JPH01319985A

JPH01319985A - 化合物半導体量子箱の製造方法およびその製造装置ならびに発光装置

Info

Publication number: JPH01319985A
Application number: JP63153240A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Narisawa; 成沢　忠
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1989-12-26
Also published as: US5079186A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、オプトエレクトロニクス分野において、化合
物半導体超微粒子を量子箱として、発光デバイスの活性
層に応用しようとするものである。

活性層を微細化することによって顕著に現われる量子効
果を利用すれば、新機能デバイスが得られる可能性があ
ることは広く認識されている。しかし、従来の加工技術
では、３次元にまで量子化された材料（量子箱）を用意
することはきわめて困難でせいぜい１次元にのみ量子化
された積層薄膜構造を分子線エピタキシー（ＭＢＥ　）
法などで成長させるのに止まっている。本発明は、その
ような困難を除き、量子箱作製の自由度を飛躍的に高め
、もって、低しきい電流値、小ライン幅で温度特性の優
れた高性能半導体レーザーダイオードを供するものであ
る。さらに、レーザー装置の活性層としての量子箱を発
光波長に同期させて配列させることによって共振器なし
で量子箱配列方向にレーザー発振を起こさせることが可
能となシ、半導体レーザーの集積化に資するものである
。

従来の技術超微粒子（直径〜１ｏＯ人）は、久保効果の実験的解明
などを目的とした純アカデミツクな側面と、装飾、磁気
メモリー素子などを目的とした工業的側面の両面から近
年さかんに研究開発が進められている。しかし、材料と
しては金や鉄などの単体金属に限られておフ、化合物半
導体の超微粒子が生成された例はない。金属超微粒子は
ムｒなどの不活性ガス（圧力〜１Ｔｏｒｒ　）で平均自
由行程を制限した雰囲気中に金属を熱蒸発させることに
よって得られているが、この際、不活性ガスは単に金属
原子の平均自由行程を制限するのみであって超微粒子中
に取シ込まれることはない。

新規の微細加工技術によって化合物半導体超微粒子（量
子箱）を作製しようとする試みはきわめて困難で実現の
見通しはっかないが、いくつか存在する。ひとつは、Ｍ
ＢＩＣ＋ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）などの超薄
膜エピタキシャル成長法とＦＩＢ（集束イオンビーム）
による局所加工（エツチング、ドーピング、無秩序化）
を組合わせる方法である。ＦＩＲ加工の代シに選択的な
湿式エツチングを用いようとした試みもある。いずれに
しても、この方法はＭＢＥなどで積層した１次元量子化
構造を加工して量子化の次元を拡大しようとするもので
あるが〜１００人精度０加工はまだ困難で今後の開発に
依存するところが大きい。

いまひとつの方法は、細い針状電極分使用して化合物半
導体を直接的・間接的に適当な基板上に局所的に堆積さ
せる方法である。この方法は一見汎用性に富み魅力的に
思えるが、実際にはうまくエピタキシャル成長する基板
と温度を選定しなければならず、さらに、繊細な電極を
苛酷なエピタキシー条件下で動作させなければならない
ので、信頼性・再現性の点で問題を含んでいるようであ
る。

超微粒子の取扱い方法、マニピュレーターについては従
来の技術はプリミティブな段階にある。

化合物半導体超微粒子についてはもちろん実施例は皆無
であるが、金属超微粒子については、前記不活性ガス中
蒸発で壁に付着した微粒子を刷毛でかき集めるとか、微
粒子をマイクロ・ジェット気流に乗せて電子顕微鏡のサ
ンプルステージまで運ぶというようなことが行われてい
る程度である。

半導体レーザーの高性能化、集積化に関しては鋭意開発
が進行中である。しかし、１次元量子化の積層薄膜構造
を利用した量子井戸レーザーでは薄膜に平行な方向には
量子化されてなく、ステップなどの欠陥が存在するとこ
ろからしきい値、ライン幅、温度特性ともそれほど際立
った特性が得られていないのが現状である。ＭＢＫ７Ｉ
ｘどによる薄膜成長条件を注意深く制御してステップな
どの界面欠陥を減少させようとする試みがいくつかある
。もし、理想的な界面が実現すればレーザーの特性はそ
れなりに改善されるであろうが、原理的に薄膜に平行な
方向には量子化されていないという事実はレーザー特性
を低下させる効果として残るはずである。

