(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有し、
前記複数の中間層の各々は３ｎｍ以下、１ｎｍ以上の範囲の厚さを有することを特徴とする量子半導体装置。
【請求項２】
前記中間層の各々は、実質的に平坦な上主面を有することを特徴とする請求項１記載の量子半導体装置。
【請求項３】
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置。
【請求項４】
前記複数の中間層の各々は、約２〜３ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項３記載の量子半導体装置。
【請求項５】
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々は７．６ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置。
【請求項６】
前記複数の量子ドットの各々はＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂより選ばれ、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々は８．７ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置。
【請求項７】
前記複数の量子ドットの各々はＧａＩｎＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々は４分子層分以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置。
【請求項８】
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々はＩｎＧａＰよりなり、前記複数の中間層の各々は５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置。
【請求項９】
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットとアロイ化していることを特徴とする請求項１〜８のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板と；
前記半導体基板上に形成された第１のクラッド層と；
前記第１のクラッド層上に形成され、量子構造を含む活性層と；
前記活性層上に形成された第２のクラッド層と；
前記半導体基板上に形成され、前記第１のクラッド層を介して第１の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第１の電極と；
前記第２のクラッド層上に形成され、前記第２のクラッド層を介して第２の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第２の電極とよりなる半導体発光装置において、
前記量子構造は：
前記半導体基板と格子整合する第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記第１および第２のクラッド層は、いずれも前記中間層を構成する第１の半導体結晶と実質的に等しい格子定数の半導体結晶よりなり、
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有し、
前記複数の中間層の各々は３ｎｍ以下、１ｎｍ以上の範囲の厚さを有することを特徴とする量子半導体装置。
【請求項１１】
前記中間層の各々は、実質的に平坦な上主面を有することを特徴とする請求項１０記載の量子半導体装置。
【請求項１２】
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする請求項１０または１１記載の量子半導体装置。
【請求項１３】
前記複数の中間層の各々は、約２〜３ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１２記載の量子半導体装置。
【請求項１４】
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々は７．６ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０または１１記載の量子半導体装置。
【請求項１５】
前記複数の量子ドットの各々はＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂより選ばれ、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々は８．７ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０または１１記載の量子半導体装置。
【請求項１６】
前記複数の量子ドットの各々はＧａＩｎＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々は４分子層分以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０または１１記載の量子半導体装置。
【請求項１７】
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々はＩｎＧａＰよりなり、前記複数の中間層の各々は５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１１または１２のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【請求項１８】
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットとアロイ化していることを特徴とする請求項１１〜１７のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【請求項１９】
量子ドット構造を含む量子半導体装置の製造方法において、
（ａ）  半導体基板上に、前記半導体基板に対して歪み系を形成する量子ドットを、互いに孤立した成長島の形で、エピタキシャル成長する工程と；
（ｂ）  前記半導体基板上に、前記量子ドットを覆うように、前記半導体基板に対して格子整合する半導体層を、中間層としてエピタキシャル成長する工程と；
（ｃ）  前記中間層上に、前記半導体基板に対して歪み系を形成する量子ドットを、互いに孤立した成長島の形で、エピタキシャル成長する工程と；
（ｄ）  前記工程（ｂ）で形成された前記中間層上に、前記工程（ｃ）で形成された量子ドットを覆うように、前記半導体基板に対して格子整合する半導体層を、次の中間層としてエピタキシャル成長する工程とを含み；
前記工程（ｃ）および工程（ｄ）は、繰り返し、交互に実行され
前記工程（ｂ）および工程（ｄ）において、前記中間層の厚さは、自由成長した状態における前記量子ドットの高さよりも実質的に小さく設定されることを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（ｂ）および（ｄ）において、前記中間層の堆積に伴い、前記量子ドットの高さが減少し、前記中間層の厚さに実質的に等しくなることを特徴とする請求項１９記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記中間層の各々はＧａＡｓよりなり、前記中間層の各々は３ｎｍ以下、１ｎｍ以上の範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記中間層の各々は、約２〜３ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項２１記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記中間層の各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々は７．６ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
