(57)【要約】【課題】高機能な半導体ナノワイヤー素子を提供すること。【解決手段】ガリウムリン基板１上に、ガリウムリンからなる下部層２、インジウムリンからなる中間層３およびガリウムリンからなる上部層４を構成要素とする半導体ナノワイヤーを形成し、大気による酸化等の影響を防ぐため、ナノワイヤー全体を保護層５の中に埋め込むことによって、半導体ナノワイヤー素子を構成する。形成されたナノワイヤーの径は９〜３０ｎｍ、下部層２および上部層４の長さは３００ｎｍであり、中間層３の厚さは１０ｎｍである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの異なる組成を持つ３層の半導体層からなる３層構造を持つ半導体ナノワイヤー素子であって、前記３層構造の上部層および下部層に挾まれた中間層が、前記上部層のバンドギャップおよび前記下部層のバンドギャップのいずれよりも小さいバンドギャップを持つ直接遷移型の材料からなり、３０ｎｍ以下の幅と３０ｎｍ以下の厚さとを有することを特徴とする半導体ナノワイヤー素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体ナノワイヤー素子において、前記中間層が３層以上の細分化層よりなる積層構造を持ち、該積層構造は、前記上部層のバンドギャップおよび前記下部層のバンドギャップのいずれよりも大でないバンドギッヤプを持つ半導体材料からなる第１の細分化層と、該第１の細分化層のバンドギャップよりも小さいバンドギッヤプを持つ直接遷移型の半導体材料からなる第２の細分化層とを交互に積み重ねてなることを特徴とする半導体ナノワイヤー素子。
【請求項３】
請求項１記載の半導体ナノワイヤー素子において、前記上部層および下部層がガリウムリンからなり、前記中間層がインジウムリンからなることを特徴とする半導体ナノワイヤー素子。
【請求項４】
請求項１記載の半導体ナノワイヤー素子において、前記上部層および下部層がガリウム砒素からなり、前記中間層がインジウム砒素からなることを特徴とする半導体ナノワイヤー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ナノワイヤー素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料を利用した光デバイスにおいて、デバイスサイズを小さくしていくと量子効果の影響が生じる。この量子効果を利用することにより光デバイスの種々の特性向上が期待され、たとえば量子ドットレーザー等への応用も期待されている。
【０００３】
半導体デバイスが量子化された場合、そのエネルギー準位は以下のように表すことができる。
【０００４】
【数１】
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ここで（１）は一つの方向のみ量子化された二次元量子デバイス、（２）は二つの方向が量子化された一次元量子デバイス、（３）はすべての方向が量子化さ加たゼロ次元デバイスに対応し、それぞれ量子デイスク、量子ワイヤー、量子ボックス等と呼ばれる構造に対応する。また、ｌ、ｍ、ｎ（＝１、２、３、…）はそれぞれの方向に対応する量子準位、ｋｙおよびｋｚは、それぞれ、ｙおよびｚ方向の波数ベクトル、ｍ＊は電子およびホールに対する有効質量、横棒つきのｈはプランク定数を２πで割った値、ｔｘ、ｔｙ、ｔｚは、それぞれ、量子化が起こる領域のｘ、ｙ、ｚ方向の長さを示す。
【０００５】
このようにエネルギー準位が量子化されることにより、状態密度関数が二次元の場合はステップ関数、一次元およびゼロ次元の場合はよりデルタ関数に近づくことになり、例えば光デバイスにおける発光効率が増加する等のメリットが生じる。この効果は量子化が進むにつれて顕著になり、例えば二次元デバイスである量子ディスクよりも一次元デバイスとなる量子ワイヤー、あるいはゼロ次元デバイスである量子箱の方が特性の向上を見込むことができる。
【０００６】
現在実用化されている量子デバイスは式（１）にある二次元デバイスが主であり、たとえば量子井戸レーザー等の例がある（例えば下記非特許文献１参照）。この場合、量子井戸レーザーの発振波長の制御が容易、低い電流でレーザー励起が可能であるなどの特徴があり、二次元あるいは三次元の量子効果を利用したデバイスを実現することにより多くの特性向上が予想される。
【０００７】
しかしながら、量子井戸レーザーの場合、そのサイズは通常直径数百ｎｍ、厚さ数ｎｍ〜数十ｎｍであり、量子効果が生じるサイズである十数ｎｍを満足するのは厚さ方向だけである。このため量子井戸の場合、量子化は垂直方向についてのみ実現されている二次元の量子デバイスであり、量子効果の利用はまだ充分とは言えない。
【０００８】
次の段階の量子デバイスである一次元の量子デバイスとしては断面のサイズが十数ｎｍ、長さが数百ｎｍになる半導体ナノワイヤー（量子ワイヤー）が考えられ、このようなデバイス作製の試みとして、基板表面をリソグラフィ等により加工した半導体基板を用いた量子ワイヤー作製が試みられている（例えば下記非特許文献１参照）。しかしながら、この手法は基板の表面構造の不均一性による選択成長を利用しており、ミクロレベルで見た場合、量子効果を左右する精密な形状制御を行うことは困難である。
【０００９】
また、これとは別のアプローチとして、金属触媒によるＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）メカニズムを用いたナノワイヤーの作製が最近試みられてきている。作製手法としては、レーザーアブレーションおよび化学反応性分子ビームエピタキシー（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いた例が発表されており、金属触媒粒子のサイズを変えることにより精密なサイズ制御ができている（例えば下記非特許文献２および３参照）。