半導体レーザーの集積化に関しては、ファプリー　・ペ
ロー型の共振器を持つ一般の構造は基本的に向いていな
い。反応性イオンビームエンチングなどでへき開面に劣
らぬ鏡面を基板に作りっけ、これでファプリー・ベロー
共振器を構成している例があるが、それでも、このよう
な加工で生じる段差構造が他の素子の集積化に大きな障
害となることは明らかである。反射端面の代シに埋込み
回折格子を作シつけたレーザー（ＤＦＢレーザー）が試
作され良好な特性が得られている。しかし、一般のＤＦ
Ｂレーザーは、回折格子から散乱される特定波長の光を
帰還させて発振モードの制御に利用しているのみであっ
て、利得力Ｓ変調されている訳ではない。

発明が解決しようとする課題３次元量子箱はきわめてシャープな離散的エネルギー準
位を持つので、これを半導体レーザーの活性層に用いれ
ば高性能のレーザーが得られる。

しかし、３次元量子箱を得るためには直径数百Å以下の
超微粒子を用意しなければならない。■−■族（又はＩ
Ｉ−Ｖｌ族）化合物半導体を材料にしてこのサイズの超
微粒子を得ることは至難の技で、ＦＩＢ加工などを利用
するいくつかの試みがあるが成功していない。さらに、
たとえそのような超微粒子が生成できたとしても、サイ
ズがあまシにも小さいために選別、取扱いに際しては、
新しい原理に基づく方法、マニピュレーターが必要とな
る。

化合物半導体レーザーは集積化して（光電子集積回路：
ｏｇＩＣ）、通信や情報処理あるいは光コンピューター
などに使用されようとしている。

実際に０ＥＩＧの試作例も報告されているが、まだまだ
集積度は低く、Ｓ１テクノロジーにくらべると１０年以
上も遅れているといわれる。０ＫＩＣの集積度を上げる
ためには、半導体レーザーの構造をファプリー・ペロー
型共振器を持たない構造にしなければならない。この目
的とさらにシングツ′モード発振、小うイン幅化、温度
特性の向上、などを狙ってＤＦＢレーザーが開発されて
いる。しかし、ＤＦＢレーザーによって端面ミラーは不
要になったもののマイクロレーザー化、レーザー特性の
向上などの点では今−歩の段階にあるのが現状である。

課題を解決するための手段本発明は、化合物半導体量子箱の製造方法およびその生
産装置ならびに化合物半導体量子箱等の超微粒子の増扱
い方法ならびに量子箱応用発光デバイスを提供するもの
で、化合物半導体の量子箱を製造するに際してＶ族又は
■族元素の蒸気で制御された圧力空間に■族又はＩＩ族
元素を蒸発させ気相での反応を利用してＩ−Ｖ族又はＩ
Ｉ−Ｖｌｌ族化合物半導体量子箱生成させる方法である
。またその製造装置としてＶ族又は■族元素の分圧制御
装置、■族又はＨ族元素の蒸発速度制御装置、生成した
全子箱粒子の選別・格納装置を具備し、特許請求の範囲
第１項記載の気相反応を利用して■−Ｖ族又はＩＩ−Ｖ
ｌ族化合物半導体量子箱を製造する装置を用いる。

さらに化合物半導体量子箱等の超微粒子の取扱いは個々
の超微粒子を帯電させ、針状電極に印加する電圧を調整
することによって、前記超微粒子に静電力を作用させ超
微粒子を任意の場所に運搬。

設置する方法を用いる。また本発明は、化合物半導体量
子箱粒子を発光波長に同期させて、１次元的、２次元的
、３次元的に配列した構造を特徴とする利得変調型レー
ザー装置を提供する。

作用本発明は、■族又は■族元素と■族又はＶ族元素の気相
反応を利用してＩＩ−ＩＶ族又は■−Ｖ族化合物半導体
の結晶超微粒子を生成させ、静電（磁）力を利用して個
々の超微粒子を送別、格納、運搬。

設置することを可能とする。さらに、本発明による方法
、装置を用いて用をした化合物半導体超微粒子を量子箱
として、レーザー素子の活性層に発光波長に同期させて
配列することによって、高性能の利得変調型レーザー素
子を実現可能とする。

実施例以下、図面によって本発明の手段・作用・実施例を説明
する。

第１図は、気相反応を利用して化合物半導体超微粒子を
生成する方法の概念と、そのための装置構成の概略を示
したものである。ＧａＡｓ超微粒子の生成を例にとって
説明すると、１は金属砒素を内蔵する砒素蒸気源である
。蒸気源１の温度を２００℃〜５ｏ○℃の範囲で調節す
ることによって、反応室３の中の砒素蒸気圧を１０　’
Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒの範囲で変化させることがで
きる。