前記量子ドットの各々はＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂより選ばれ、前記中間層の各々はＧａＡｓよりなり、前記中間層の各々は８．７ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２５】
前記量子ドットの各々はＧａＩｎＳｂよりなり、前記中間層の各々はＧａＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々は４分子層分以下の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２６】
前記量子ドットの各々はＩｎＰよりなり、前記中間層の各々はＩｎＧａＰよりなり、前記複数の中間層の各々は５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２７】
さらに、前記複数の中間層の各々に形成された複数の量子ドットの各々を、隣接する中間層中の対応する量子ドットとアロイ化する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項１９〜２６のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２８】
前記工程（ｃ）および（ｄ）は２〜１０回の範囲で繰り返されることを特徴とする請求項１９〜２７のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置の製造方法。
【請求項２９】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有し、
前記整列した量子ドットは、互いに連結し、実効的に単一の量子ドットとして作用することを特徴とする量子半導体装置。
【請求項３０】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有し、
前記複数の量子ドットの各々は、直上の量子ドットと直接に接している、または数原子層の前記中間層を介して、略接していることを特徴とする量子半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に量子ドット構造を有する量子半導体装置およびその製造方法に関する。
キャリアの閉じ込めのない、いわゆるバルク半導体結晶では、キャリアの状態密度はエネルギと共に放物線的に、すなわち連続的に増大するが、半導体結晶中にキャリアを１次元的に閉じ込めたいわゆる量子井戸構造では量子準位が出現するため、状態密度が階段状に変化する。かかる階段状の状態密度を有する系では、キャリアの分布はバルク結晶の場合よりも制限されるため、かかる量子井戸構造を例えばレーザダイオード等の光半導体装置に適用した場合、バルク半導体結晶を使った場合よりも幅のせまい鋭いスペクトルが得られ、またレーザダイオード等の発光素子では発光効率が向上する。また、量子井戸構造は、ＲＨＥＴのような共鳴バリアを有する電子素子において、キャリアのエネルギフィルタとして使われている。
【０００２】
かかるキャリアの閉じ込めをさらに進めた量子細線構造では、キャリアの２次元的な閉じ込めの結果、状態密度は各階段の下端で最大になるように変化するため、キャリアのエネルギスペクトルはさらに鋭くなる。
キャリアの閉じ込めをさらに進めた究極的な量子ドット構造では、キャリアの３次元的な閉じ込めの結果、状態密度は離散的になり、これに伴い、キャリアのエネルギスペクトルは、各量子準位に対応して完全に離散的になる。かかる離散的なエネルギスペクトルを有する系では、系が室温等の熱的励起が存在するような状態にあってもキャリアの遷移が量子準位間で不連続に生じるため、例えば量子ドット構造を有する光半導体装置では、室温においても非常に鋭い発光スペクトルを得ることができる。また、かかる量子ドット構造をＲＨＥＴのような共鳴バリアを有する電子素子において、キャリアのエネルギフィルタとして使った場合も、低温のみならず、室温においても非常に鋭いエネルギスペクトルが得られる。
【０００３】
また、かかる量子ドット構造は、エネルギ緩和のボトルネック問題等、基礎物理学的な興味も持たれている。
【０００４】
【従来の技術】
従来、量子井戸構造は、ＭＢＥ法あるいはＭＯＶＰＥ法を使って一対のバリア層の間に非常に薄い量子井戸層を介在させることにより、比較的容易に、また確実に形成することが可能であった。また、量子細線構造については、階段構造を有するいわゆる傾斜半導体基板を使い、各階段の側縁に沿って厚さおよび幅の狭い半導体層を量子井戸層として成長させる方法、あるいは１次元量子井戸構造を電子ビームリソグラフィ等により形成する方法が提案されている。
【０００５】
そこで、量子ドット構造についても、このような傾斜基板上の段差あるいはキンクを使って形成することが考えられるが、かかる基板表面の段差の制御は困難であり、またかかる量子ドット界面においては元素の混合が生じやすく、界面における組成の急峻な変化が困難である等の問題点が存在する。また、リソグラフィ等のパターニングを使った場合、加工に伴う量子ドットへの実質的な損傷が避けられない。
【０００６】
これに対し、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の歪み系ヘテロエピタキシャル構造において、ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現するいわゆるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow) モード成長を利用することにより、基板上に相互に離間した島の形で量子ドット構造を形成することができることが知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上に、Ｉｎ組成が０．５程度の格子定数が大きく異なるＩｎＧａＡｓ層を数分子層、ＭＢＥ法により堆積することにより、直径が３０〜４０ｎｍのＩｎＧａＡｓの島がＧａＡｓ基板上に形成されることが報告されている（Leonard, D., et al., Appl. Phys. Lett. 63, pp.3203 - 3205, 1993)。また、ＡＬＥ法を使って直径が１５〜２０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓの島を、ＧａＡｓ基板上に、１００ｎｍ程度の間隔で形成できることが報告されている (Mukai, K., et al., Jpn. J. Appl. Phys., 33, pp.L1710 - L1712, 1994) 。さらに、ＭＯＶＰＥ法によっても、同様な量子ドットを形成できることが知られている（Oshinowo, J., et al., Appl, Phys. Lett. 65, (11), pp.1421 - 1423 (1994) 。
【０００７】
かかる歪み系ヘテロエピタキシャル構造における量子ドットの形成は、ヘテロ界面に生じる歪みエネルギに支配されるため、従来の量子ドット構造の形成に比べてはるかに簡単であり、また電子ビームリソグラフィ等によるパターニングを行なうわけでもないので、形成された量子ドットが製造プロセスにより損傷を受けることもない。かかる量子ドットに対してはフォトルミネッセンス（ＰＬ）も測定されており、１．２ｅＶ付近において、かなり広がったＰＬピークが生じるのが確認されている (Leonard, D., et al., op cit.) 。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来のＳ−Ｋモードを使った量子ドットでは、先にも説明したように、ＰＬ強度は比較的強いものの、そのスペクトル半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum) が典型的には８０〜１００ｍｅＶ程度の範囲に拡がってしまう問題が生じるが、これは量子ドットの大きさの制御が十分にできていないためであると考えられる。また、かかる量子ドットのＰＬ波長は１．１μｍ程度であり、光通信あるいは光情報処理で一般的に使われている１．３μｍ帯の波長よりも短波長側にずれているが、従来のＳ−Ｋモードの量子ドットでは、ＰＬ波長を必要に応じて設定することが困難であった。後ほど説明するように、量子ドットの大きさ自体は堆積温度を制御することである程度は制御することができるが、個々の量子ドットで大きさにかなりのばらつきが生じるのは避けられない。かかる量子ドットの大きさのばらつきが、ＰＬスペクトルの拡がりに結びついているものと考えられる。また、かかる従来の量子ドット構造では、発光に関与しない量子ドットもかなり含まれていると考えられる。
