(57)【要約】  半導体装置の製造方法は、温度３００Ｋにおいて、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ以上となる半導体装置の製造方法である。該製造方法は、半導体基板（１１０）上に、ＧａＡｓを含んでなるバッファ層（１２０）を形成する第１形成工程と、形成されたバッファ層上に、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドット（１３１）を自己形成させる第２形成工程と、形成された量子ドットを覆うように、ＧａＡｓを含んでなるキャップ層（１４０）を形成する第３形成工程とを備える。第２形成工程において量子ドットを自己形成させる際の温度である第１成長温度よりも、第３形成工程においてキャップ層を形成する際の温度である第２成長温度が低い。
2011010389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度３００Ｋにおいて、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ以上となる半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に、ＧａＡｓを含んでなるバッファ層を形成する第１形成工程と、
前記形成されたバッファ層上に、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットを自己形成させる第２形成工程と、
前記形成された量子ドットを覆うように、ＧａＡｓを含んでなるキャップ層を形成する第３形成工程と
を備え、
前記第２形成工程において前記量子ドットを自己形成させる際の温度である第１成長温度よりも、前記第３形成工程において前記キャップ層を形成する際の温度である第２成長温度が低い
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１成長温度は、前記ピーク波長が長波長化するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１成長温度は、４９０℃以上５３０℃以下であり、
前記第２形成工程における前記量子ドットの成長速度は、０．０２ＭＬ／ｓ以上０．４ＭＬ／ｓ以下であり、
前記第２成長温度は、４２０℃以上４８０℃以下であり、
前記第３形成工程における前記キャップ層の成長速度は、０．１ＭＬ／ｓ以上０．５ＭＬ／ｓ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第２形成工程におけるＡｓ分子線の照射量は、１×１０−５Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２形成工程の後、前記第３形成工程の前に、前記半導体基板の温度を、２０℃／ｍｉｎ以上３５℃／ｍｉｎ以下で降温する降温工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記形成された量子ドットの直径は、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、
前記形成された量子ドットの高さは、１５ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法により形成された量子ドットを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
温度３００Ｋにおいて、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ以上１．３μｍ以下となる半導体装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層と
を備え、
前記活性層は、
ＧａＡｓを含んでなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように形成され、ＧａＡｓを含んでなるキャップ層と
を含み、
前記量子ドットの少なくとも一部の体積は、８００ｎｍ３以上３０００ｎｍ３以下である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記キャップ層の厚さは、前記量子ドットの高さよりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に形成された量子ドットを含む半導体装置の製造方法、及び該製造方法により製造された半導体装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の製造方法により製造された半導体装置として、ＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）基板を備える半導体装置が存在する。また、この種の製造方法により製造された半導体装置は、例えば光ファイバ伝送に適用される。ここで、光ファイバ伝送では、１２５０ｎｍ（ナノメートル）〜１６５０ｎｍの波長の光を放射する半導体装置が要求される。このため、この種の製造方法では、例えば１２００ｎｍ以上の波長の光を放射するＧａＡｓ基板を備える半導体装置を製造することが図られる。【０００３】