この時、反応室３の温度は、砒素蒸気が壁に凝縮してし
まわないように、１とほぼ同じ温度となるようにヒータ
ーで昇温しておく。２ばＧａ分子線源で、通常のＭＢＥ
装置に使われているクヌードセンセ／ｌ／（Ｋ−セル）
と本質的には同じである。

８００℃〜１２００℃の範囲で動作し、１０１４〜１０
１７原子／　ｃ７Ｎ　’　ＳｅｃのＧａ原子ビームを供
給する。なお、第１図ではＡｓ源、Ｇａ源とも、通常の
ＭＢＥで使用される固体源を用いたが、固体源に代る供
給源、たとえばアルシン（ム！！Ｊ）、）ＩＪメチルガ
リウム（Ｇａ（ＣＨｓ）ｓ　）などのガス源であっても
かまわない。反応室３は、超微粒子への不純物混入を避
けるために、パックグラウンド圧力ｆ　１０　”Ｔｏｒ
ｒ以下に排気できる超高真空排気系を備えている。

さて、Ｇ＆源２から反応室３内に放出されたＧ＆原子は
砒素分子（ム８．五ｓ２　、　Ａｓ４　　などが混在す
る）と衝突・反応を起こして、ＧａＡｓｎ分子（ｎ＝１
〜４）を形成する。これらの分子（特にム８原子数の多
い分子）は、エネルギー的に次に砒素分子と結合する確
率は低（Ｇａ原子と結合する確率は高い。Ｇａ原子と結
合した後は逆に砒素分子と結合しやすくなる。このよう
な傾向はＧａ−ムＳ結合がある程度イオン性を持つこと
に由来しているが、ともかく、最初にできたに＆Ａ１９
ｎ分子はＧａ、ムｓｎ分子と多数回衝突・反応を繰シ返
してＧａＡｓ微結晶粒子に成長して行く。この反応の機
構から容易に推定できるように、微結晶の成長速度は分
子の平均自由行程、すなわち、反応室内のＧａ　、ムｓ
ｎ分子密度によって律速されるから、これらを（Ｋ−七
ルの温度やガスの流量を変えて）調節することによって
、広い範囲にわたって成長速度、すなわち、生成微粒子
のサイズを変えることが可能である。なお、第１図には
示してないが、反応室の中央付近に、たとえば、レーザ
ービームを照射して分子を熱的、光学的に励起させれば
反応を促進させることができる。

以上のようにして生成されたＧａＡｓ　５３結晶粒子は
、さらに成長を続けながら、重力によって反応室の下方
に落下して来る。反応室は有限の体積を持つので、微粒
子のサイズはある分布を持つ。第１図の４〜８は、生成
微粒子をサイズ別に選択し格納するための方法・装置の
概略を示すものである。８は微粒子の取込み部で、反応
室３と微粒子選択・格納装置４〜７を差動排気するため
のオリフィスの役目を兼ねている。この差動排気系は、
反応室の高圧（≦１００ＴＯｒｒ）に抗して選択・格納
装置を高真空下（≦１０−”Ｔｏｒｒ　）で作動させる
。４はタングステンフィラメントなどの電子源とアノー
ドとを備える微粒子荷電装置、５は荷電微粒子を集束す
るための静電（あるいは磁気）レンズ装置、６は帯電微
粒子に水平方向のモーメントを与えるための静電偏向装
置である。６を通過した荷電微粒子は、荷電価数と質量
（サイズ）によって定まる放物線軌道を描き、微粒子格
納装置７にサイズ別に格納される。格納装置７は多数の
しきυ板と、それぞれ独立した多数の格納皿を備えてい
る。格納皿は、導電性物質で作られたものと、非導電性
物質で作られたものとの２種類が用意されている。導電
性格網皿は、そこに落下して来る荷電微粒子による電気
的パルスを測定することによって、微粒子の生成量（個
数）、生成速度をモニターするために使用する。非導電
性格網皿は、荷電微粒子の荷電状態を保存し、微粒子の
その後の取扱いに役立たせるために使用する。以上２種
の格納皿は、２種ならべて同時に使用するととも可能で
ある。さらに、非導電性格網皿では微粒子の荷電状態が
保存されるので、微粒子間相互に反発力が働き、微粒子
）；格納皿に離散して落下９〜・１する。このことは後の微粒子の取扱いに好都合であ
る。