【０００９】
最近になって、 Farad  他 (Farad, S. et al., Appl. Phys. Lett. 68(7),  pp.991 - 993, February 12, 1996)は、ＩｎＰ基板上に格子整合して堆積されたＡｌＩｎＡｓバッファ層上のＩｎＡｓよりなるＳ−Ｋモード量子ドットについて、１．５μｍ帯のＰＬ波長を報告している。しかし、この報告においても、ＰＬスペクトルのＦＷＨＭは１１０ｍｅＶ以上あり、個々の量子ドットの波長制御に実質的な課題が残っていることを示している。
【００１０】
このように、従来のＳ−Ｋモードの量子ドットでは、応用上重要な１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯において鋭い発光ピークを得ることができず、実用的な光半導体装置を構成することができなかった。また、ＲＨＥＴのような電子装置においても同様な問題が生じていた。すなわち、従来のＳ−Ｋモードの量子ドットをこのようなＲＨＥＴの共鳴トンネルバリアとして使った場合、得られるエネルギフィルタの特性が悪く、所望の鋭い共鳴トンネル効果が得られない。
【００１１】
そこで、本発明は、前記の課題を解決した量子ドット構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供することを概括的目的とする。
本発明のより具体的な目的は、Ｓ−Ｋモードによりヘテロエピタキシャル構造上に形成される複数の量子ドットからなる量子半導体装置において、形成される量子準位を個々の量子ドットの大きさとは独立に設定できる量子半導体装置、およびかかる量子半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、互いに量子力学的に結合し、全体として所定のエネルギの離散的量子準位を形成する複数の量子ドットを含む量子半導体装置、およびかかる量子半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有し、
前記複数の中間層の各々は３ｎｍ以下、１ｎｍ以上の範囲の厚さを有することを特徴とする量子半導体装置により、または
請求項２に記載したように、
前記中間層の各々は、実質的に平坦な上主面を有することを特徴とする請求項１記載の量子半導体装置により、または
請求項３に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置により、または
請求項４に記載したように、
前記複数の中間層の各々は、約２〜３ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項３記載の量子半導体装置により、または
請求項５に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々は７．６ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置により、または
請求項６に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂより選ばれ、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々は８．７ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置により、
または
請求項７に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＧａＩｎＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々は４分子層分以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置により、または
請求項８に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々はＩｎＧａＰよりなり、前記複数の中間層の各々は５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置により、または
請求項９に記載したように、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットとアロイ化していることを特徴とする請求項１〜８のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置により、または
請求項１０に記載したように、
半導体基板と；
前記半導体基板上に形成された第１のクラッド層と；
前記第１のクラッド層上に形成され、量子構造を含む活性層と；
前記活性層上に形成された第２のクラッド層と；
前記半導体基板上に形成され、前記第１のクラッド層を介して第１の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第１の電極と；
前記第２のクラッド層上に形成され、前記第２のクラッド層を介して第２の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第２の電極とよりなる半導体発光装置において、
前記量子構造は：
前記半導体基板と格子整合する第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記第１および第２のクラッド層は、いずれも前記中間層を構成する第１の半導体結晶と実質的に等しい格子定数の半導体結晶よりなり、
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有し、
前記複数の中間層の各々は３ｎｍ以下、１ｎｍ以上の範囲の厚さを有することを特徴とする量子半導体装置により、または
請求項１１に記載したように、
前記中間層の各々は、実質的に平坦な上主面を有することを特徴とする請求項１０記載の量子半導体装置により、または
請求項１２に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする請求項１０または１１記載の量子半導体装置により、または
請求項１３に記載したように、
前記複数の中間層の各々は、約２〜３ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１２記載の量子半導体装置により、または
請求項１４に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々は７．６ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０または１１記載の量子半導体装置により、または
請求項１５に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂより選ばれ、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々は８．７ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０または１１記載の量子半導体装置により、または
請求項１６に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＧａＩｎＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々は４分子層分以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０または１１記載の量子半導体装置により、
または
請求項１７に記載したように、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々はＩｎＧａＰよりなり、前記複数の中間層の各々は５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１１または１２のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置により、または
