(57)【要約】【課題】量子ドットを用いた場合であっても所望のエネルギーバンド構造を実現し得る量子半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】材料が互いに異なる量子ドット１４、１６が複数積層されて成る積層体２２を有している。材料が互いに異なる複数の量子ドットを積層することにより積層体が構成されているため、所望のエネルギーバンド構造を得ることができる。このため、所望の動作波長の量子半導体装置を提供することができる。【選択図】  図１
2004235329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料が互いに異なる量子ドットが複数積層されて成る積層体を有する
ことを特徴とする量子半導体装置。
【請求項２】
材料が互いに異なる量子ドットと量子井戸とが積層されて成る積層体を有する
ことを特徴とする量子半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の量子半導体装置において、
前記量子ドットは、Ｓ−Ｋモードによって自己形成された三次元成長島より成る
ことを特徴とする量子半導体装置。
【請求項４】
下地結晶上に、前記下地結晶と格子定数が異なる材料より成る量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る量子ドットを自己形成する工程と、
前記量子ドット層上に、前記下地結晶と格子定数がほぼ等しい材料より成る中間層をエピタキシャル成長する工程と、
前記中間層上に、前記量子ドット層と異なる材料より成る他の量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る他の量子ドットを前記量子ドット上に自己形成する工程と
を有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【請求項５】
下地結晶上に、前記下地結晶と格子定数が異なる材料より成る量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る量子ドットを自己形成する工程と、
前記量子ドット層上に、前記下地結晶と格子定数がほぼ等しい材料より成る中間層をエピタキシャル成長する工程と、
前記中間層上に、前記量子ドット層と異なる材料より成る量子井戸層をエピタキシャル成長する工程と
を有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子半導体装置及びその製造方法に係り、特に量子ドットを有する量子半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時では、量子ドットを活性層等に用いることが注目されている。活性層に量子ドットを用いれば、状態密度を離散的にすることができ、利得帯域等を広くすることが可能となる。
【０００３】
量子ドットを用いた半導体レーザについては、様々な議論が為されており（非特許文献１参照）、これに基づいて実証的なデータも報告されている（非特許文献２〜４参照）。
【０００４】
量子ドットを形成する技術として、Ｓ−Ｋモードにより量子ドットを自己成長する技術が注目されている。Ｓ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）モードとは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３次元成長するモードである。
【０００５】
例えばＧａＡｓより成る下地結晶上に、ＩｎＡｓ層を成長すると、２０〜４０ｎｍ程度の量子ドットを形成し得ることが知られている。
【０００６】
また、ＭＢＥ法により、ＧａＡｓより成る下地結晶上に、ＩｎＧａＡｓ層を２〜３分子層（ＭＬ、Ｍｏｎｏ−Ｌａｙｅｒ）相当成長すると、底面の直径が３０〜４０ｎｍ程度、高さが３〜５ｎｍ程度の円錐形の量子ドットを成長し得ることが報告されている（非特許文献５参照）。
【０００７】
また、Ｓ−Ｋモードにより自己成長した量子ドットが、三次元的にキャリアが閉じ込められた状態密度を有するということ、即ち、量子箱と同様にエネルギーに対して離散的な状態密度を有するということが報告されている（非特許文献６、７参照）。
【０００８】
また、ＭＢＥ法のみならず、ＭＯＣＶＤ法によっても、量子ドットをＳ−Ｋモードにより自己成長し得ることが報告されている（非特許文献８参照）。
【０００９】
また、ＧａＡｓより成る下地結晶上に、ＧａＳｂより成る量子ドットを成長し得ることが報告されている（非特許文献９参照）。
【００１０】
また、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＰ基板と格子整合するＩｎＡｌＡｓより成るバッファ層を形成し、バッファ層上にＩｎＡｓより成る量子ドットを成長し得ることが報告されている（非特許文献１０参照）。
【００１１】