例えば特許文献１には、ＧａＡｓ層の上に、ＩｎＡｓ（インジウム・ヒ素）を、平均的に１秒間に０．００２ＭＬ（Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ：単分子層）の供給量で供給して量子ドットを形成し、該量子ドットを覆うようにＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．１≦ｘ≦０．１７）を含む第１のキャリア閉じ込め層を形成し、該第１のキャリア閉じ込め層の上に、ＧａＡｓを含む第２のキャリア閉じ込め層を形成する製造方法が記載されている。【０００４】
或いは、特許文献２には、ＧａＡｓ基板上に、５８０℃でＧａＡｓバッファ層を形成し、該バッファ層上に、５００℃で、１秒間に０．０１５ＭＬの成長速度で、ＩｎＡｓの量子ドットを形成し、５００℃でＧａＡｓキャップ層を形成した後に、５８０℃で焼きなましをする製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１０４２５号公報
【特許文献２】特表２００５−５３４１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＩｎＡｓの供給量の制御が困難であり、十分な再現性を確保することが困難になる可能性があるという技術的問題点がある。また、特許文献２に記載の技術では、焼きなましに起因して、Ｉｎがキャップ層内に拡散し、量子ドットの量子閉じ込め効果が減少する可能性があるという技術的問題点がある。【０００７】
本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、再現性の向上及び量子閉じ込め効果の向上を図ることができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体装置の製造方法は、上記課題を解決するために、温度３００Ｋ（ケルビン）において、ＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光のピーク波長が１．２μｍ（マイクロメートル）以上となる半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に、ＧａＡｓを含んでなるバッファ層を形成する第１形成工程と、前記形成されたバッファ層上に、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットを自己形成させる第２形成工程と、前記形成された量子ドットを覆うように、ＧａＡｓを含んでなるキャップ層を形成する第３形成工程とを備え、前記第２形成工程において前記量子ドットを自己形成させる際の温度である第１成長温度よりも、前記第３形成工程において前記キャップ層を形成する際の温度である第２成長温度が低い。【０００９】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、当該製造方法は、温度３００Ｋ（即ち、室温）において、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ以上となる半導体装置の製造方法である。当該製造方法は、第１乃至第３形成工程を備えてなる。【００１０】
第１形成工程において、例えばＧａＡｓ基板等の半導体基板上に、ＧａＡｓを含んでなるバッファ層が形成される。第２形成工程において、形成されたバッファ層上に、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットが自己形成する。第３形成工程において、形成された量子ドットを覆うように、ＧａＡｓを含んでなるキャップ層が形成される。【００１１】
ここで、第２形成工程において量子ドットを自己形成させる際の温度である第１成長温度は、例えば５２０℃である。他方、第３形成工程においてキャップ層を形成する際の温度である第２成長温度は、例えば４５０℃である。即ち、本発明の半導体装置の製造方法では、第２成長温度が第１成長温度よりも低い。【００１２】
本願発明者の研究によれば以下の事項が判明している。ＧａＡｓ基板を備える半導体装置を用いて、温度３００Ｋにおいて、ピーク波長が１．３μｍ以上のＰＬ発光を得ようとする場合、例えば上述の特許文献１に記載されているような、ＩｎＡｓからなる量子ドットをＩｎＧａＡｓからなるキャップ層により覆う構造が採られることが多い。【００１３】
他方、例えば上述の特許文献２に記載されているような、ＩｎＡｓからなる量子ドットをＧａＡｓからなるキャップ層により覆う構造の場合、単純に、ＧａＡｓからなるキャップ層によりＩｎＡｓからなる量子ドットを覆うだけでは、ＰＬ発光のピーク波長が短波長化する（即ち、室温において、ピーク波長が１．２μｍ未満となる）と推定される。このため、特許文献２では、上述の如く、キャップ層を形成した後に、５８０℃で焼きなましを行っている。【００１４】