請求項１８に記載したように、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットとアロイ化していることを特徴とする請求項１１〜１７のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置により、または
請求項１９に記載したように、
量子ドット構造を含む量子半導体装置の製造方法において、
（ａ）  半導体基板上に、前記半導体基板に対して歪み系を形成する量子ドットを、互いに孤立した成長島の形で、エピタキシャル成長する工程と；
（ｂ）  前記半導体基板上に、前記量子ドットを覆うように、前記半導体基板に対して格子整合する半導体層を、中間層としてエピタキシャル成長する工程と；
（ｃ）  前記中間層上に、前記半導体基板に対して歪み系を形成する量子ドットを、互いに孤立した成長島の形で、エピタキシャル成長する工程と；
（ｄ）  前記工程（ｂ）で形成された前記中間層上に、前記工程（ｃ）で形成された量子ドットを覆うように、前記半導体基板に対して格子整合する半導体層を、次の中間層としてエピタキシャル成長する工程とを含み；
前記工程（ｃ）および工程（ｄ）は、繰り返し、交互に実行され
前記工程（ｂ）および工程（ｄ）において、前記中間層の厚さは、自由成長した状態における前記量子ドットの高さよりも実質的に小さく設定されることを特徴とする量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２０に記載したように、
前記工程（ｂ）および（ｄ）において、前記中間層の堆積に伴い、前記量子ドットの高さが減少し、前記中間層の厚さに実質的に等しくなることを特徴とする請求項１９記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２１に記載したように、
前記量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記中間層の各々はＧａＡｓよりなり、前記中間層の各々は３ｎｍ以下、１ｎｍ以上の範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２２に記載したように、
前記中間層の各々は、約２〜３ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項２１記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２３に記載したように、
前記量子ドットの各々はＩｎＡｓよりなり、前記中間層の各々はＩｎＰよりなり、前記複数の中間層の各々は７．６ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２４に記載したように、
前記量子ドットの各々はＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂより選ばれ、前記中間層の各々はＧａＡｓよりなり、前記中間層の各々は８．７ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２５に記載したように、
前記量子ドットの各々はＧａＩｎＳｂよりなり、前記中間層の各々はＧａＳｂよりなり、前記複数の中間層の各々は４分子層分以下の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２６に記載したように、
前記量子ドットの各々はＩｎＰよりなり、前記中間層の各々はＩｎＧａＰよりなり、前記複数の中間層の各々は５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１９または２０記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２７に記載したように、
さらに、前記複数の中間層の各々に形成された複数の量子ドットの各々を、隣接する中間層中の対応する量子ドットとアロイ化する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項１９〜２６のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２８に記載したように、
前記工程（ｃ）および（ｄ）は２〜１０回の範囲で繰り返されることを特徴とする請求項１９〜２７のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置の製造方法により、または
請求項２９に記載したように、
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有し、
前記整列した量子ドットは、互いに連結し、実効的に単一の量子ドットとして作用することを特徴とする量子半導体装置により、または
請求項３０に記載したように、
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有し、
前記複数の量子ドットの各々は、直上の量子ドットと直接に接している、または数原子層の前記中間層を介して、略接していることを特徴とする量子半導体装置により、解決する。
【００１４】
以下、本発明の原理を説明する。
本発明の発明者は、先に、かかるＳ−Ｋモードの量子ドットが形成された量子ドット構造上に、前記量子ドットを埋め込むように、基板と格子整合する中間層を形成し、かかる中間層上にさらにＳ−Ｋモードで量子ドットを形成した場合、上層の量子ドットが下層の量子ドット上に整列する現象を発見した (Sugiyama, Y., et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35, Part 1, No.2B, pp.365 - 369, February, 1996)。かかる量子ドットの整列は、下層の量子ドットを埋め込んだ中間層中に前記量子ドットに対応して歪みが蓄積され、上層の量子ドットを構成する半導体層をかかる中間層上に堆積する際に、中間層のうち、かかる歪みが蓄積された部分に上層の量子ドットを構成する原子が集まるために生じるものと考えられる。
【００１５】
図１は、かかる量子ドットが基板主面に対して垂直方向に整列した積層量子構造の例を概略的に示す。
図１を参照するに、図示の積層量子構造３は、ＧａＡｓ基板１の（１００）面上に厚さ４００ｎｍで形成されたＧａＡｓバッファ層２上に形成され、前記バッファ層２上に繰り返し積層されたＧａＡｓ中間層３ａを含み、各々の中間層３ａ中には、ＩｎＡｓよるなる複数の量子ドット３ｂが、相互に離散して形成されている。
【００１６】
このようにしてＧａＡｓバッファ層２上に堆積されたＩｎＡｓ層は、層２に対して７％程度異なる格子定数を有するため、歪み系ヘテロエピタキシャル構造を形成する。かかる歪み系ヘテロエピタキシャル構造においてＩｎＡｓ層のエピタキシャル層を成長させる場合には、先にも説明したように、成長の初期にＳ−ＫモードによるＩｎＡｓの島状成長が生じ、その結果量子ドット３ｂを構成するＩｎＡｓの島が多数、前記バッファ層２の表面に形成される。
【００１７】
図示の構造では、さらにＧａＡｓ中間層３ａが島３ｂを埋めるようにさらに堆積され、島３ｂの形成および中間層３ａの堆積が繰り返される。各々の島３ｂは、典型的には２０ｎｍ程度の径と５ｎｍ程度の高さを有し、バンドギャップの大きい中間層３ａで囲まれることにより、キャリアを３次元的に閉じ込める量子ドットを形成する。
【００１８】
本発明の発明者は、先に、かかる量子ドットを含む中間層３ａを、図１に示すように繰り返し堆積することにより、量子ドット３ｂが基板１の主面に垂直な方向に整列する現象を発見した（Sugiyama, Y. et al., op cit.) 。これは、先にも説明したように、中間層３ａのうち、量子ドット３ｂを覆う部分には、格子不整合に伴う歪みが蓄積しており、従って第２層目、第３層目等の量子ドット３ｂを形成する際、下層の中間層３ａのうち、かかる下層の量子ドット３ｂを覆う部分に選択的にＩｎＡｓの島状成長が生じるためであると理解される。
