(57)【要約】【課題】発光効率などが、品質改善された量子ドット及び半導体レーザの作製を可能とすること。【解決手段】III-V化合物を含む第１の半導体からなる基板上にAlを含む半導体からなる中間層を形成し、微細なホールパターンを有するマスク層をマスクとして、塩素系ガスによるドライエッチング法を用いて中間層をエッチングし基板を表出させる。さらに中間層を水蒸気酸化法により酸化させ、表出された基板の上に、III-V化合物を含む第２の半導体材料を主成分とする量子ドットを形成させることによって作製する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III-V化合物を含む第１の半導体からなる基板上にAlを含む半導体からなる中間層を形成する工程と、
前記中間層上に微細なホールパターンを有するマスク層を設けるマスク作製工程と、
前記マスク層をマスクとして、塩素系ガスによるドライエッチング法を用いて前記中間層をエッチングすることにより、前記ホールパターンに対応する前記基板を表出させるエッチング工程と、
前記中間層をさらに水蒸気酸化法により酸化させる工程と、
前記エッチング工程によって表出された前記基板の上に、III-V化合物を含む第２の半導体を主成分とする量子ドットを形成する工程と
を備えることを特徴とする半導体素子の作製方法。
【請求項２】
前記マスク作製工程は、
前記中間層にブロックコポリマーからなるマスク層を塗布する工程と、
ドライエッチング方法を用いて前記マスク層に微細なホールパターンを形成する工程と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項３】
前記中間層は、AlとIII族元素A及びV族元素BからなるAlｘA１−ｘBを含み、１＞x≧0.98でああること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項４】
前記水蒸気酸化法に用いる水蒸気の温度は４４０℃以下であること
を特徴とする請求項３に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項５】
前記第１の半導体をＧａＡｓ、前記第２の半導体をＩｎＡｓ、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓとする請求項４に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載の方法によって作製された量子ドットを有する半導体素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５に記載の方法によって作製された量子ドットを活性層に有することを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子や半導体レーザで用いられる量子ドットの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子ドットは量子ドットレーザを中心に開発が進められている。量子ドットは電子を3次元的に狭いポテンシャルエネルギー内に閉じ込めるために、電子のエネルギー準位が離散化し、状態密度はデルタ関数的になる。半導体レーザの活性層に量子ドットを用いると信号変調時の低チャープ化や、温度に対する依存性が小さくなることが報告されている。量子ドットは光増幅器、光検出器、非線形光学素子等の光通信分野をはじめ、高効率ディスプレイ、単一光子発生素子等、さまざまな応用分野での展開が期待されている。
【０００３】
量子ドットは、近年では１．５μｍ帯まで発光の長波長化が可能となっており光通信の分野において注目を集めている。量子ドットの作製方法として格子不整合材料を用いて作製するStranski-Krastanov成長モードによる自己形成技術が簡便な方法として挙げられる。また、量子ドットをデバイスへ応用する際、高効率化などの観点からドットのサイズ、密度、ドットの位置を制御することが重要になる。現在量子ドットのサイズ、密度、位置制御を行う方法としてブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いた方法（非特許文献１）や、電子線描画リソグラフィを用いた方法（非特許文献２）などがある。
【０００４】
図1を参照にして上記ブロックコポリマーを用いた量子ドットの作製方法を説明する。Si、SiO2、GaAsなどの半導体基板15に（図１（ａ））、例えばSiO2またはSiNなどの絶縁体からなる中間層20をCVDやスピンコーティングの技術を用いて、数十nmの厚さまで堆積し（図１（ｂ））、その上にブロックコポリマー層30形成させる（図１（ｃ））。ブロックポリマー層30はPS-PMMAを溶解した溶液をスピンコーティングにより形成する。ブロックポリマー層30をアニールすることによりPSマトリックス中にPMMA微粒子が相分離したブロックコポリマー層31を形成する（図１（ｄ））。形成したブロックコポリマー層31を酸素ガスを用いてエッチングすると、PS内部のPMMA微粒子が選択的にエッチングされることによりPMMA微粒子と同じサイズのホールパターンを有するPS多孔質層32を形成される（図１（ｅ））。得られた多孔質層32をエッチングマスクとして中間層20をフッ化物ガスによりエッチングすることで数十nmのホールパターンを表面に有する中間層21が得られる（図１（ｆ））。