また、量子ドットを半導体レーザに応用すること（非特許文献１１、１２参照）、量子ドットを半導体メモリに応用すること（非特許文献１３、１４参照）、量子ドットを光増幅器に応用すること（非特許文献１５）等が試みられている。
【００１２】
このように、量子ドットは大きな注目を集めており、量子ドットを様々な量子半導体装置に応用することが期待されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−２１５０３２号公報
【特許文献２】
特開平９−３２６５０６号公報
【非特許文献１】
Ｙ．  Ａｒａｋａｗａ，  Ｈ．  Ｓａｋａｋｉ，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ４０．  （１９８２）  ９３９
【非特許文献２】
Ｎ．  Ｋｒｉｓｔａｅｄｔｅｒ，  ｅｔ．  ａｌ．，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．，  ３０  （１９９４）  １４１６
【非特許文献３】
Ｈ．  Ｓｈｏｊｉ，  ｅｔ．  Ａｌ．，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  （１９９６）  Ｌ９０３
【非特許文献４】
Ｈ．  Ｓｈｏｊｉ，  ｅｔ．，  ａｌ．，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．，  ３２  （１９９６）  ２０３２
【非特許文献５】
Ｄ．  Ｌｅｏｎａｒｄ，  ｅｔ  ａｌ，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ６３  （１９９３）  ｐ．３２０３
【非特許文献６】
Ｋ．  Ｍｕｋａｉ，  ｅｔ．，  ａｌ．，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  ３３  （１９９４）  Ｌ１７１０
【非特許文献７】
Ｍ．  Ｇｒｕｎｄｍａｎｎ，  ｅｔ．，  ａｌ．，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ６８  （１９９６）  ９７９．
【非特許文献８】
Ｊ．  Ｏｓｈｉｎｏｗａ，  ｅｔ．  ａｌ，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ６５  （１９９４）  ｐ．  １４２１
【非特許文献９】
Ｂ．  Ｒ．  ｎｅｔｔ，  ｅｔ．  ａｌ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ６８  （１９９５）  ５０５
【非特許文献１０】
Ｓ．  Ｆａｆａｒｄ，  ｅｔ．  ａｌ．，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ６８  （１９９６）  ｐ．  ９９１
【非特許文献１１】
Ｄ．  Ｂｉｍｂｅｒｇ，  ｅｔ．  ａｌ．，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ３５  （１９９６）  １３１１
【非特許文献１２】
Ｋ．  Ｍｕｋａｉ，  ｅｔ．  ａｌ．，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ３３  （１９９４）  Ｌ１７１０
【非特許文献１３】
Ｓ．  Ｍｕｔｏ，  ｅｔ．  ａｌ．，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ３４  （１９９５）  Ｌ２１０
【非特許文献１４】
Ｙ．  Ｓｕｇｉｙａｍａ，  ａｔ．  ａｌ．，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．  ３３  （１９９７）  １６６５
【非特許文献１５】
Ｍ．  Ｓｕｇａｗａｒａ，  Ｎ．  Ｈａｔｏｒｉ，  Ｔ．  Ａｋｉｙａｍａ，  Ｙ．  Ｎａｋａｔａ，  ａｎｄ  Ｈ．  Ｉｓｈｉｋａｗａ，  ”Ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｂｉｔ−ｒａｔｅ  ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｖｅｒ  ４０  Ｇｂｉｔ／ｓ”，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ４０  Ｌ４８８  （２００１）
【非特許文献１６】
Ｙ．  Ｎａｋａｔａ，  ｅｔ．ａｌ，  Ｊ．  Ｃｒｙｔ．  Ｇｒｏｗｔｈ，  ２０８  （２０００）  ９３
【非特許文献１７】
Ｙ．  Ｎａｋａｔａ，  ｅｔ．  ａｌ．，  Ｊ．  Ｃｒｓｔ．  Ｇｒｏｗｔｈ  １７５／１７６  （１９９７）  １７３
【非特許文献１８】
Ｙ．  Ｎａｋａｔａ，  ｅｔ．  ａｌ．，  Ｉｎｓｔ．  Ｐｈｙｓ．  Ｃｏｎｆ．  Ｓｅｒ．  Ｎｏ．  １６２，  Ｃｈａｐ９，  （１９９９）  ４２７