ここで、焼きなましの温度を参照すると、特許文献２では、焼きなましの際にキャップ層中にＩｎが拡散していると推定される。即ち、特許文献２では、実質的には、ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層により量子ドットが覆われる構造となっていると推定される。或いは、焼きなましの際に量子ドット中にＧａが拡散し、量子ドットがＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓとの混晶となっていると推定される。すると、量子ドットの量子閉じ込め効果が減少する可能性がある。【００１５】
しかるに本発明では、第３形成工程においてキャップ層を形成する際の温度である第２成長温度を、第２形成工程において量子ドットを自己形成させる際の温度である第１成長温度よりも低くしている。このため、キャップ層中にＩｎが拡散することがないので、ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層により量子ドットを覆う場合に比べて、量子ドットの量子閉じ込め効果を向上させることができる。加えて、材料（例えばＩｎＡｓ等）の供給量を制御することよりも、第１及び第２成長温度を制御することのほうが容易であるため、再現性を向上させることができる。【００１６】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記第１成長温度は、前記ピーク波長が長波長化するように設定されている。【００１７】
この態様によれば、確実に、ＰＬ発光のピーク波長を長波長化する（即ち、室温において、ピーク波長を１．２μｍ以上とする）ことができ、実用上非常に有利である。【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法の他の態様では、前記第１成長温度は、４９０℃以上５３０℃以下であり、前記第２形成工程における前記量子ドットの成長速度は、０．０２ＭＬ／ｓ（単分子層／秒）以上０．４ＭＬ／ｓ以下であり、前記第２成長温度は、４２０℃以上４８０℃以下であり、前記第３形成工程における前記キャップ層の成長速度は、０．１ＭＬ／ｓ以上０．５ＭＬ／ｓ以下である。【００１９】
この態様によれば、室温において、ＰＬ発光のピーク波長を約１．３μｍとすることができる。これにより、当該製造方法により製造された半導体装置を、光ファイバ伝送に適用することができる。【００２０】
本発明の半導体装置の製造方法の他の態様では、前記第２形成工程におけるＡｓ分子線の照射量は、１×１０−５Ｔｏｒｒである。【００２１】
この態様によれば、室温において、ＰＬ発光のピーク波長を約１．３μｍとなるような量子ドットを適切に形成することができ、実用上非常に有利である。【００２２】
本発明の半導体装置の製造方法の他の態様では、前記第２形成工程の後、前記第３形成工程の前に、前記半導体基板の温度を、２０℃／ｍｉｎ以上３５℃／ｍｉｎ以下で降温する降温工程を更に備える。【００２３】
この態様によれば、ＰＬ発光のピーク強度を大きくすることができ、実用上非常に有利である。【００２４】
本発明の半導体装置の製造方法の他の態様では、前記形成された量子ドットの直径は、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、前記形成された量子ドットの高さは、１５ｎｍ以下である。【００２５】
この態様によれば、室温において、ＰＬ発光のピーク波長を約１．３μｍとすることができる。尚、量子ドットの直径及び高さは、キャップ層を形成する前に、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）により測定した値に基づいている。【００２６】
本発明の第１の半導体装置は、上記課題を解決するために、上述した本発明の半導体装置の製造方法（但し、その各種態様を含む）により形成された量子ドットを備える。【００２７】
本発明の第１の半導体装置によれば、上述した本発明の半導体装置の製造方法により形成された量子ドットを備えるので、量子閉じ込め効果の比較的高い半導体装置を提供することができる。加えて、製造工程における再現性が比較的高いことに起因して、当該半導体装置の製造コストを低減することができ、実用上非常に有利である。【００２８】
本発明の第２の半導体装置は、上記課題を解決するために、温度３００Ｋにおいて、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ以上１．３μｍ以下となる半導体装置であって、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層とを備え、前記活性層は、ＧａＡｓを含んでなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットと、前記量子ドットを覆うように形成され、ＧａＡｓを含んでなるキャップ層とを含み、前記量子ドットの少なくとも一部の体積は、８００ｎｍ３以上３０００ｎｍ３以下である。【００２９】