第２図は超微粒子を任意の場所に運搬、設置するための
方法の原理図である。１１は荷電超微粒子で、非導電性
格網皿１２の上に乗っている。１３はタングステン、白
金などの金属の針状電極で、先端の曲率半径は〜ｏ、１
μｍ程度である。１４は針状電極１３の表面に、プラズ
マＣＶＤなどの方法で堆積させた５ｉ０２　などの絶縁
膜で、その厚さは１ｏＯλ〜０．１μｍである。針状電
極は、最近スキャンニンクトンネリングマイクロスコビ
ー（ＳＴＭ）として良く知られているＲｅ装置〔たとえ
ば、Ｓ、　Ｌ、　Ｔａｎｇ　、　Ｊ、　Ｂｏｋｅｒ　、
　ａｎｄ　Ｒ，Ｈ，５ｔｏｒｚ　：　７プライド　フィ
ジックス　レター（ムｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ。

Ｌθｔｔ　）　５２（３）、　１９８８　、１８８）に
用いられているものと同じように、ピエゾ素子を用いた
微調整装置と真空ベローズ、スプリングなどによる粗調
整装置によって、真空中で３次元的に駆動することがで
きる。

針状電ｉ１３に１ｍｖ〜１ｖ程度の正電圧を印加して、
その先端を帯電した微粒子に数百人〜０．１μｍの距離
まで接近させると、両者に静電的な引力が作用し、微粒
子は格納皿１２を離れて絶縁膜１４の表面に付着する。

この際、針状電極１３の先端曲率半径を一般にＳＴＭで
使用されているほどに（５１００人）小さくし過ぎたり
、絶縁膜１４の厚さを薄く（５１００人）し過ぎたシす
ると、トンネリングによる電荷移動が起こってしまい静
電力の作用が消失するので注意を要する。

針状電極の先端に付着した微粒子は、針状電極の駆動機
構によって、任意の場所に運搬が可能である。微粒子を
望む基板の望む位置に設置するには、まず針状電極の駆
動機構によって微粒子を望む位置の表面のごく近傍（〜
１００人）まで移動し、その後、針状電極を接地して静
電力の作用を除去するか、あるいは針状電極にわずかに
逆の電圧を印加して微粒子に反発力を作用させる。なお
、この取扱い方法は、金属、半導体、絶縁体などの任意
の超微粒子に応用可能である。

第３図は、ＧａムＳ量子箱を短波長半導体レーザーの活
性層に応用した実施例のひとつである。（ム）は活性層
の平面図を示し、半導体レーザー構造のＸＸ′断面図が
（Ｂ）である。（Ｂ）において、２１はｎ型ＧａＡｓ基
板、２２と２５はそれぞれｎ型およびｐ型のＡｊｌｘＧ
４＋　−ＸＡＳ　（Ｘ　＝　Ｏ−３〜０．６　）クラッ
ド層（厚さは、それぞれ≦１μｍ程度）、２３は８１０
２などの電流ブロック層（２１００人）、２４はサイズ
が１００人〜５００人くらいのＧ４１Ｓ量子箱、２６は
ｐ型Ｃ！ａＡｓキャップ層、２７と２８は金属′電極で
ある。ＧａＡＳ量子箱は間隔ａをλ ａ＝Ｎ　　・　− として、ｘｘ’方向に一列に２１００個並べである。

ここに、Ｎは正の整数、λは（空気中の）発光波長（５
ｏｏｏ〜８００ｏ人）、ｎは媒質の屈折率である。この
構造では、ｘｘ′方向に、定数ａで決められるシャープ
なスペクトルを持つレーザー発振光が得られる。量子準
位の状態密度が高いので発損しきい値電流が低く、また
、発振波長は量子準位のエネルギー値とａとによって二
重に制限されているので、温度変化に対してもきわめて
安定である。

第４図は、Ｇ！ＬＡＳ量子箱２４を２次元で周期的に配
列し、これを活性層とした半導体レーザーの実施例を示
す。断面構造は第３図（Ｂ）と同様である。

周期ａ、ｂをともにλ／ｎの整数倍にすると、出力光が
Ｘ方向、Ｙ方向などに同時に増出せるマルチビームレー
ザーが得られる。どちらか一方向の周期だけをλ／ｎの
整数倍にすれば、その方向にだけ出力光が得られる。