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、量子ドットのサイズや組成等を制御することは、極めて困難であった。即ち、量子井戸等を形成する場合には、原料の供給量や原料の組成を適宜設定することにより、所望の厚さや組成の量子井戸等を形成することが可能である。しかし、量子ドットを形成する際には、量子ドットのサイズや組成等は、主として、結晶歪、表面エネルギー、成長ダイナミクス等により支配される。このため、量子ドットを形成する場合には、原料の供給量や原料の組成により量子ドットのサイズや組成等を制御することは極めて困難であった。
【００１５】
量子ドットを例えば半導体レーザに応用する場合には、量子ドットのサイズの均一性を実現するとともに、所望の発光波長を得ることが極めて重要である。所望の発光波長を得るためには、所望のエネルギーバンド構造を構成することが必要である。量子ドットのサイズを制御する技術としては、近時、低速成長法（非特許文献１６参照）や近接積層法（特許文献２、非特許文献１７、１８参照）等が提案されているが、量子ドットを用いて所望のエネルギーバンド構造を構成する技術は未だ提案されていなかった。
【００１６】
このため、量子ドットを用いた場合であっても所望のエネルギーバンド構造を実現し得る技術が待望されていた。
【００１７】
本発明の目的は、量子ドットを用いた場合であっても所望のエネルギーバンド構造を実現し得る量子半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、材料が互いに異なる量子ドットが複数積層されて成る積層体を有することを特徴とする量子半導体装置により達成される。
【００１９】
また、上記目的は、材料が互いに異なる量子ドットと量子井戸とが積層されて成る積層体を有することを特徴とする量子半導体装置により達成される。
【００２０】
また、上記目的は、下地結晶上に、前記下地結晶と格子定数が異なる材料より成る量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る量子ドットを自己形成する工程と、前記量子ドット層上に、前記下地結晶と格子定数がほぼ等しい材料より成る中間層をエピタキシャル成長する工程と、前記中間層上に、前記量子ドット層と異なる材料より成る他の量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る他の量子ドットを前記量子ドット上に自己形成する工程とを有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法により達成される。
【００２１】
また、上記目的は、下地結晶上に、前記下地結晶と格子定数が異なる材料より成る量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る量子ドットを自己形成する工程と、前記量子ドット層上に、前記下地結晶と格子定数がほぼ等しい材料より成る中間層をエピタキシャル成長する工程と、前記中間層上に、前記量子ドット層と異なる材料より成る量子井戸層をエピタキシャル成長する工程とを有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法により達成される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による量子半導体装置及びその製造方法を図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による量子半導体装置を示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）において円で囲まれた部分を拡大して示したものである。
【００２３】
図１に示すように、半導体基板１０上には、下地結晶、即ち、バッファ層１２がエピタキシャル成長されている。半導体基板１０としては、例えば面方位が（００１）のＧａＡｓ基板が用いられている。バッファ層１２の材料としては、例えばＧａＡｓが用いられている。バッファ層の厚さは、例えば５００ｎｍとなっている。
【００２４】
バッファ層１２上には、量子ドット層１４と量子ドット層１６とが中間層１８を介して交互に積層して成る積層膜２０が形成されている。
【００２５】
量子ドット層１４の材料としては、例えばＩｎＡｓが用いられている。量子ドット層１４には、複数の量子ドット１５が形成されている。量子ドット１５は、Ｓ−Ｋモードにより自己形成された３次元成長島より成るものである。
【００２６】
量子ドット層１６の材料としては、例えばＧａＳｂが用いられている。量子ドット層１６には、複数の量子ドット１７が形成されている。量子ドット１７は、Ｓ−Ｋモードにより自己形成された三次元成長島より成るものである。
【００２７】