【００１９】
一方、かかる積層量子構造では、図２に示すように、量子ドットの径が中間層の積層と共に増大する傾向が観察された。ただし、図２の例では、中間層３ａおよび量子ドット３ｂは、いずれもＭＢＥ法により、約５１０°Ｃの温度で形成している。
【００２０】
図２を参照するに、本発明の発明者が先に行なった実験（Sugiyama, Y., et al., op cit.)  におけるように、前記中間層３ａの厚さｄを１０ｎｍに設定した場合、次々に積層される量子ドット３ｂの径が積層が進むにつれて、単調に増大するのがわかる。これに対し、本発明者が新たに行なった、本発明の基礎となる実験では、前記中間層の厚さｄを、自由成長した量子ドットの高さ（５ｎｍ）よりも薄い３ｎｍに設定した場合、量子ドット３ｂの径は初めの５層程度までは、積層の繰り返しと共にわずかに増大するものの、それ以上積層しても径の増大は生じないことが発見された。また、中間層３ａの厚さｄを３０ｎｍ程度まで増大させた場合にも、かかる量子ドット３ｂの径の増大の問題は生じない。
【００２１】
図３は、かかる下側の中間層３ａ上に形成される量子ドット３ｂの単位面積あたりの個数、ないし量子ドット密度と、積層数との関係を示す。かかる量子ドット密度は、中間層３ａ上に供給されるＩｎおよびＡｓの量が一定に制御されている場合、個々の量子ドット３ｂの大きさが増大すると必然的に減少する。すなわち、図３に見られる傾向は、図２の関係と相補的になっていることがわかる。
【００２２】
図４は、中間層３ａを１０層積層した場合の、最上層の量子ドット３ｂの径と、中間層３ａの厚さとの関係を示す。
図４を参照するに、中間層３ａの厚さを１０ｎｍとした場合、量子ドット３ｂの径の増大は最も著しくなるのがわかる。この場合、１０層目において、量子ドット３ｂの径は４５ｎｍ近くに達する。また、これに対応して、図５に示す最上層の１０層目における量子ドット密度も、中間層３ａの厚さを１０ｎｍとした場合に最低になるのがわかる。
【００２３】
一方、図４より、中間層３ａの厚さを５ｎｍ以下、特に３ｎｍ以下にすると、量子ドットの径の増大は実質的に抑制されることがわかる。また、図５は、中間層３ａの厚さを５ｎｍ以下、特に３ｎｍ以下にした場合、量子ドット密度の減少が抑止されることを示す。また、先に図２で示されたように、中間層３ａの厚さを３ｎｍ以下にすると、積層を重ねても、量子ドット３ｂの径は、それ以上増大しない。
【００２４】
以上の結果は、図１に示す積層量子構造３において、中間層３ａの厚さを３ｎｍ以下に設定することにより、下層の量子ドット３ｂに整列して確実に上層の量子ドット３ｂが形成されることを示す。このような場合、中間層３ａの厚さはキャリアのＢｏｈｒ半径（ＧａＡｓでは１２ｎｍ）よりも実質的に小さいため、下層の量子ドット３ｂ中のキャリアの波動関数は上層の量子ドット３ｂ中に進入し、またその逆も真で、下層の量子ドット３ｂと上層の量子ドット３ｂとの間に量子力学的な結合が形成される。換言すると、積層量子構造３中において、基板主面に対して略垂直方向に整列した一連の量子ドット３ｂは、全体に拡がった波動関数を有し、互いに連結した、実効的に単一の量子ドットとして作用する。
【００２５】
一方、中間層３ａの厚さが約１０ｎｍである場合、図３あるいは図５に示すように、量子ドット密度が下層と上層とで異なってしまい、下層の量子ドット３ｂと上層の量子ドット３ｂとが、完全には対応しなくなる。
図６は、図１の積層量子構造３を示す平面ＴＥＭ写真である。
【００２６】
図６よりわかるように、個々の量子ドット３ｂは略円形ないしディスク状に形成され、ほぼ一様な間隔で、互いに分散して形成されている。また、個々の量子ドット３ｂの大きさは余り大きくは変化していないように見える。
図７（Ａ）〜（Ｄ）は、図１の積層量子構造３において、中間層３ａの厚さｄを３ｎｍとした場合の、それぞれ１層目、３層目、５層目および１０層目に形成された量子ドット３ｂのＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像を示す。すなわち、図７（Ａ）〜（Ｄ）は図２において、厚さｄを３ｎｍに設定した場合に対応する。
【００２７】
図７（Ａ）〜（Ｄ）を参照するに、図７（Ａ）に示す１層目の量子ドット３ｂは、図７（Ｂ）〜（Ｄ）に示す３層目以降の量子ドット３ｂよりもわずかに小さく、またその数も多いが、量子ドット３ｂの大きさおよび密度は、３層目の積層以降はほとんど変化しないことがわかる。
【００２８】
これに対し、図８（Ａ）〜（Ｄ）は、中間層３ａの厚さｄを１０ｎｍとした場合の、それぞれ１層目、３層目、５層目および１０層目に形成された量子ドット３ｂのＡＦＭ像を示す。すなわち、図８（Ａ）〜（Ｄ）は、図２において、厚さｄを１０ｎｍに設定した場合に対応する。
【００２９】
図８（Ａ）〜（Ｄ）よりわかるように、形成される量子ドット３ｂの大きさは、積層の進行と共に増大し、それに伴い量子ドットの密度は減少する。従って図８（Ｄ）に示す１０層目の単一の量子ドットに対して、図８（Ａ）に示す１層目では、複数の量子ドットが対応するような場合が生じ、これらの量子ドットが、中間層３ａを隔てて量子力学的な結合を生じた場合、非常に複雑な構造が形成されることになる。
【００３０】
図９は、中間層３ａの厚さを２ｎｍとして量子ドット３ｂを５層積層した場合の積層量子構造３の詳細を示す断面ＴＥＭ写真、また図１０は、中間層３ａの厚さを３ｎｍとして量子ドット３ｂを５層積層した場合の積層量子構造３の詳細を示す断面ＴＥＭ写真である。
【００３１】
中間層の厚さを、自由成長した量子ドットの高さよりも小さく設定した系では、量子ドットは中間層を突き抜けることが予測されるが、実際に得られた構造では、以上のＴＥＭ写真よりわかるように、中間層は平坦な上主面を維持していることが観察される。これは、中間層の堆積に伴って、量子ドットが変形し、高さが減少することを意味する。また、これに伴い、量子ドットの高さは中間層の厚さに実質的に等しくなる。さらに、このような構造では、量子ドットは、その直上の量子ドットと直接に接触している可能性がある。
【００３２】
また、図９，１０よりわかるように、上層の量子ドット３ｂは、対応する下層の量子ドット３ｂに対して、一対一の関係で、上下に整列しているのがわかる。また、このように中間層３ａの厚さを３ｎｍあるいは２ｎｍまで減少させても、上下に整列した量子ドット３ｂは互いに完全に融合することはなく、積層構造を保持することがわかる。また、このように中間層３ａの厚さを量子ドット３ｂの高さに略等しく設定した系では、仮に量子ドット３ｂが直上の量子ドット３ｂと直接に接触せず、間に１〜２原子層の中間層３ａが存在しても、かかる中間層３ａのうち量子ドット３ｂを覆う部分の結晶構造は、量子ドット３ｂの結晶構造に対応して著しく変形される。かかる結晶構造の変形の結果、中間層３ａは通常の量子井戸層におけるようなクローニッヒ・ペニー型のポテンシャルバリアは形成せず、これに伴い、前記垂直方向に整列した一連の量子ドット３ｂは、キャリアがポテンシャルバリアを通過するトンネル効果がなくても、実効的に単一の量子ドットを形成するものと考えられる。また、このような中間層３ａの結晶構造の著しい変形の結果、上層の量子ドット３ｂと下層の量子ドット３ａの大きさが、先に見たように揃うものと考えられる。
【００３３】
図１１は、図１の積層量子構造３において、中間層３ａおよび量子ドット３ｂを５層積層した構造について、７７Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを測定した結果を示す。
図１１を参照するに、量子ドット３ｂを１層積層しただけの構造では、ＰＬスペクトル強度は低く、また非常に拡がっており、個々の量子ドット３ｂの大きさにかなりのばらつきがあることが示唆される。
【００３４】
これに対し、中間層３ａおよび量子ドット３ｂを５層積層した場合には、ＰＬスペクトル強度は非常に高くなり、また、ピーク波長もやや低エネルギ側にシフトする。これは、積層された複数の量子ドット３ｂが量子力学的に結合して実効的に単一の量子ドットを形成することを示唆するが、中間層３ａの厚さを２０ｎｍあるいは６ｎｍ程度に設定した場合、ＰＬピークの幅はかなり拡がってしまう。
【００３５】