本発明の第２の半導体装置によれば、当該半導体装置は、温度３００Ｋにおいて、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ以上１．３μｍ以下となる半導体装置である。当該半導体装置は、例えばＧａＡｓ基板等の半導体基板と、該半導体基板上に形成された活性層とを備えて構成されている。【００３０】
活性層は、ＧａＡｓを含んでなるバッファ層と、該バッファ層上に形成され、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットと、該量子ドットを覆うように形成され、ＧａＡｓを含んでなるキャップ層とを備えて構成されている。【００３１】
ここで、形成された複数の量子ドットの少なくとも一部の量子ドットの体積は、８００ｎｍ３以上３０００ｎｍ３以下である。尚、量子ドットの体積は、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）により観察された像に基づいて、量子ドットの形状を円錐と仮定して求めた値である。【００３２】
本発明の第２の半導体装置によれば、室温において、ＰＬ発光のピーク波長を約１．３μｍとすることができる。このため、当該半導体装置を、光ファイバ伝送に適用することができる。また、形成された複数の量子ドットの少なくとも一部の量子ドットの体積を、８００ｎｍ３以上３０００ｎｍ３以下とするために、上述した本発明の半導体装置の製造方法により量子ドットが形成される。従って、量子閉じ込め効果の比較的高い半導体装置を提供することができる。加えて、製造工程における再現性が比較的高いことに起因して、当該半導体装置の製造コストを低減することができ、実用上非常に有利である。【００３３】
本発明の第２の半導体装置の一態様では、前記キャップ層の厚さは、前記量子ドットの高さよりも大きい。【００３４】
この態様によれば、確実に、量子閉じ込め効果を得ることができ、実用上非常に有利である。【００３５】
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る形成方法の工程の一部を示す工程図である。
【図２】図１の工程に続くバッファ層形成工程を示す工程図である。
【図３】図２の工程に続く量子ドット形成工程を示す工程図である。
【図４】図３の工程に続くキャップ層形成工程を示す工程図である。
【図５】成長速度を０．０４ＭＬ／ｓとした場合における基板温度及び量子ドットの直径の関係をＩｎＡｓ層の成長量毎に示す実験値の一例である。
【図６】成長速度を０．０４ＭＬ／ｓとした場合における基板温度及び量子ドットの高さの関係をＩｎＡｓ層の成長量毎に示す実験値の一例である。
【図７】キャップ層の成長温度を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。
【図８】キャップ層の成長温度を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの他の例である。
【図９】キャップ層の成長温度を固定し、量子ドットの成長温度を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。
【図１０】（ａ）は、キャップ層の成長温度及び量子ドットの成長温度の一方を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。（ｂ）は、（ａ）に示された実験データに対応する成長条件を示す表である。
【図１１】量子ドット形成工程とキャップ層形成工程との間の基板の降温速度を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。
【図１２】キャップ層の膜厚を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。
【図１３】ＴＥＭ像に基づく、量子ドットのサイズ及び体積を示す実験データの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法、及び該製造方法により製造された半導体装置各々の実施形態を、図面に基づいて説明する。尚、以下の図では、各層・各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層・各部材毎に縮尺を異ならしめてある。
【００３８】
（半導体装置の製造方法）
本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１乃至図４を参照して説明する。
【００３９】
先ず、図１に示すように、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシャル）成長装置２００の成長室２０１内における基板回転加熱機構２１１上に、本発明に係る「半導体基板」の一例としてのＧａＡｓ基板１１０が設置される。図１は、本実施形態に係る形成方法の工程の一部を示す工程図である。尚、図１では、ＭＢＥ成長装置２００の詳細な部材については適宜省略し、直接関連のある部材のみを示している。