最下層の量子ドット層１４は、例えば１．８分子層相当の原料を供給することにより形成されている。最下層以外の量子ドット層１４、１６は、例えば０．７分子層相当の原料を供給することにより形成されている。最下層以外の量子ドット層１４、１６を形成する際に原料の供給量を少なく設定しているのは、最下層以外の量子ドット層１４、１６を形成する際に原料を多く供給すると、量子ドット層１４、１６に欠陥が生じてしまうためである。本実施形態では、最下層以外の量子ドット層１４、１６を形成する際には、原料の供給量を比較的少なく設定しているため、量子ドット層１４、１６に欠陥が生じてしまうのを防止することができる。
【００２８】
中間層１８の材料としては、例えばＧａＡｓが用いられている。中間層は、例えば３分子層相当の原料を供給することにより形成されている。
【００２９】
量子ドット１５、１７上に存在する中間層１８の厚さは、例えば１０ｎｍ以下と薄くなっている。量子ドット１５、１７上に存在する中間層１８の厚さが薄いため、互いに近接する量子ドット１５、１７間においてキャリアの移動が可能となっている。
【００３０】
なお、量子ドット１５、１７上に中間層１８が存在していなくてもよい。即ち、互いに近接する量子ドット１５と量子ドット１７とが、互いに接触していてもよい。
【００３１】
各々の量子ドット層１４、１６に形成された量子ドット１５、１７は、互いに重なり合うように形成されている。各々の量子ドット層１４、１６に形成された量子ドット１５、１７が互いに重なり合うように形成されているのは、一の量子ドットが形成された一の量子ドット層上に他の量子ドット層を形成すると、他の量子ドット層において一の量子ドットに重なり合うように他の量子ドットが形成される傾向があるためである。
【００３２】
このように、半導体基板１０の面に対して垂直方向に交互に積層された量子ドット１５、１７により、積層体２２が構成されている。
【００３３】
こうして、積層体２２を含む活性層２４を有する量子半導体装置が構成されている。
【００３４】
ここで、積層体２２のエネルギーバンド構造を図２を用いて説明する。図２は、積層体のエネルギーバンド構造を示す図である。
【００３５】
図２から分かるように、ＩｎＡｓより成る量子ドット１５とＧａＳｂより成る量子ドット１７とに構成されるエネルギーバンドラインナップは、タイプＩＩとなっている。
【００３６】
本実施形態によれば、このようなエネルギーバンド構造になっているため、ＩｎＡｓより成る量子ドット１５のみを用いて活性層を形成した場合や、ＧａＳｂより成る量子ドット１７のみを用いて活性層を形成した場合と比較して、発光波長を長波長側にシフトすることが可能となる。
【００３７】
本実施形態による量子半導体装置は、上述したように、材料が互いに異なる複数の量子ドット１５、１７が積層して成る積層体２２を有することに主な特徴がある。
【００３８】
本実施形態によれば、材料が互いに異なる複数の量子ドット１５、１７を積層することにより積層体２２が構成されているため、所望のエネルギーバンド構造を得ることができる。このため、本実施形態によれば、所望の動作波長の量子半導体装置を提供することが可能となる。
【００３９】
また、複数の量子ドット１５、１７を積層することにより積層体２２が構成されているため、各々の量子ドット１５、１７においてサイズのばらつきが存在していたとしても、これら各々の量子ドット１５、１７のサイズのばらつきは、全体として相殺することができる。従って、本実施形態によれば、均一なサイズの積層体２２を有する量子半導体装置を提供することができる。
【００４０】
（量子半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態による量子半導体装置の製造方法を図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４は、本実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００４１】
まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板１０を用意する。半導体基板１０としては、例えば面方位が（００１）のＧａＡｓ基板を用いる。この後、半導体基板１０の表面をクリーニングする。
【００４２】
次に、例えばＭＢＥ法により、半導体基板１０上に、下地結晶、即ちバッファ層１２をエピタキシャル成長する。バッファ層１２としては、例えばＧａＡｓ層を形成する。バッファ層１２は、以下のようにして形成する。即ち、まず、基板温度を例えば６００℃に設定した状態で、バッファ層１２を４５０ｎｍ程度成長する。この後、基板温度を５００℃まで低下させながら、バッファ層１２を更に５０ｎｍ程度成長する。こうして、バッファ層１２が形成される。
【００４３】
次に、図３（ｂ）に示すように、バッファ層１２上に、例えばＭＢＥ法により、量子ドット層１４を形成する。量子ドット層１４としては、例えばＩｎＡｓ層を形成する。ＩｎＡｓは、バッファ層１２の材料であるＧａＡｓと格子定数が異なるため、Ｓ−Ｋモードにより量子ドット１５が自己形成される。
【００４４】