【００１０】
また、得られたナノワイヤーの直径は数ｎｍまでのものが実現できており、充分量子効果の発現できるサイズになっている。しかしながら、現在のところこれらのナノワイヤーの応用は電子デバイスに限られており、光デバイスヘの応用はほとんどない。また、ナノワイヤーを光デバイスに応用した例においても、基板から分離させたナノワイヤーを適当にばらまき、電極上にたまたま載ったものを光デバイスとして用いているに過ぎず、ナノワイヤー自体に機能を持たせているわけではない。さらに実用的なデバイス作製プロセスを考慮した場合、このような方法では良好なプロセス制御が容易ではないという問題点がある。
【００１１】
【非特許文献１】著書：「半導体超格子の物理と応用」、培風館。
【非特許文献２】学術論文：Ｘ． Ｄｕａｎ 他、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６７，ｐ．１１１６，２０００年。
【非特許文献３】学術論文：Ｂ．Ｊ．Ｏｈｌｓｓｏｎ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７９，ｐ．３３３５．２００１年）。
【非特許文献４】学術論文：Ｏ．Ｉ．Ｍｉｃｉｃ 他，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ., Ｂ，ｖｏｌ．１０１，ｐ．４０９４，１９９７年。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、従来の半導体ナノワイヤー素子ではワイヤーのサイズ効果のみを利用してきたため、その応用が限られていたという問題を解決し、高機能な半導体ナノワイヤー素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明においては、上記目的を達成するために、請求項１に記載のように、
少なくとも２つの異なる組成を持つ３層の半導体層からなる３層構造を持つ半導体ナノワイヤー素子であって、前記３層構造の上部層および下部層に挾まれた中間層が、前記上部層のバンドギャップおよび前記下部層のバンドギャップのいずれよりも小さいバンドギャップを持つ直接遷移型の材料からなり、３０ｎｍ以下の幅と３０ｎｍ以下の厚さとを有することを特徴とする半導体ナノワイヤー素子を構成する。
【００１４】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
請求項１記載の半導体ナノワイヤー素子において、前記中間層が３層以上の細分化層よりなる積層構造を持ち、該積層構造は、前記上部層のバンドギャップおよび前記下部層のバンドギャップのいずれよりも大でないバンドギッヤプを持つ半導体材料からなる第１の細分化層と、該第１の細分化層のバンドギャップよりも小さいバンドギッヤプを持つ直接遷移型の半導体材料からなる第２の細分化層とを交互に積み重ねてなることを特徴とする半導体ナノワイヤー素子を構成する。
【００１５】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１記載の半導体ナノワイヤー素子において、前記上部層および下部層がガリウムリンからなり、前記中間層がインジウムリンからなることを特徴とする半導体ナノワイヤー素子を構成する。
【００１６】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項１記載の半導体ナノワイヤー素子において、前記上部層および下部層がガリウム砒素からなり、前記中間層がインジウム砒素からなることを特徴とする半導体ナノワイヤー素子を構成する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施により、高機能な半導体ナノワイヤー素子を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明においては、上記目的を達成するための手段として、基板上に、３層からなる半導体３層構造を作製し、その中に半導体ナノワイヤーを形成するとともに、半導体３層構造の上部層および下部層のバンドギャップを中間層よりも大きくすることにより、上部層および下部層へのキャリアの侵み出しを防ぎ、中間層を理想的なゼロ次元量子デバイスとするものである。
【００１９】
この場合、上部層および下部層を構成する材料のバンドギャップが中間層よりも大きければ良く、このような組合せの材料であれば、基本的にはどのような組み合わせでも良い。例えば、上部層および下部層にはガリウムリンを、中間層にはインジウムリンを選択しても良いし、上部層および下部層にはガリウム砒素を、中間層にはインジウム砒素を選択しても良いし、上部層および下部層にはガリウム砒素を、中間層にはガリウムアンチモンを選択しても良いし、上部層および下部層には硫化セレンを、中間層にはガリウム砒素を選択しても良い。
【００２０】
さらに、例えば、表１に記載されている格子定数の近い任意の二種類の材料を選択し、バンドギャップが大きい材料を上部層および下部層に用い、バンドギャップの小さいものを中間層に選択しても良い。
【００２１】
前記中間層は、量子効果を受けた電子準位間の直接遷移が起こる直接遷移型の材料によって構成されているものとする。
【００２２】
さらに、中間層を積層化し、バンドギャップの小さい活性層を、バンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きく、上部層のバンドギャップおよび下部層のバンドギャップよりも大きくないバリア層で挾むとともに活性層の厚さを量子サイズ効果が起きる厚さ以下にすることにより特性向上を図っても良い。