【００４０】
次に、成長室２０１内が、例えば１×１０−９Ｔｏｒｒ以下にされる。続いて、ＧａＡｓ基板１１０に対し、蒸発源２１４からＡｓが、例えば約１×１０−５Ｔｏｒｒの照射量で照射される。Ａｓ照射下において、基板回転加熱機構２１１によって、ＧａＡｓ基板１１０の基板温度が、例えば摂氏６００度程度に加熱され、ＧａＡｓ基板１１０の表面が清浄にされる。
【００４１】
次に、基板温度が、例えば摂氏５６０度にされる。続いて、ＧａＡｓ基板１１０に対し、蒸発源２１４及び２１２から夫々Ａｓ及びＧａが、例えば約１０分間照射される。この結果、図２に示すように、ＧａＡｓ基板１１０の（００１）面上に、ＧａＡｓバッファ層１２０が形成される。図２は、図１の工程に続くバッファ層形成工程を示す工程図である。尚、図２では、ＭＢＥ成長装置２００に係る部材については図示を省略している（以降同じ）。
【００４２】
尚、Ａｓ及びＧａ各々の照射量は、例えばＧａＡｓバッファ層１２０が１ＭＬ／ｓ程度の成長速度で成長可能な照射量として設定される。形成されたＧａＡｓ層の厚さは、例えば約１５０ｎｍである。
【００４３】
次に、基板温度が、本発明に係る「第１成長温度」の一例としての４９０℃以上５３０℃以下の温度にされる。続いて、ＧａＡｓバッファ層１２０上に、蒸発源２１４及び２１３から夫々Ａｓ及びＩｎが照射される。ここで、ＩｎＡｓ層１３０の成長に伴い、ＩｎＡｓ層１３０の上面１３０ａに、ＩｎＡｓを含んでなる複数の量子ドット１３１が自己組織化成長により形成される。この結果、図３に示すように、ＧａＡｓバッファ層１２０上に、ＩｎＡｓ層１３０が形成される。図３は、図２の工程に続く量子ドット形成工程を示す工程図である。
【００４４】
尚、Ａｓ及びＩｎ各々の照射量は、ＩｎＡｓ層１３０が０．０２ＭＬ／ｓ以上０．４ＭＬ／ｓ以下の成長速度で成長可能な照射量として設定される。ＩｎＡｓ層１３０の成長量は、例えば１．８ＭＬである。また、量子ドット１３１の直径は、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、量子ドット１３１の高さは、１５ｎｍ以下である。
【００４５】
ここで、形成された量子ドット１３１について、図５及び図６を参照して説明を加える。図５は、成長速度を０．０４ＭＬ／ｓとした場合における基板温度及び量子ドットの直径の関係をＩｎＡｓ層１３０の成長量毎に示す実験値の一例であり、図６は、成長速度を０．０４ＭＬ／ｓとした場合における基板温度及び量子ドットの高さの関係をＩｎＡｓ層１３０の成長量毎に示す実験値の一例である。尚、図５及び図６においては、便宜上、記号が相互に重ならないように、基板温度をずらして示している。また、図中の記号に付されている縦線は誤差を示している。
【００４６】
例えば、ＩｎＡｓ層１３０の成長量が１．８ＭＬの実験値（図中の“○”）に着目すると、基板温度が４９０℃以上５３０℃以下では、量子ドット１３１の直径は、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の範囲内であり（図５参照）、量子ドット１３１の高さは、１５ｎｍ以下である（図６参照）ことが分かる。尚、図５及び図６に示した実験値は、ＧａＡｓキャップ層１４０を形成する前に、ＡＦＭにより測定した値である。
【００４７】
次に、基板温度が、本発明に係る「第２成長温度」の一例としての４２０℃以上４８０℃以下の温度に降温される。ここで、基板温度の降温速度は、２０℃／ｍｉｎ以上３５℃／ｍｉｎ以下の範囲である。続いて、量子ドット１３１を覆うように、蒸発源２１４及び２１３から夫々Ａｓ及びＧａが照射される。この結果、図４に示すように、ＧａＡｓキャップ層１４０が形成される。図４は、図３の工程に続くキャップ層形成工程を示す工程図である。
【００４８】
尚、Ａｓ及びＧａ各々の照射量は、ＧａＡｓキャップ層１４０が０．１ＭＬ／ｓ以上０．５ＭＬ／ｓ以下の成長速度で成長可能な照射量として設定される。形成されたキャップ層１４０の厚さは、例えば２４ｎｍである。
【００４９】
尚、ＧａＡｓ基板１１０からＧａＡｓキャップ層１４０までの部分が、本発明に係る「半導体装置」の一例を構成している。また、本実施形態に係る「バッファ層形成工程」、「量子ドット形成工程」及び「キャップ層形成工程」は、夫々、本発明に係る「第１形成工程」、「第２形成工程」及び「第３形成工程」の一例である。
【００５０】
（半導体装置）
次に、上述の製造方法により製造された、本実施形態に係る半導体装置について、図７乃至図１３を参照して説明する。
【００５１】
先ず、本実施形態に係る半導体装置と、比較例に係る半導体装置について、図７を参照して説明する。ここで、本実施形態に係る半導体装置に関する、量子ドット１３１の成長温度（即ち、本発明に係る「第１成長温度」）は５１０℃であり、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度（即ち、本発明に係る「第２成長温度」）は４５０℃である。他方、比較例に係る半導体装置に関する量子ドット１３１の成長温度は５１０℃であり、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度は５１０℃である。尚、その他の条件は全て同じである。