量子ドット層１４は、例えば以下のようにして形成する。即ち、まず、１．８分子層相当のＩｎＡｓを供給し、この後、Ｉｎの供給を中止するとともに、Ａｓの供給を３０秒程度継続する。そうすると、良質な量子ドット層１２が形成される。なお、量子ドット層１２を形成する際の基板温度は、例えば５００℃とする。ＧａＡｓより成るバッファ１４層上に１．６分子層相当のＩｎＡｓを供給すると、量子ドット１５の自己形成が開始するため、１．８分子層相当のＩｎＡｓを供給すれば、確実に量子ドットを自己形成することが可能である。量子ドット１５の底面の直径は、例えば２０〜３０ｎｍ程度となる。また、量子ドット１５の高さは、例えば３〜５ｎｍ程度となる。
【００４５】
次に、例えばＭＢＥ法により、中間層１８を形成する。中間層１８としては、例えばＧａＡｓ層を形成する。中間層１８は、例えば３分子層相当のＧａＡｓを供給することにより形成する。基板温度は、例えば５００℃とする。中間層１８により、基板表面が全体として平坦化される。
【００４６】
次に、例えばＭＢＥ法により、量子ドット層１６を形成する。量子ドット層１６としては、例えばＧａＳｂ層を形成する。量子ドット層１４が形成された下地上に量子ドット層１６を成長すると、下地の量子ドット１５上に量子ドット１７が形成されやすい傾向がある。このため、量子ドット１５に重なり合うように量子ドット１７が自己形成される。
【００４７】
量子ドット層１６は、例えば以下のようにして形成する。即ち、まず、０．７分子層相当のＧａＳｂを供給し、この後、Ｇａの供給を中止するとともに、Ｓｂの供給を継続する。そうすると、良質な量子ドット層１６が形成される。なお、基板温度は、例えば５００℃とする。量子ドット層１６を成長する際における原料の供給量を、量子ドット層１４を成長する際における原料の供給量より少なく設定しているのは、上述したように、量子ドット層１６に欠陥が生じるのを防止するためである。
【００４８】
次に、図４（ｂ）に示すように、中間層１８を形成する。中間層１８は、上記と同様にして形成することができる。
【００４９】
この後、量子ドット層１４と量子ドット層１６とを、中間層１８を介して交互に繰り返し形成する。こうして、量子ドット層１４と量子ドット層１６とが中間層１８を介して積層して成る積層膜２０が形成される。量子ドット１４、１６及び中間層１８は、上記と同様にして形成することができる。但し、最下層の量子ドット層１４以外の量子ドット層１４、１６を形成する際には、原料の供給量を例えば０．７分子層相当とする。最下層以外の量子ドット層１４、１６を形成する際に原料の供給量を比較的少なく設定するのは、上述したように、量子ドット層１４、１６に欠陥が生じるのを防止するためである。また、下地に量子ドット１５、１７が存在している状態で量子ドット層１４、１６を形成すれば、原料の供給量が少なくても、量子ドット１５、１７を自己成長することができるためである。
【００５０】
こうして、材料が互いに異なる複数の量子ドット１５、１７が積層されて成る積層体２２を有する活性層２４が形成される。
【００５１】
こうして、本実施形態による量子半導体装置が製造される。
【００５２】
（変形例）
次に、本実施形態による量子半導体装置の変形例を図５及び図６を用いて説明する。図５は、本変形例による量子半導体装置を示す断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）において円で囲まれた部分を拡大して示したものである。
【００５３】
本変形例による量子半導体装置は、バッファ層１２ａと中間層１８ａの材料としてＡｌＧａＡｓが用いられており、量子ドット層１４の材料としてＩｎＡｓが用いられており、量子ドット層１６ａの材料としてＩｎＰが用いられていることに主な特徴がある。
【００５４】
図５に示すように、半導体基板１０上には、バッファ層１２ａが形成されている。バッファ層１２ａの材料としては、ＡｌＧａＡｓが用いられている。
【００５５】
バッファ層１２ａ上には、量子ドット層１４と量子ドット層１６ａとを中間層１８ａを介して積層して成る積層膜２０ａが形成されている。
【００５６】
量子ドット層１４の材料としては、図１に示す量子半導体装置と同様に、ＩｎＡｓが用いられている。量子ドット層１４には、図１に示す量子半導体装置と同様に、量子ドット１５が形成されている。
【００５７】
中間層１８ａの材料としては、ＡｌＧａＡｓが用いられている。
【００５８】
量子ドット層１６ａの材料としては、ＩｎＰが用いられている。量子ドット層１６ａには、量子ドット１７ａが形成されている。量子ドット１７ａは、量子ドット１７と同様に、Ｓ−Ｋモードにより自己形成された３次元成長島より成るものである。
【００５９】
こうして、量子ドット１５と量子ドット１７ａとが交互に積層されて成る積層体２２ａが構成されている。
【００６０】
このようにして、積層体２２ａを含む活性層２４ａを有する量子半導体装置が構成されている。
【００６１】
図６は、積層体２２ａのエネルギーバンド構造を示す図である。
【００６２】