【００２３】
以下本発明の実施例を述べるが、本願発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２４】
【表１】
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【実施例】
【００２５】
本発明の実施例の概念図を図１に示す。
【００２６】
本実施例では、ガリウムリン基板１上にガリウムリン下部層２、インジウムリン中間層４およびガリウムリン上部層３からなるナノワイヤーを形成した。大気による酸化等の影響を防ぐためナノワイヤー全体は保護層５の中に埋め込んである。ここで作製したナノワイヤーの径は、インジウムリン中間層４の幅（図１における水平方向の幅）で近似され、９〜３０ｎｍであり、下部層２および上部層３の長さは３００ｎｍであり、中間層４の厚さは１０ｎｍである。
【００２７】
次に、今回作製したナノワイヤーの光学特性をフォトルミネッセンス測定により評価した。測定温度は１０Ｋであり、光源として色素レーザーを用いた。また、レーザーの励起エネルギーはガリウムリンの励起エネルギーよりも小さくかつインジウムリンの発光が可能な２．２ｅＶに固定した。また、レーザーのエネルギーは１×１０−７Ｊ/ｃｍ２である。
【００２８】
図２に、測定したフォトルミネッセンスのスペクトルを示す。（ａ）はバルク結晶の発光スペクトル、（ｂ）〜（ｇ）までは、それぞれ、ナノワイヤーの径を９．０ｎｍから３０ｎｍまで変化させた場合の発光スペクトルに対応する。ナノワイヤーの径が３０ｎｍのときはバルクのピークからのシフト量（いわゆるブルーシフトの値）は０．０５ｅＶ程度とあまり大きくないが、ワイヤーの径が小さくなるにつれてシフト量は大きくなっていることが分かる。なおワイヤーの径が小さくなると発光ピークの半値幅が増加しているが、これは量子効果が大きいほどワイヤーの径のばらつきに敏感になってきていることを反映しており、各ワイヤーからの発光ピークの半値幅は充分小さくなっていると予想される。
【００２９】
また、図３に、ピーク強度エネルギーシフト量とワイヤー径との関係を示す。ワイヤー径が小さくなると、ピーク強度のエネルギーシフト量は大きくなっており、特にワイヤーの径が１５ｎｍ以下になると、そのシフト量は急激に増加する。これは１５ｎｍ以下では量子効果の影響が大きくなっていることを示している。また、図中に示した計算値は、ＩｎＰコロイド粒子の発光スペクトル（上記非特許文献４に記載）より求めた値であるが、ほぼ実測値と一致しており、このことからも、本発明によって充分な量子閉じ込め効果が得られている素子ができたこが判る。また、さらに、今回の測定において発光に必要なレーザーのエネルギーは径が小さくなるほど低下しており、本発明が優位であることを示している。
【００３０】
上記のようにして、少なくとも２つの異なる組成を持つ３層の半導体層からなる３層構造を持つ半導体ナノワイヤー素子であって、３層構造の上部層および下部層に挾まれた中間層が、上部層のバンドギャップおよび下部層のバンドギャップのいずれよりも小さいバンドギャップを持つ直接遷移型の材料からなり、３０ｎｍ以下の幅と３０ｎｍ以下の厚さとを有することを特徴とする半導体ナノワイヤー素子を作製することができる。中間層４の長さが１００ｎｍ以上であれば、ナノワイヤーとしての特性が現われ、その長さをそれよりも短くしていけば、特性は量子箱の特性に近づく。
【００３１】
このような半導体ナノワイヤー素子を光デバイスの構成要素として用いる場合には、デバイス動作時の外部光または外部電場の励起エネルギーを中間活性層であるの中間層バンドギャップ以上かつ上部および下部バリア層である上部層および下部層のバンドギャップ以下にする。
【００３２】
また、中間層４をさらに多層構造のものにして、光デバイスとしての性能をさらに高めることができる。すなわち、中間層４が３層以上の細分化層よりなる積層構造を持ち、該積層構造は、上部層３のバンドギャップおよび下部層２のバンドギャップのいずれよりも大でないバンドギッヤプを持つ半導体材料からなる第１の細分化層と、該第１の細分化層のバンドギャップよりも小さいバンドギッヤプを持つ直接遷移型の半導体材料からなる第２の細分化層とを交互に積み重ねて形成されるようにすれば、さらに高性能の光デバイスとしての半導体ナノワイヤー素子を得ることができる。
【００３３】
なお、上記の半導体ナノワイヤー素子は、基板上の任意の位置に作製することが可能であり、その集積化も容易である。
【００３４】
以上のように、本発明を用いることにより、従来困難であった半導体ナノワイヤーへの機能付加を行うとともに、量子効果を利用した高性能な光デバイスを実現させることが可能となり、将来のネットワーク通信の発展に寄与することができる高性能光デバイスの作製技術への貢献を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例の概念を説明する図である。
【図２】本発明による半導体ナノワイヤー素子からの発光スペクトルを示す図である。
【図３】本発明による半導体ナノワイヤー素子におけるピーク強度エネルギーシフト量とワイヤー径との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…基板、２…下部層、３…上部層、４…中間層、５…保護層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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