【００５２】
図７は、キャップ層の成長温度を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。尚、図７では、本実施形態に係る半導体装置の室温におけるＰＬ発光のスペクトルを実線で示し、比較例に係る半導体装置の室温におけるＰＬ発光のスペクトルを点線で示している。
【００５３】
図７に示すように、本実施形態に係る半導体装置では、波長１．３μｍ近傍にＰＬ発光のピークが現れている。他方、比較例に係る半導体装置では、波長１．２μｍ以上にはＰＬ発光のピークが存在しない。即ち、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度を、量子ドットの成長温度よりも低くすることによって、ＰＬ発光のピーク波長を長波長化する（即ち、室温において、ピーク波長を１．２μｍ以上とする）ことができることが分かる。
【００５４】
次に、ＰＬ発光のピーク波長を長波長化可能な、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度について、図８を参照して説明する。図８は、キャップ層の成長温度を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの他の例である。尚、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度以外の条件は、全て同じである。
【００５５】
図８に示すように、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度が、４２０℃以上４８０℃以下であれば、波長１．２μｍ以上のＰＬ発光のピークが現れることが分かる。尚、図８には、４８０℃に対応する実験データは示されていないが、本願発明者の研究によれば、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度を４８０℃前後とした場合にも、１．２μｍ帯にＰＬ発光のピークが得られることが判明している。
【００５６】
また、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度が４２０℃以上５１０℃以下の範囲では、量子ドット１３１の基底準位からのＰＬ発光のピーク波長は、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度が低いほど、長波長化することが分かる。また、量子ドット１３１の基底準位からのＰＬ発光の強度は、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度が低いほど、大きくなることが分かる。
【００５７】
ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度が４２０℃未満の場合に、波長１．２μｍ以上にはＰＬ発光のピークが現れない理由としては、（ｉ）インジウムの表面偏析が抑制される（ｉｉ）熱エネルギーによるマイグレーションが十分に行われず、ＧａＡｓ／ＩｎＡｓの格子不整合が緩和されない（ｉｉｉ）ＧａＡｓキャップ層１４０における転位に起因して発生したバンド間準位によって、発光エネルギーが吸収されてしまう、ことが考えられる。
【００５８】
次に、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度を４５０℃に固定し、量子ドット１３１の成長温度を変えた場合のＰＬ発光について、図９を参照して説明する。図９は、キャップ層の成長温度を固定し、量子ドットの成長温度を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。
【００５９】
尚、量子ドット１３１の成長温度以外のＩｎＡｓ層１３０の形成条件は、成長速度を０．０４ＭＬ／ｓ、成長量１．８ＭＬである。また、量子ドット１３１の形成後は、Ａｓを照射しながら、基板温度を４５０℃にした後に、ＧａＡｓキャップ層１４０を形成した。半導体装置に照射される励起光源の波長は５３２ｎｍであり、入射強度は０．２ｍＷである。
【００６０】
図９に示すように、量子ドット１３１の成長温度が高いほど、室温におけるＰＬ発光のピーク波長が長波長化することが分かる。また、量子ドット１３１の基底準位からのＰＬ発光の強度は、量子ドット１３１の成長温度が高いほど、大きくなることが分かる。尚、量子ドット１３１のサイズは、量子ドット１３１の成長温度が高いほど、大きくなる傾向がある。
【００６１】
尚、図８及び図９において、波長１０６０ｎｍ近傍にＰＬ発光のピークが存在しているが、これは、ＰＬ発光特性の測定のために照射されたレーザ光がノイズとして検出されたものである（図１１及び図１２においても同じ）。
【００６２】