図６から分かるように、本変形例による量子半導体装置では、量子ドット１５と量子ドット１７ａとにより構成されるエネルギーバンドラインナップは、タイプＩとなっている。
【００６３】
本変形例では、このようなエネルギーバンド構造になっているため、ＩｎＡｓより成る量子ドット１５のみを用いて活性層を形成した場合と比較して、発光波長を短波長側にシフトすることが可能となる。
【００６４】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による量子半導体装置及びその製造方法を図７乃至図１０を用いて説明する。図７は、本実施形態による量子半導体装置を示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）において円で囲まれた部分を拡大して示したものである。
図１乃至図６に示す第１実施形態による量子半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００６５】
本実施形態による量子半導体装置は、量子ドット層１４と量子井戸層１６ｂとを積層することにより、積層体２２ｂが形成されていることに主な特徴がある。
【００６６】
図７に示すように、バッファ層１２上には、量子ドット層１４と量子井戸層１６ｂとを中間層１８を介して交互に積層して成る積層膜２０ｂが形成されている。
【００６７】
量子井戸層１６ｂの材料としては、例えばＧａＳｂが用いられている。量子井戸層１６ｂは、例えば１分子層相当の原料を供給することにより形成されている。
【００６８】
量子ドット１４間に存在する量子井戸層１６ｂと量子ドット１４とにより、全体として積層体２２ｂが構成されている。
【００６９】
こうして、積層体２２ｂを含む活性層２４ｂを有する量子半導体装置が構成されている。
【００７０】
図８は、積層体２２ｂのエネルギーバンド構造を示す図である。
【００７１】
図８から分かるように、ＩｎＡｓより成る量子ドット１５とＧａＳｂより成る量子ドット１６ｂとに構成されるエネルギーバンドラインナップは、タイプＩＩとなっている。このように、本実施形態によっても、図２に示す第１実施形態による量子半導体装置のエネルギーバンド構造と同様のエネルギーバンド構造を得ることができる。
【００７２】
なお、バッファ層１２及び中間層１８ｂの材料としてＡｌＧａＡｓを用い、量子ドット層１４の材料としてＩｎＡｓを用い、量子井戸層１６ｂの材料としてＩｎＰを用いれば、図６に示す量子半導体装置と同様のエネルギーバンド構造を得ることも可能である。
【００７３】
本実施形態のように、量子ドット層１４と量子井戸層１６ｂとを交互に積層した場合であっても、積層体２２ｂを有する量子半導体装置を提供することができる。
【００７４】
（量子半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態による量子半導体装置の製造方法を図９及び図１０を用いて説明する。図９及び図１０は、本実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００７５】
まず、図３（ａ）を用いて上述した量子半導体装置の製造方法と同様にして、半導体基板１０上に、バッファ層１２を形成する（図９（ａ）参照）。
【００７６】
次に、図３（ｂ）を用いて上述した量子半導体装置の製造方法と同様にして、バッファ層１０上に、量子ドット層１４を形成する（図９（ｂ）参照）。
【００７７】
次に、図３（ｃ）を用いて上述した量子半導体装置の製造方法と同様にして、量子ドット層１０上に、中間層１８を形成する（図９（ｃ）参照）。
【００７８】
次に、図４（ａ）に示すように、ＭＢＥ法により、量子井戸層１６ｂを形成する。量子井戸層１６ｂの材料としては、例えばＧａＳｂを用いる。量子井戸層１６ｂは、例えば１分子層相当の原料を供給することにより形成する。原料の供給量が比較的少ないため、量子ドットが形成されず、量子井戸層１６ｂとなる。量子井戸層１６ｂを形成する際の基板温度は、例えば５００℃とする。
【００７９】
次に、図４（ｂ）に示すように、中間層１８を形成する。中間層１８は、上記と同様にして形成することができる。
【００８０】
この後、図４（ｃ）に示すように、量子ドット層１４と量子井戸層１６ｂとを、中間層１８を介して交互に繰り返し形成する。こうして、量子ドット層１４と量子ドット層１６ｂとが中間層１８を介して積層して成る積層膜２０ｂが形成される。量子ドット１４、量子井戸層１６ｂ及び中間層１８は、上記と同様にして形成することができる。但し、最下層の量子ドット層１４以外の量子ドット層１４を形成する際には、原料の供給量を例えば０．７分子層相当とする。最下層以外の量子ドット層１４を形成する際に原料の供給量を比較的少なく設定するのは、上述したように、量子ドット層１４に欠陥が生じるのを防止するためである。また、下地に量子ドット１５が存在している状態で量子ドット層１４を形成すれば、原料の供給量が少なくても、量子ドット１５を自己成長することができるためである。
【００８１】