この工程によりPMMA微粒子と同じサイズのホールパターンを有する中間層21を表面に持つ半導体基板を得る。この基板を用いて量子ドットの成長を行うと、量子ドットをホール内部に選択的に成長する（図１（ｇ））。デバイスへ応用する際、残された中間層をとりGaAsなどの半導体で埋め込み量子ドットレーザ等へ応用する。中間層を形成する際、半導体基板上に半導体基板上に有機物をスピンコーティングにより塗布、またはCVDを用いるため、基板表面へ残留有機物、表面荒れなどの汚染が問題となる。また、中間層をエッチングする際にフッ化物ガスを用いるため、半導体基板表面はフッ化物の影響により非発光センターの影響が現れる。汚染された半導体基板を用いて量子ドットを結晶成長すると非発光センターなどの影響で量子ドットの発光効率が減少するという問題がある。
【非特許文献１】Applied Physics Letter 76, 1689 (2000)
【非特許文献２】Journal of Crystal Growth 261, 444 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上の問題点を鑑みてなされたもので、作製工程中の半導体基板への汚染を防ぎ、量子ドット及び半導体レーザの発光効率の品質改善を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による半導体素子の作製法は、III-V化合物を含む第１の半導体からなる基板上にAlを含む半導体からなる中間層を形成する工程に引き続き、前記中間層上に微細なホールパターンを有するマスク層を設けるマスク作製工程と、前記マスク層をマスクとして、塩素系ガスによるドライエッチング法を用いて前記中間層をエッチングすることによって、前記ホールパターンに対応して前記基板を表出させるエッチング工程と、前記中間層をさらに水蒸気酸化法により酸化させる工程と、前記エッチング工程によって表出された前記基板の上に、III-V化合物を含む第２の半導体を主成分とする量子ドットを形成させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発光効率などが品質改善された量子ドット及び半導体レーザを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以後の説明では、同一の部分には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
【０００９】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図2を参照にして詳細に説明する。図2は本発明の実施形態に係る量子ドットを選択的に結晶成長するプロセス図である。
【００１０】
III-V化合物を含む半導体からなる基板100（図２（ａ））上に、Alを含む半導体材料からなる中間層200を結晶成長させ（図２（ｂ））、その上にブロックコポリマー層300を形成させる（図２（ｃ））。基板100の材料としてはIII-V族化合物半導体例えばGaAsが好ましい。ブロックコポリマー層300はPS-PMMAを溶解した溶液をスピンコーティングすることにより形成する。本実施形態の特徴のひとつは中間層200にAlを含む半導体材料を用いることである。これにより従来作製方法の有機物の塗布や、CVDなどと比べ、半導体基板100への汚染なく中間層200を形成することができる。
【００１１】
基板100、中間層200、ブロックコポリマー層300から成る多層膜を80℃で8時間アニールする。ブロックコポリマー層300はPS-PMMAを用いておりPMMAに対するPSの分子量の比PS/PMMAは4〜5.2程度である。ブロックポリマー層300をアニールすることによりPSマトリックス中にPMMA微粒子が相分離したブロックコポリマー層310を形成する（図２（ｄ））。形成したブロックコポリマー層310は酸素ガスを用いてエッチングされる。PSとPMMAのエッチングレートはPSのほうが低く、酸素ガスを用いてエッチングを行なうとPMMA微粒子が選択的にエッチングされることによりPMMA微粒子と同じサイズのホールパターンを有するPS多孔質層320を形成される（図２（ｅ））。次に、多孔質層320をエッチングマスクとして、中間層200をエッチングするより、数十nmの複数ホールパターンを有する中間層210を形成し、基板100を選択的に表出する（図２（ｆ））。従来作製方法では、エッチング用ガスにフッ化物ガスを使うため、半導体基板への汚染が課題となっていた。本実施形態では、中間層200が半導体材料を用いたため、塩素系ガスを用いてエッチングを行うことができる。従って、従来作製方法のようにフッ化物ガスによる半導体基板への汚染を軽減させることができる。使用する塩素系ガスとしては、分子内に塩素原子を含む気体状物質であれば特に制限されず、例えば塩素（Ｃｌ２）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）などが挙げられる。また、エッチングガスには、キャリアガスとして希ガスが含まれることが好ましい。希ガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）などが挙げられ、これらの中でもアルゴン（Ａｒ）が好ましい。本実施形態では、例えばAr/BCl3混合ガスを用いて行い、混合比は120/80sccmである。入射電力/バイアス電力０W/３００W、10mTorrの条件で３０秒程度行う。