次に、図１０に示すように、量子ドット１３１の形成条件及びＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度を適切に設定することによって、ＰＬ発光のピーク波長を１．２μｍ〜１．３μｍの範囲で制御可能であることが分かる。図１０（ａ）は、キャップ層の成長温度及び量子ドットの成長温度の一方を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示された実験データに対応する成長条件を示す表である。
【００６３】
尚、ピーク波長が１．３μｍ（即ち、光子エネルギー０．９５ｅＶ）であるＰＬ発光スペクトルの半値幅は、２６ｍｅＶである。
【００６４】
次に、量子ドット１３１が形成された後、ＧａＡｓキャップ層１４０を形成するための温度に基板温度を降温する際の降温速度と、ＰＬ発光の強度との関係について、図１１を参照して説明する。図１１は、量子ドット形成工程とキャップ層形成工程との間の基板の降温速度を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。尚、量子ドット１３１の成長温度は５１０℃であり、量子ドット１３１の成長速度は０．０２８ＭＬ／ｓであり、量子ドット１３１の成長量は１．８ＭＬである。また、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度は４２０℃である。
【００６５】
図１１に示すように、降温速度が変化することによって、ＰＬ発光の強度が変化することが分かる。即ち、降温速度を適切に制御することによって、ＰＬ発光の強度を大きくすることができる。
【００６６】
次に、ＧａＡｓキャップ層１４０の厚さとＰＬ発光の強度との関係について、図１２を参照して説明する。図１２は、キャップ層の膜厚を変えた場合のＰＬ発光のピークの変化を示す実験データの一例である。尚、量子ドット１３１の成長温度は５１０℃であり、量子ドット１３１の成長速度は０．０２８ＭＬ／ｓであり、量子ドット１３１の成長量は１．８ＭＬである。また、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長温度は４３０℃であり、ＧａＡｓキャップ層１４０の成長速度は０．２ＭＬ／ｓである。
【００６７】
図１２に示すように、ＧａＡｓキャップ層１４０の厚さが変化することによって、ＰＬ発光の強度が変化することが分かる。これは、ＧａＡｓキャップ層１４０が厚くなると、ＧａＡｓで発生する電子正孔対の数が増加するためである。即ち、ＧａＡｓキャップ層１４０の厚さを適切に制御することによって、ＰＬ発光の強度を大きくすることができる。
【００６８】
尚、ＧａＡｓキャップ層１４０が厚くなると、ＧａＡｓの歪みの影響により、ＰＬ発光のピーク近傍でブルーシフトが生じることが、本願発明者の研究により判明している。
【００６９】
次に、ＴＥＭ像に基づく量子ドット１３１のサイズ等について、図１３を参照して説明する。図１３は、ＴＥＭ像に基づく、量子ドットのサイズ及び体積を示す実験データの一例である。
【００７０】
図１３に示すように、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ〜１．３μｍの範囲となる量子ドット１３１の体積は８００ｎｍ３〜３０００ｎｍ３であり、直径は２０ｎｍ〜３０ｎｍであり、高さは１５ｎｍ以下であることが分かる。尚、量子ドット１３１の体積は、量子ドットの形状を円錐と仮定して求めた値である。
【００７１】
ここで、図５及び図６に示したＡＦＭにより測定した値と、図１３に示したＴＥＭにより測定した値とが相互に異なっているが、測定方法の違いによる差であることが本願発明者の研究により判明している。測定方法の違いは、特に、量子ドット１３１の直径の値に影響を与え、１５ｎｍ程ＴＥＭにより測定した値がＡＦＭにより測定した値より小さくなることが、本願発明者の研究により判明している。  尚、ＧａＡｓキャップ層１４０上に、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットを上述の方法で形成し、更に、該量子ドットを上述の如くＧａＡｓにより被覆することを繰り返すことによって、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットを多層化してもよい。
【００７２】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う半導体装置の製造方法及び半導体装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７３】
１１０    ＧａＡｓ基板
１２０    ＧａＡｓバッファ層
１３０    ＩｎＡｓ層
１３１    量子ドット
１４０    ＧａＡｓキャップ層
２００    ＭＢＥ成長装置
２１１    基板回転加熱機構
２１２、２１３、２１４    蒸発源
【図１】
2011010389.tif 000003
【図２】
2011010389.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011010389.tif 000008
