造を形成する段階は、エピタキシャルの成長率を調節することで、三角形のエピタキシャル層の成長特性及び表面特性を改善することを特徴とする。
【０００７】
前記エピタキシャルの成長率は、請求項３のように、ＡｌＧａＡｓの場合０．５２μｍ／ｈｏｕｒで、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓの場合０．７μｍ／ｈｏｕｒであることを特徴とする。
また、請求項４の発明では、前記三角形のエピタキシャル構造を形成する段階は、エピタキシャルの成長時間を調節することで、多様な大きさの台形構造が形成されることを特徴とする。
【０００８】
請求項５の発明の光デバイスは、請求項１〜４のいずれか１つに記載の量子細線形成方法により形成された三角形のエピタキシャル構造の頂点付近に形成される多様な大きさの量子細線を利用して、多様な波長の発光源を有するように構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明に係る量子細線形成方法によれば、単一基板上に多様な大きさの酸化膜のない領域を一度に形成した後、選択的エピタキシャル層を形成することで、単一基板に多様な大きさの量子細線を形成し得るという効果がある。
また、多様な波長の発光源を有する光デバイスを１つの基板に形成することができるため、別々に光デバイスを製作する場合に比べて製作費が顕著に減少し、光デバイスの占有空間も減少されるため、光デバイスの集積度を向上し得るという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る量子細線形成方法においては、選択的エピタキシャル成長法により三角形構造のＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓエピタキシャル層を成長させるため、低圧ＭＯＣＶＤ（metalorganic chemical vapor deposition)方法及び赤外線加熱方法を用いた。そして、選択的に成長されたエピタキシャル層の成長挙動を調べるため、エピタキシャル層を切開した後、その断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。
【００１１】
このとき、エピタキシャル成長のために本発明で使用された材料は、ＴＭＧ（trimethylgallium)、ＴＭＡ（trimethylalluminum)、ＴＭＩ（trimethylindium)、１００％アルシン及び水素に希釈された５００ｐｐｍＳｉＨ4である。且つ、エピタキシャル成長温度は６００℃で、Ｖ族とIII族の割合がＶ／III＝１００である。
ＳｉＯ2によりパターンが形成されたＧａＡｓ基板をリアクターに装入した後、表面に形成される酸化膜を除去するため、８００℃で予熱処理を行った。次いで、所望の成長温度に下げた後、予め設計されたＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子細線構造を形成した。
【００１２】
以下、単一半導体基板に多様な大きさのＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子細線構造を製作する方法を具体的に説明する。
まず、ＧａＡｓ基板に、プラズマ強化化学蒸着法（plasma enhanced vapor deposition：ＰＥＣＶＤ)により、酸化膜（ＳｉＯ2）及びフォトレジストを蒸着する。
このとき、酸化膜のない領域にエピタキシャル成長される三角形の大きさは、酸化膜のない領域の大きさによって変わり、三角形の大きさが変わると三角形の頂点付近に形成される量子細線の大きさが変わるため、単一基板に多様な大きさの酸化膜のない領域を形成することで、その単一基板に多様な大きさを有する量子細線を形成することができる。
【００１３】
このような特性により、酸化膜のない領域が多様な大きさを有するように、電子ビーム又は光学的フォトエッチング法を施して、ＧａＡｓ基板に蒸着された酸化膜をエッチングする。本発明においては、単一基板に多様な幅を有するストライプパターンが［１１０］方向と直角に又は［１１０］方向に沿って形成されるようにした。
このようにＧａＡｓ基板に多様な大きさを有する酸化膜のない領域を形成した後、選択的エピタキシャル成長法を利用して、前記酸化膜のない領域に三角形構造のエピタキシャル層を成長させる。
【００１４】
このとき、前記成長率に対して実験した結果、前記ＭＯＣＶＤ装置においては、成長率が１．０μｍ／ｈｏｕｒ以上になると、成長されたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子細線構造の表面が悪くなり、ＳｉＯ2上にも粒子がくっつくようになる。ＡｌＧａＡｓの表面の形状はＧａＡｓよりも成長率に対してより敏感であるが、これは成長表面におけるＡｌの移動速度がＧａの移動速度より更に遅いためである。
【００１５】
本発明においては、ＡｌＧａＡｓの成長率は０．５２μｍ／ｈｏｕｒとし、ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓの成長率は０．７μｍ／ｈｏｕｒに固定してエピタキシャル成長を行った。しかし、これに限定されるものでなく、エピタキシャルの成長率を調節することで、三角形構造のエピタキシャル層の成長特性及び表面特性を改善することができる。
本発明においては、主にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子細線構造を選択的エピタキシャル成長法により成長させた。
【００１６】
図１〜図４は、ＧａＡｓ基板上に成長されたＧａＡｓ／Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／ＧａＡｓ構造の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した図である。
図示されたように、図１（Ａ）及び（Ｂ）は、ストライプパターンは全て［１１０］方向に整列されており、ストライプ幅はそれぞれ２μｍ及び３μｍで、２つの試片を同時に反応管に装入して同じ条件で成長させたもので、図１（Ａ）の場合は三角形構造が形成されたが、図１（Ｂ）の場合は成長時間が短いためまだ三角形構造が形成されていないことが分かる。従って、完全な形態の三角形構造に成長させるためには、成長時間をより増やさなければならなく、図１（Ｂ）に示したように、エピタキシャルの成長時間を調節することで、多様な大きさの台形構造を形成することができる。
【００１７】
図２は、図１（Ａ）を拡大した図、図５は図２の模式図で、図５に示したように、成長された三角形構造は、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓバッファ層から構成され、ＳｉＯ2でマスキングされた表面には何も蒸着されていないことが分かる。
このとき、成長された構造の側面は｛１１１]Ｂ面で、完全な鏡面であることが分かる。（１１１)Ｂ面が鏡面である理由は、（１００）面に比べて（１１１）Ｂ面上における原子の移動速度がより速いためであると推定される。
【００１８】
図３は、ストライプ幅が６μｍのＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子細線構造の断面で、開放されたストライプは［１１０]方向に整列されている。図３から分かるように、開放されたストライプの幅が異なっても、類似した形態の三角形構造を形成することができる。
図４は、選択的エピタキシャル法により成長された三角形の大きさが開放されたストライプ幅によって変わることを示すもので、三角形の大きさが異なると、三角形の頂点付近に形成される量子細線の大きさが異なる。従って、種々な幅を有する開放されたストライプを形成することで、単一基板に種々の厚さ及び幅を有する量子細線を形成することができるようになる。
【００１９】
量子細線の厚さ及び幅が異なると各発光波長が変わるようになるため、光デバイスの製作に、本発明に係る単一基板に多様な大きさの量子細線を形成する方法を適用することで、多様な波長の発光源を含む光デバイス(発光素子及び受光素子)を単一基板上に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は、各ストライプ幅が２μｍ及び３μｍのＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子細線構造の断面を走査電子顕微鏡で観察した図である。
【図２】図１（Ａ)を拡大した図である。
【図３】ストライプ幅が６μｍのＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子細線構造の断面を走査電子顕微鏡で観察した図である。
【図４】開放されたストライプ幅によって量子細線の大きさが変わることを示した図である。
【図５】図２の模式図である。
【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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