【００１２】
さらに、量子ドットを表出された基板100表面のみに形成させるために、水蒸気酸化法を用いて中間層210のみをホールの壁面を含めて酸化させ、酸化された中間層220を形成する（図２（ｇ））。水蒸気酸化法による半導体基板100への汚染はなく、これによる非発光センターは生じない。したがって後に量子ドットを成長した場合でも量子ドットの発光効率低下を招くことはない。水蒸気酸化は440℃以下の反応炉に水蒸気を導入することで行う。水蒸気は８０℃の水に窒素ガスを3000sccmの条件でバブリングすることで反応炉に供給する。この条件における酸化速度は約５００nm/minであり、1min程度の酸化時間を要する。また、中間層200は例えばAlXGa1-XAs(x≧0.98)などAlを高濃度に含んでいることが望ましい。本実施形態の中間層には、半導体材料を用いているため低温でアニールすることが好ましく、上記のAl組成であれば440℃程度の低温アニールによる水蒸気酸化を可能とする。
【００１３】
表出された基板100上に、III-V化合物を含む半導体材料、例えばInAs、GaAsまたはInGaAsを分子線エピタキシー法（MBE法）あるいは有機金属気相法（MOCVD法）で供給することにより、量子ドットを選択的に結晶成長する（図２（ｈ））。
【００１４】
さらに酸化された中間層220をドライエッチングまたはウェットエッチングにより剥離し、GaAs等半導体層で埋め込む量子ドット構造をとることで（図示せず）、量子ドットレーザ等に応用する際、品質の高い量子ドットによって、高効率に量子ドットに電流を注入できる。
【００１５】
本実施形態では、ブロックコポリマーを用いた方法を挙げたが、本発明のほかの実施形態として、その他多孔質層によるマスクパターンや、電子線リソグラフィを用いても同様の効果を得ることが可能である。
【００１６】
本実施形態において得られた量子ドット構造を半導体レーザの活性層に適用した場合について説明する。図３は作製された量子ドット半導体レーザの構造を示す模式的な断面図である。
【００１７】
清浄化したn型GaAs基板2上にMOCVD法で厚さ500nmのn型GaAs成長層3、厚さ1500nmのn型Al0.3Ga0.7As成長層4、厚さ150nmのGaAs成長層5、を順次積層した。n型GaAs成長層3、n型Al0.3Ga0.7As成長層4のドーピング濃度はそれぞれ、2×1018cm-3、1×1019cm-3とした。
【００１８】
次に本実施形態の0プロセスを用いてInAs量子ドット活性層6を積層する。
【００１９】
さらにその上にMOCVD法で厚さ150nmのGaAs成長層7、厚さ2000nmのp型Al0.3Ga0.7As成長層10、厚さ100nmのp型GaAs成長層11、を順次積層した。p型Al0.3Ga0.7As成長層10、p型GaAs成長層11のドーピング濃度はともに5×1018cm-3、とした。
【００２０】
上記工程を経た後、p型Al0.3Ga0.7As成長層10、p型GaAs成長層11を削り、幅3〜40μmリッジを作成する。さらにSiO28、ポリイミド9の塗布及びストライプのパターニングの工程を経た後、Ti/Pt/Au電極12の蒸着、加熱を行い合金化する。また、裏面は研磨した後AuGe/Ni/Au電極1の蒸着、加熱を行い合金化する。最後に素子をストライプの方向と直行する方向にへきかいして共振器を作成し、半導体レーザを作製する。
【００２１】
以上に説明したとおり本発明によれば半導体基板上にパターニングする際のエッチングによるダメージを抑え、高密度に量子ドット成長することができる。これを半導体レーザの活性層に用いた場合、高効率な半導体レーザの作製が可能になる。
【００２２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００２３】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来例による量子ドットの作製プロセスを説明するための断面図
【図２】実施形態による量子ドットの作製プロセスを説明するための断面図
【図３】実施形態で作製された量子ドット半導体レーザの構造を示す模式的な断面図
【符号の説明】
【００２５】
１…AuGe/Ni/Au電極
２…n型GaAs基板
３…n型GaAs成長層
４…n型Al0.3Ga0.7As成長層
５…GaAs成長層
６…InAs量子ドット活性層
７…GaAs成長層
８…SiO2
９…ポリイミド
10…p型Al0.3Ga0.7As成長層
11…p型GaAs成長層
12…Ti/Pt/Au電極
15…半導体基板
20…中間層
30…ブロックコポリマー層
31…相分離後のブロックコポリマー層
32…多孔質層
21…エッチング後の中間層
22…量子ドット結晶成長後の中間層
100…半導体基板
200…半導体材料からなる中間層
300…ブロックコポリマー層
310…相分離後のブロックコポリマー層
320…多孔質層
210…エッチング後の中間層
220…水蒸気酸化後の中間層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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