こうして、材料が互いに異なる量子ドット１５と量子井戸層１６ｂとが積層されて成る積層体２２ｂを有する活性層２４ｂが形成される。
【００８２】
このようにして、本実施形態による量子半導体装置が製造される。
【００８３】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による量子半導体装置を図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態による量子半導体装置を示す断面図である。図１乃至図１０に示す第１又は第２実施形態による量子半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００８４】
本実施形態による量子半導体装置は、他の積層体２２ｃが更に積層されており、積層体２２の平均組成と他の積層体２２ｃの平均組成とが互いに異なることに主な特徴がある。
【００８５】
図１１に示すように、積層膜２０上には、中間層１８ｂを介して、積層膜２０ｃが形成されている。
【００８６】
積層膜２０は、上述したように、量子ドット層１４と量子ドット層１６とを中間層１８を介して交互に積層することにより形成されている。積層膜２０における最下層の量子ドット層１４については、１．８分子層（ＭＬ、Ｍｏｎｏ−Ｌａｙｅｒ）相当の原料を供給することにより形成されている。積層膜２０における最下層以外の量子ドット１４、１６については、０．７分子層相当の原料を供給することにより形成されている。
【００８７】
積層膜２０ｃは、量子ドット層１４と量子ドット層１６とを中間層１８を介して交互に積層することにより形成されている。積層膜２０ｃにおける最下層の量子ドット１４については、上記と同様に、１．８分子層相当の原料を供給することにより形成されている。積層膜２０ｃにおける最下層以外の量子ドット層１４については、０．７分子層相当の原料を供給することにより形成されている。積層膜２０ｃにおける量子ドット層１６については、上記と同様に、０．７分子層相当の原料を供給することにより形成されている。
【００８８】
中間層１８ｂは、例えば２０ｎｍ相当以上の原料を供給することにより形成されている。
【００８９】
こうして、積層膜２０と積層膜２０ｃとを含む活性層２４ｃを有する量子半導体装置が構成されている。
【００９０】
本実施形態によれば、積層膜２０における２層目以降の量子ドット層１４を形成する際に用いられる原料の供給量と、積層体２０ｃにおける２層目以降の量子ドット層１４を形成する際に用いられる原料の供給量とが互いに異なるため、積層体２２の平均組成と積層体２２ｃの平均組成とが互いに異なっている。このため、本実施形態によれば、積層体２２と積層体２２ｃとにおいて、互いに異なる特性を得ることができる。本実施形態によれば、平均組成が互いに異なる積層体２２、２２ｃが中間層１８ｂを介して積層されているため、多様なエネルギーバンド構造を実現することができる。
【００９１】
このように、互いに平均組成が異なる積層体２２、２２ｃを中間層１８ｂを介して積層するようにしてもよい。
【００９２】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００９３】
例えば、上記実施形態では、バッファ層、即ち下地結晶の材料としてＧａＡｓやＡｌＧａＡｓを用いたが、バッファ層の材料は、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓに限定されるものではない。例えば、バッファ層の材料として、ＩｎＰ等を用いてもよい。
【００９４】
また、上記実施形態では、中間層の材料としてＧａＡｓやＡｌＧａＡｓを用いたが、中間層の材料はＧａＡｓやＡｌＧａＡｓに限定されるものではない。バッファ層、即ち下地結晶とほぼ格子整合する材料を適宜用いることができる。バッファ層の材料として例えばＩｎＰを用いた場合には、中間層の材料として例えばＩｎＰを用いることができる。
【００９５】
また、上記実施形態では、量子ドット層や量子井戸層の材料として、ＩｎＡｓやＧａＳｂ等を用いたが、量子ドット層や量子井戸層の材料は、これらの材料に限定されるものではない。バッファ層や中間層と格子定数が異なる材料を適宜用いることができる。バッファ層の材料として、例えばＧａＡｓやＡｌＧａＡｓを用いる場合には、量子ドット層や量子井戸層の材料として、例えば、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ等を用いることが可能である。また、バッファ層の材料として、例えばＩｎＰを用いる場合には、量子ドット層や量子井戸層の材料として、例えば、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ等を用いることが可能である。
【００９６】