【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】
2011010389.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月12日(2011.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度３００Ｋにおいて、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ以上となる半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に、ＧａＡｓを含んでなるバッファ層を形成する第１形成工程と、
前記形成されたバッファ層上に、ＩｎＡｓからなる量子ドットを自己形成させる第２形成工程と、
前記形成された量子ドットを覆うように、ＧａＡｓからなるキャップ層を形成する第３形成工程と
を備え、
前記第２形成工程において前記量子ドットを自己形成させる際の温度である第１成長温度よりも、前記第３形成工程において前記キャップ層を形成する際の温度である第２成長温度が低く、
前記第１成長温度は、４９０℃以上５３０℃以下であり、
前記第２形成工程における前記量子ドットの成長速度は、０．０２ＭＬ／ｓ以上０．４ＭＬ／ｓ以下であり、
前記第２成長温度は、４２０℃以上４４０℃以下であり、
前記第３形成工程における前記キャップ層の成長速度は、０．１ＭＬ／ｓ以上０．５ＭＬ／ｓ以下である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記第２形成工程におけるＡｓ分子線の照射量は、１×１０−５Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２形成工程の後、前記第３形成工程の前に、前記半導体基板の温度を、２０℃／ｍｉｎ以上３５℃／ｍｉｎ以下で降温する降温工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記形成された量子ドットの直径は、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、
前記形成された量子ドットの高さは、１５ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１又は４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法により形成された量子ドットを備えることを特徴とする半導体装置。
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月17日(2012.1.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度３００Ｋにおいて、ＰＬ発光のピーク波長が１．２μｍ以上となる半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に、ＧａＡｓを含んでなるバッファ層を形成する第１形成工程と、
前記形成されたバッファ層上に、ＩｎＡｓからなる量子ドットを自己形成させる第２形成工程と、
前記形成された量子ドットを覆うように、ＧａＡｓからなるキャップ層を形成する第３形成工程と
を備え、
前記第２形成工程において前記量子ドットを自己形成させる際の温度である第１成長温度よりも、前記第３形成工程において前記キャップ層を形成する際の温度である第２成長温度が低く、
前記第１成長温度は、４９０℃以上５３０℃以下であり、
前記第２形成工程における前記量子ドットの成長速度は、０．０２ＭＬ／ｓ以上０．４ＭＬ／ｓ以下であり、
前記第２成長温度は、４２０℃以上４４０℃以下であり、
前記第３形成工程における前記キャップ層の成長速度は、０．１ＭＬ／ｓ以上０．５ＭＬ／ｓ以下である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第２形成工程におけるＡｓ分子線の照射量は、１×１０−５Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２形成工程の後、前記第３形成工程の前に、前記半導体基板の温度を、２０℃／ｍｉｎ以上３５℃／ｍｉｎ以下で降温する降温工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記形成された量子ドットの直径は、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、
前記形成された量子ドットの高さは、１５ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法により形成された量子ドットを備えることを特徴とする半導体装置。
【国際調査報告】
2011010389.tif 000016
2011010389.tif 000017
2011010389.tif 000018
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