一方、図１１は、中間層３ａの厚さを３ｎｍあるいは２ｎｍまで減少させると、ＰＬピークがさらに大きく低エネルギ側にシフトし、またピーク幅が非常に狭くなることを示している。すなわち、このように中間層３ａの厚さを、対応する量子ドット３ｂの高さに匹敵する程度、あるいはそれ以下に減少させることにより、上下に積層した量子ドット３ｂ相互の量子力学的結合がさらに進行することが示唆される。
【００３６】
図１２は、中間層３ａの厚さを３ｎｍとした場合のＰＬスペクトルと、量子ドット３ｂの積層数との関係を示す。
図１２を参照するに、中間層３ａの厚さを３ｎｍとした場合、３回の積層で、すでに非常に鋭いＰＬピークが、約１．１３ｅＶのエネルギにおいて得られるのがわかる。積層回数を増やして５回とした場合、ＰＬピークはさらに高くなり、より低エネルギ側、すなわち長波長側にシフトする。これは、積層を繰り返すことにより互いに量子力学的に結合した複数の量子ドット３ｂにより形成される実効的に単一の量子ドットの大きさが、増大する結果であると考えられる。
【００３７】
図１３は、図１に示す積層量子構造３において、量子ドット３ｂを５層積層した場合について、得られたＰＬピークの半値幅（ＦＷＨＭ；Full Width at Half Maximum）を、中間層３ａの厚さｄの関数として示す。
図１３よりわかるように、ＰＬピークの半値幅は中間層３ａの厚さを２〜３ｎｍ程度にした場合に最小になり、垂直に整列した量子ドット３ｂ間に非常に効率の高い量子力学的結合が生じることが示される。一方、中間層３ａの厚さをさらに薄くして１ｎｍ程度にすると、前記半値幅は逆に増大することがわかる。
【００３８】
以上の結果をまとめると、図１に示す積層量子構造３において、中間層３ａの厚さを量子ドット３ｂの高さに略等しくなるように設定することにより、垂直方向に整列した量子ドット３ｂの大きさが一様に揃い、また整列した量子ドット３ｂ間に強い量子力学的な結合が形成される。このような場合、量子ドット３ｂの大きさは積層を繰り返しても実質的に変化せず、従ってかかる積層を繰り返すことにより、実効的に単一の、任意の大きさの量子ドットを形成することができる。
【００３９】
図１４は、量子ドット３ｂを堆積する際の基板温度と得られる量子ドット３ｂの径との関係を示す。
図１４を参照するに、形成される量子ドット３ｂの径は、白丸で示すように基板温度と共に増大する傾向があり、またこれに伴って中間層上の量子ドット密度は基板温度と共に減少する。すなわち、量子ドット３ｂを形成する際の基板温度を制御することにより、量子ドット３ｂの大きさもある程度制御可能である。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好ましい実施例について、詳細に説明する。
図１５は、本発明の第１実施例による発光ダイオード２０の構成を示す。
図１５を参照するに、発光ダイオード２０は、（１００）面で画成されたｎ+ 型ＧａＡｓ基板２１上に形成され、前記ＧａＡｓ基板２１上に典型的には４００〜５００ｎｍの厚さで堆積されたｎ+ 型ＧａＡｓバッファ層２２と、前記バッファ層２２上に、典型的には３００ｎｍの厚さで形成されたｎ+ 型ＡｌＧａＡｓよりなる下側クラッド層２３と、前記クラッド層２３上に典型的には１００ｎｍの厚さに形成されたｎ型ＧａＡｓよりなる下側導波層２４とを含む。さらに、導波層２４上には、積層量子構造の一部を構成する非ドープＧａＡｓ層２５が、２０ｎｍの厚さに形成される。
【００４１】
層２２〜２５は、例えばＭＢＥ法により、６２０°Ｃの基板温度で形成される。その際、堆積した層からのＡｓの離脱を防ぐため、堆積を行なう反応容器内のＡｓ圧を６×１０-6Ｔｏｒｒに設定するのがよい。
層２５が形成された後、Ｇａの供給を遮断して基板温度を例えば５１０°Ｃまで下げる。さらに、前記５１０°Ｃの基板温度において前記反応容器中にＩｎの分子ビームを導入し、１．８分子層分の非ドープＩｎＡｓ層を、前記ＧａＡｓ層２５上に堆積する。かかる堆積に引き続きさらに約３０秒間のアニールを行うことにより、先にも説明したように、堆積されたＩｎＡｓは、ＧａＡｓ層２５上において、径が約２０ｎｍ、高さが約５ｎｍの、相互に離間した成長島２６ｂを形成する。図１４参照。
【００４２】
このようにして第１層目のＩｎＡｓ島２６ｂが形成された後、前記ＧａＡｓ層２５上には、前記ＩｎＡｓ島２６ｂを覆うように、厚さが２〜３ｎｍの非ドープＧａＡｓよりなる第１層目の中間層２６ａを堆積する。かかる堆積の結果、厚さが２〜３ｎｍのＧａＡｓ層２６ａ中に径が約２０ｎｍ、高さが約２〜３ｎｍのＩｎＡｓ量子ドット２６ｂが分散した量子構造が得られる。かかる中間層２６ａの堆積に伴い、先に自由成長していたＩｎＡｓ島２６ｂは変形し、高さが中間層２６ａの厚さに実質的に等しい２〜３ｎｍに減少する。
【００４３】
さらに、前記ＩｎＡｓ島２６ｂの形成と前記中間層２６ａの堆積を例えば４回繰り返し、ＩｎＡｓ島２６ｂが上下に整列した積層量子構造２６が、図１の積層量子構造３の場合と同様に得られる。かかる堆積の繰り返しの結果、積層量子構造２６は、約２０ｎｍの厚さに形成される。積層量子構造２６は、発光ダイオードの活性層を形成する。
【００４４】
このような、中間層２６ａの厚さが自由成長したＩｎＡｓ島２６ｂの高さよりも小さい積層量子構造２６では、量子ドット２６ｂは、直上の別の量子ドット２６ｂと直接に接している可能性がある。ただし、この場合でも、量子ドット２６ｂと直上の別の量子ドット２６ｂとが融合してしまうことはなく、積層量子構造２６の積層構造は維持される。また、量子ドット２６ｂと直上の別の量子ドット２６ｂとの間に１〜数原子層のＧａＡｓが介在している可能性もある。
【００４５】
図１の発光ダイオードでは、さらに前記積層量子構造２６上に非ドープＧａＡｓ層２７が堆積され、その上にｐ型ＧａＡｓよりなる上側導波層２８およびｐ+ 型ＡｌＧａＡｓよりなる上側クラッド層２９が、それぞれ１２０ｎｍおよび３００ｎｍの厚さに形成され、さらに層２９上にｐ+ 型ＧａＡｓよりなるキャップ層３０が、５０ｎｍの厚さに形成される。層２７〜３０の形成も、ＭＢＥ法により行なえばよい。
【００４６】
さらに、このようにして形成された積層半導体構造に対して、前記ＧａＡｓバッファ層２２が露出するまでメサエッチングを行い、形成されたメサ構造上にＳｉＮ等の保護膜３３を形成した後、バッファ層２２上に電極３１を、また前記キャップ層３０上に電極３２を形成する。
【００４７】
かかる構成の発光ダイオードでは、互いに量子力学的に結合した量子ドット２６ｂが基板主面に垂直に整列し、７７Ｋにおいて約１．１ｅＶの波長の非常に鋭い発光スペクトルを生じる。
図１６は、本発明の第２実施例による端面発光型レーザダイオード４０の構成を示す縦断面図である。ただし、図１６中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。またレーザダイオード４０の横断面図は、図１５のものと実質的に同じであるので省略する。
【００４８】
図１６を参照するに、レーザダイオードの対向する端面には高反射率ミラーＭおよび低反射率ミラーＡＲが形成され、その結果、前記積層量子構造２６はレーザダイオードの光共振器を形成する。すなわち、垂直に整列した量子ドット２６ｂにより形成された光は前記光共振器を往復する際に誘導放出により増幅され、コヒーレント光となって前記低反射率ミラーＡＲが設けられた端面から出射する。
【００４９】
また、図示は省略するが、前記クラッド層３１と光導波層との間に回折格子を形成してもよい。この場合は、レーザダイオード４０はいわゆるＤＦＢレーザダイオードとなる。
図１７は、本発明の第３実施例による面発光型レーザダイオード５０の構成を示す断面図である。ただし、図１６中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５０】
面発光型レーザダイオード５０では、電極３２がリング状に形成され、露出したＧａＡｓキャップ層３０の表面には反射防止膜ＡＲが形成される。また、ＧａＡｓ層２４およびＧａＡｓ層２８の代わりに、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを交互に積層しミラーとして作用する層２４’，２８’が形成され、層２４’と層２８’との間に、垂直な光共振器が形成される。一般に、層２８’の積層数は、層２４’の積層数よりも少なくする。
【００５１】