ｅａＡｓ量子箱を３次元で周期的に配列させた構造では
電流注入励起形のレーザーを実現するのは困難である。

媒質を５ｉ０２や工ＴＯ（インジウム・ティン・オキサ
イド）などの光に対して透明な物質として適当な光で励
起する光ボンピング形にすれば特徴ある高性能レーザー
が得られる。第６図はその実施例のひとつで、ＧａＡｓ
　量子箱２４を５１０２媒質３０に３次元で周期的に埋
め込んである。周期ａ、ｂ、ｃは全部または一部がλ／
ｎの整数倍である。この構造に外部から適当な（波長が
量子井戸準位間隔よりも短いような）光を照射して励起
すると、マルチビーム（マたは、シングルビーム）発振
が得られる。

なお、以上の実施例においてはＧａＡＳ量子箱を用いた
が、ＩｎＰなどの他のＩ−Ｖ族、またはＩＩ−■族化合
物半導体の量子箱を用いることもできる。

量子箱の製法、取扱いは本発明によるものとし、他の構
成部品（半導体薄膜、金属電極など）はＭＢＥなど通常
使用されている方法で用意するものとする。

発明の効果本発明によれば、従来では最新の微細加工技術をもって
しても作製が困難であった化合物半導体の量子箱をきわ
めて容易に、かつ、大量に作製できるようになる。量子
箱の量子準位はサイズによって定まるので、量子箱をレ
ーザー素子などの活性層に利用するためには個々のサイ
ズを揃えることが重要である。本発明の方法によれば、
個々の超微粒子をサイズごとに選別、格納、運搬、設置
できる。なお、この方法は単に化合物半導体の超微粒子
だけでなく、鉄、ニッケルなどすでに工業的規模で製産
されている金属超微粒子やその他任意の物質の超微粒子
に対して適用可能である。さらに、化合物半導体超微粒
子を量子箱として用い、これを発光波長に同期させて配
列した構造を活性層とするレーザー素子は、通信、計測
、コンピューターなどの分野で必要とされている低しき
い値。

狭線幅のマルチビームレーザー素子を提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる気相反応を利用した化合物半導
体超微粒子の生産装置の概略図、第２図は本発明におけ
る超微粒子マニピュレータの要部断面図、第３図ｃ人）
　、　（Ｂ）は化合物半導体量子箱を用いた利得変調型
レーザーダイオードの平面図、ＸＸ／線断面図、第４図
は利得変調型レーザーダイオードの平面図、第６図は利
得変調型レーザー（光ポンピンゲタイカの要部斜視図で
ある。１・・・・・・砒素蒸気源、２・・・・・・ガリウム分
子線源、３・・・・・・反応室、４・・・・・・微粒子
荷電装置、５・・・・・・荷電微粒子集束装置、６・・
・・・・静電偏向装置、７・・・・・・微粒子格納装置
、８・・・・・・微粒子取込み兼差動排気装着、１１・
・・・・・荷電超微粒子、１２・・・・・・非導電性格
網皿、１３・・・・・・針状電極、１４・・・・・・絶
縁膜、２１・・・・・・ｎ型基板、２２・・・・・ｎ型
クラッド層、２３・・・・・・電流ブロック層、２４・
・・・・・化合物半導体量子箱、２５・・・・・・ｐ型
クラッド層、２６・・・・・・キャップ層。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図＼７４ｔｔＸｌ格ＪＦ９鼓を第２図第３図（Ａ）第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）化合物半導体の量子箱を製造するに際して、Ｖ族
又はVI族元素の蒸気で制御された圧力空間にIII族又は
II族元素を蒸発させ、気相での反応を利用してIII−Ｖ
族又はII−VI族化合物半導体量子箱を生成させることを
特徴とする化合物半導体量子箱の製造方法。
（２）Ｖ族又はVI族元素の分圧制御装置、III族又はII
族元素の蒸発速度制御装置、生成した量子箱粒子の選別
・格納装置を具備し、特許請求の範囲第１項記載の気相
反応を利用してIII−Ｖ族又はII−VI族化合物半導体量
子箱を製造することを特徴とする化合物半導体量子箱の
製造装置。
（３）個々の超微粒子を帯電させ、針状電極に印加する
電圧を調整することによって、前記超微粒子に静電力を
作用させ、超微粒子を任意の場所に運搬設置することを
特徴とする超微粒子の取扱い方法。
（４）化合物半導体量子箱粒子を発光波長に同期させて
１次元的、２次元的、３次元的に配列し、利得変調型レ
ーザー装置を形成したことを特徴とする発光装置。