かかる構成では、垂直に整列した量子ドット２６ｂにより形成された光は、前記光共振器を基板に垂直な方向に往復する際に誘導放出により増幅され、コヒーレント光となって、前記反射防止膜ＡＲが設けられたキャップ層３０の上主面より出射する。
【００５２】
図１８は、本発明の第４実施例によるＲＨＥＴ６０の構成を示す。
図１８を参照するに、ＲＨＥＴ６０は、半絶縁性ＧａＡｓ基板６１の（１００）面上に形成され、前記基板６１上に形成された非ドープＧａＡｓよりなるバッファ層６２と、前記バッファ層６２上に形成されたｎ型コレクタ層６３と、前記コレクタ層６３上に形成された非ドープＡｌＧａＡｓよりなるバリア層６４とを含み、コレクタ層６３上にはコレクタ電極６３Ａが形成される。
【００５３】
コレクタ層６４上には、ｎ型ＧａＡｓよりなるベース層６５が形成され、さらにベース層６５上には、非ドープＡｌＡｓよりなるバリア層６６1 を介して、図１に示したと同様な構成の積層量子構造６６が、共鳴トンネルバリア構造として形成される。すなわち、積層量子構造６６は、非ドープＩｎＡｓ成長島よりなる量子ドット６６ｂと、前記量子ドットを覆う非ドープＡｌＧａＡｓ中間層６６ａとよりなる単位層を繰り返し積層した構造を有し、量子ドット６６ｂは基板に略垂直な方向に整列する。
【００５４】
さらに積層量子構造６６上には、非ドープＡｌＡｓよるなる別のバリア層６６2 を介して、ｎ+ 型ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ＝０．０５）よりなるエミッタ層６７が形成され、さらにエミッタ層６７上にはｎ+ 型ＧａＡｓよりなるキャップ層６８が形成される。また、前記ベース層６５の一部には、ベース電極６５Ａが、また前記キャップ層６８にはエミッタ電極６８Ａが形成される。
【００５５】
かかる構成のＲＨＥＴでは、垂直方向に整列した量子ドット６６ｂが量子力学的に結合して実効的に単一の量子ドットを形成するため、非常に鋭い共鳴トンネル特性が得られ、従ってエミッタ層６７からベース層６５に注入され、さらにコレクタ層６３に到達するキャリアの流れを、バリア層６４が形成するポテンシャルバリアにより、高い精度でオンオフ制御することができる。
【００５６】
以上の各実施例で説明した積層量子構造において、さらにアニール処理を施し、垂直に整列した量子ドットを実際に融合させてしまうことも可能である。
図１９は、図１５の実施例において、このようなアニールを行なった場合に得られる本発明の第４実施例による発光ダイオード２０’の構造を示す。かかる構造では、量子ドット２６ｂが融合して物理的に単一の量子ドット２６ｂ’が形成されるが、かかる量子ドット２６ｂ’が共鳴するエネルギスペクトルはさらに鋭くなると考えられる。かかるアニールは、例えば８００°Ｃで１分間行なえばよい。ただし、図１９中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明は省略する。
【００５７】
図２０は、本発明の第６実施例による共鳴トンネルダイオード７０の構成を示す図である。
図２０を参照するに、共鳴トンネルダイオード７０は、（１００）面を有するｎ+ 型ＧａＡｓ基板７１上に構成され、基板７１上には厚さが３００ｎｍ，キャリア密度が５×１０18ｃｍ-3のｎ+ 型ＧａＡｓバッファ７２と、厚さが５ｎｍの非ドープＧａＡｓスペーサ層７３と、厚さが２ｎｍの非ドープＡｌＡｓ層７４とが、順次形成される。さらに、前記ＡｌＡｓ層７４上には、ＳＫモードにより形成された非ドープＩｎＡｓよりなる高さが５ｎｍの成長島７５ａを厚さが３ｎｍの非ドープＧａＡｓ中間層７５ｂで埋め込んだ構造を７層繰り返した積層量子構造７５が形成される。先にも説明したように、中間層７５ｂを堆積する際に、ＩｎＡｓ成長島７５ａは変形し、高さが中間層７５ｂの厚さに実質的に等しくなる。かかる積層量子構造７５では、ＩｎＡｓ島７５ａは垂直に整列し、量子力学的に結合することにより、より大きな量子ドット７５Ａを形成する。
【００５８】
このようにして形成された積層量子構造７５上には、さらに厚さが２ｎｍの非ドープＡｌＡｓ層７６を隔てて別の同様な積層量子構造７７が形成される。さらに、前記積層量子構造７７上には、厚さが２ｎｍの別の非ドープＡｌＡｓ層７８および厚さが５ｎｍの非ドープＧａＡｓよりなるスペーサ層７９が順次堆積され、さらにキャリア密度が２×１０19ｃｍ-3のｎ+ 型ＧａＡｓよりなるコンタクト層８０が、５０ｎｍの厚さに堆積される。
【００５９】
このようにして形成された半導体積層構造体は、さらにエッチングによりメサ構造が形成され、メサ構造最上部のコンタクト層８０上には上部電極８１が、また基部を形成するバッファ層７２上には下部電極８３が形成される。さらに、メサ構造の側壁部にはＳｉＯ2 絶縁膜８２が保護膜として堆積される。
【００６０】
図２１は、図２０の共鳴トンネルダイオードの動作を説明する図である。
図２１を参照するに、図２０に示したＡｌＡｓ層７４，７６，７８がポテンシャルバリアを形成し、量子ドット構造７５，７７の各々には、基底準位および高次の励起状態に対応する複数の量子準位が形成されているのがわかる。
【００６１】
図２１は、図２０の構造中の電極８１および８２に直流電圧Ｖを印加した状態を示しており、これに伴って積層量子構造７５の基底準位および積層量子構造７７の１次励起準位がｎ+ 型ＧａＡｓ層７２のフェルミ準位Ｅｆに一致しているのがわかる。かかる共鳴状態では、ＧａＡｓ層７２から供給される電子は、積層量子構造７５および７７をホットエレクトロンとして通過し、ＧａＡｓ層８０に到達する。これに対し、図２１のバイアス状態を変化させると、共鳴状態は消失し、電子の通過は阻止される。
【００６２】
図２２は、図２０の共鳴トンネルダイオード７０の動作特性を示す。
図２２を参照するに、かかる積層量子構造７５，７７は、量子ドット７５Ａにおけるキャリアの３次元閉じ込めに伴い、各量子準位においていわゆるδ関数的な鋭い状態密度を示し、量子準位を外れると、許容される状態が実質的にゼロになる。このため、共鳴トンネルダイオード７０では、量子構造として図２２に破線で示した特性を示す２次元のキャリア閉じ込めを行なう量子細線を使った場合に比べて、オフ時におけるリーク電流を実質的にゼロにすることが可能である。
【００６３】
図２３Ａは、積層量子構造７５，７７において、積層数を５、堆積温度を５１０°Ｃ，中間層７５ｂの厚さを２ｎｍとした場合のＰＬスペクトルを示す。ただし、ＰＬスペクトルの測定は７７°Ｋにおいて、Ａｒレーザを照射しながら行なった。
【００６４】
図２３Ａよりわかるように、Ａｒレーザの出力を増大させると、図２１に示したエネルギ準位に対応して、エネルギ的に等間隔に並んだ複数のＰＬピークが出現することがわかる。
図２３Ｂは、積層量子構造７５，７７において、堆積温度を５２５°Ｃ，中間層の厚さを３ｎｍとした場合のＰＬスペクトルを示す。
【００６５】
図２３Ｂにおいても、図２３Ａと同様な複数のＰＬピークが観測されるが、ピーク間隔が図２３Ａの場合よりも狭まっていることがわかる。これは、堆積温度および中間層の厚さ、さらには積層数を変えることにより、形成される量子準位の間隔を制御することが可能であることを意味している。図２０の実施例では、図２１Ｂに示すように、量子準位間隔を縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギｈ／２π・ωLOに等しく設定してあるが、これは以下に図２４を参照しながら説明するように、励起準位から基底準位への遷移を高速で行なうためである。
【００６６】
図２４を参照するに、本発明の各実施例において使われる量子ドット構造では、先にも説明したように、δ関数的な非常に鋭い形状の状態密度が、量子準位に対応するエネルギにおいて、離散的に出現する。このような３次元的なキャリアの閉じ込めが生じている系では、一の準位と隣接する準位の中間に許容されるキャリアの状態が存在しないため、キャリアの遷移は生じにくい。これは、エネルギ緩和のボトルネック問題として知られている。
【００６７】
本発明では、量子半導体装置の動作速度を向上させるため、量子準位の間隔を、半導体結晶中におけるＬＯフォノンのエネルギに等しく設定する。その結果、キャリアはＬＯフォノンを吸収あるいは放出することにより、容易に一の状態から他の状態に遷移することが可能になる。
【００６８】
以上の説明は、図２０の共鳴トンネルダイオード７０を例にして行なったが、先に説明した全ての実施例に対しても有効である。
以上の各実施例では、ＧａＡｓ層上に形成されたＩｎＡｓの島により形成される量子ドットを考えたが、本発明は、かかる特定の材料の組み合わせに限定されるものではなく、歪みヘテロエピタキシャル系を形成する他の半導体材料の組み合わせを使うことも可能である。
【００６９】
例えば、図１５の構成において、中間層２６ａをＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓとし、量子ドット２６ｂをＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓとしてもよい。また、中間層２６ａをＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰとし、量子ドット２６ｂをＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＳｂあるいはＩｎＧａＳｂとしてもよい。
【００７０】
前記量子ドット２６ｂをＩｎＡｓより構成し、前記中間層２６ａをＩｎＰより構成する場合、自由成長状態において量子ドット２６ｂは７．６ｎｍの高さを有し、従って、中間層２６ａは７．６ｎｍ以下の厚さ、例えば４分子層以下の厚さを有するのが好ましい。前記量子ドット２６ｂをＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂのいずれかより形成し中間層２６ａをＧａＡｓより形成する場合には、量子ドット２６ｂは自由成長状態において８．７ｎｍの高さを有し、従って中間層２６ａは８．７ｎｍ以下の厚さ、例えば４分子層以下の厚さを有するのが好ましい。さらに、前記量子ドット２６ｂをＧａＩｎＳｂより形成し中間層２６ａをＧａＳｂＧａＳｂより形成する場合は、中間層２６ａは４分子層分以下の厚さを有するのが好ましい。また。量子ドット２６ｂをＩｎＰより形成し、中間層２６ａをＩｎＧａＰより形成する場合、前記量子ドット２６ｂは自由成長状態において５ｎｍの高さを有し、従って中間層２６ａは５ｎｍ以下の厚さ、例えば２分子層の厚さを有するのが好ましい。
【００７１】
また、以上に説明した各実施例において、中間層の組成は、基板との格子定数のずれが７％以下になるように設定するのが好ましい。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の特徴によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子半導体装置あるいは半導体発光装置において、前記量子構造を第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と、各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに対応する高さを有する複数の量子ドットとにより構成し、その際前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列させ、前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定することにより、前記整列した量子ドットが互いに量子力学的に結合し、実効的に単一の量子ドットを形成する。
【００７３】
その際、特に本発明の特徴によれば、前記複数の中間層の各々の厚さを、自由成長した場合の前記量子ドットの高さよりも小さく設定することにより、下層の量子ドットと上層の量子ドットとがほぼ１対１に対応し、前記整列した量子ドット間の量子力学的な結合が実質的に向上し、非常に鋭いエネルギスペクトルを特徴とする量子準位が実現される。
【００７４】
特に本発明の特徴によれば、前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットを、隣接する中間層中の対応する量子ドットとアロイ化することにより、単に実効的に同一であるのみならず、実際にも単一の量子ドットが形成される。
【００７５】
さらなる本発明の特徴によれば、自由成長した量子ドット上に、かかる自由成長した量子ドットの高さよりも小さい厚さの中間層を堆積することにより、量子ドットが変形し、中間層の厚さに実質的に等しい高さを有するようになる。かかる構造を繰り返し形成することにより、下層の量子ドットと上層の量子ドットとが力学的および量子力学的に結合し、上下に整列し、単一の量子ドットとして作用する量子ドットの列が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す図である。
【図２】図１の構成において、量子ドットの径と積層数との関係を示す図である。
【図３】図１の構成において、量子ドット密度と積層数との関係を示す図である。
【図４】図１の構成において、量子ドットの径と中間層の厚さとの関係を示す図である。
【図５】図１の構成において、量子ドット密度と中間層の厚さとの関係を示す図である。
【図６】本発明による量子ドットを示す平面ＴＥＭ写真の図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｄ）は、中間層の厚さを３ｎｍとした場合における積層の進行に伴う量子ドット径および密度の変化を示すＡＦＭ写真の図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｄ）は、中間層の厚さを１０ｎｍとした場合における積層の進行に伴う量子ドット径および密度の変化を示すＡＦＭ写真の図である。
【図９】中間層の厚さを２ｎｍとした場合の量子ドットの整列状態を示す断面ＴＥＭ写真の図である。
【図１０】中間層の厚さを３ｎｍとした場合の量子ドットの整列状態を示す断面ＴＥＭ写真の図である。
【図１１】垂直に整列した量子ドットのＰＬスペクトルを示す図である。
【図１２】垂直に整列した量子ドットのＰＬスペクトルを示す別の図である。
【図１３】中間層の厚さとＰＬスペクトルの鋭さの関係を示す図である。
【図１４】堆積温度と量子ドットサイズおよび密度の関係を示す図である。
【図１５】本発明の第１実施例による発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図１６】本発明の第２実施例による端面発光型レーザダイオードの構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の第３実施例による面発光型レーザダイオードの構成を示す断面図である。
【図１８】本発明の第４実施例によるＲＨＥＴの構成を示す断面図である。
【図１９】本発明の第５実施例による発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図２０】本発明の第６実施例による共鳴トンネルダイオードの構成を示す断面図である。
【図２１】図１９の共鳴トンネルダイオードの動作原理を説明するバンド構造図である。
【図２２】図１９の共鳴トンネルダイオードの動作特性を示す図である。
【図２３】（Ａ），（Ｂ）は堆積条件を変えて形成した積層量子構造のＰＬスペクトルを示す図である。
【図２４】本発明の積層量子構造における高次の励起状態、および、状態間の遷移を促進する構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，６１，７１  基板
２，２２，６２，７２  バッファ層
３，２６，６６，７５，７７  積層量子構造
３ａ，２６ａ，６６ａ，７５ｂ  中間層
３ｂ，２６ｂ，２６ｂ’，６６ｂ，７５ａ，７５Ａ  量子ドット
２０  発光ダイオード
２３，２９  クラッド層
２４，２８  導波層
２４’，２８’  反射層
２５，２７  非ドープ層
３０，６８  キャップ層
３１，３２，８１，８３  電極
３３  保護膜
４０  端面発光型レーザダイオード
５０  面発光型レーザダイオード
６０  ＲＨＥＴ
６３  コレクタ層
６３Ａ  コレクタ電極
６４  バリア層
６５  ベース層
６５Ａ  ベース電極
６６1 ，６６2   共鳴トンネルバリア層
６７  エミッタ層
６８Ａ  エミッタ電極
７０  共鳴トンネルダイオード
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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