また、上記実施形態では、材料が互いに異なる量子ドット層等を中間層を介して交互に積層したが、材料が互いに異なる量子ドット層等は必ずしも交互に積層しなくてもよい。所望のエネルギーバンド構造が得られるように、材料が互いに異なる量子ドット層を形成する周期を適宜設定してもよい。また、材料が互いに異なる量子ドット層等を周期的に積層することなく、変則的に積層してもよい。
【００９７】
また、量子ドット層や量子井戸層を形成する際に用いる原料の供給量は、上記に限定されるものではない。所望の特性の積層体が得られるように、量子ドット層や量子井戸層を形成する際に用いる原料の供給量を適宜設定すればよい。
【００９８】
また、積層体を形成した後に、積層体を混晶化するための熱処理を行ってもよい。
【００９９】
（付記１）  材料が互いに異なる量子ドットが複数積層されて成る積層体を有する
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１００】
（付記２）  材料が互いに異なる量子ドットと量子井戸とが積層されて成る積層体を有する
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０１】
（付記３）  付記１又は２記載の量子半導体装置において、
前記量子ドットは、Ｓ−Ｋモードによって自己形成された３次元成長島より成る
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０２】
（付記４）  付記１記載の量子半導体装置において、
前記量子ドットは、中間層を介して積層されている
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０３】
（付記５）  付記２記載の量子半導体装置において、
前記量子ドットと前記量子井戸とが、中間層を介して積層されている
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０４】
（付記６）  付記１記載の量子半導体装置において、
前記量子ドットは、１０ｎｍ以下の間隔で互いに近接している
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０５】
（付記７）  付記２記載の量子半導体装置において、
前記量子ドットと前記量子井戸とが、１０ｎｍ以下の間隔で互いに近接している
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０６】
（付記８）  付記１乃至７のいずれかに記載の量子半導体装置において、
前記積層体は、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓより成る下地結晶上に形成されており、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ及びＡｌＳｂのいずれかより成る
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０７】
（付記９）  付記１乃至７のいずれかに記載の量子半導体装置において、
前記積層体は、ＩｎＰより成る下地結晶上に形成されており、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓのいずれかより成る
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０８】
（付記１０）  付記１乃至９のいずれかに記載の量子半導体装置において、
前記積層体上に形成された他の積層体を更に有し、
一の前記積層体の平均組成と、他の前記積層体の平均組成とが互いに異なる
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１０９】
（付記１１）  付記１乃至１０のいずれかに記載の量子半導体装置において、
前記積層体が混晶化されている
ことを特徴とする量子半導体装置。
【０１１０】
（付記１２）  下地結晶上に、前記下地結晶と格子定数が異なる材料より成る量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る量子ドットを自己形成する工程と、
前記量子ドット層上に、前記下地結晶と格子定数がほぼ等しい材料より成る中間層をエピタキシャル成長する工程と、
前記中間層上に、前記量子ドット層と異なる材料より成る他の量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る他の量子ドットを前記量子ドット上に自己形成する工程と
を有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【０１１１】
（付記１３）  下地結晶上に、前記下地結晶と格子定数が異なる材料より成る量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島より成る量子ドットを自己形成する工程と、
前記量子ドット層上に、前記下地結晶と格子定数がほぼ等しい材料より成る中間層をエピタキシャル成長する工程と、
前記中間層上に、前記量子ドット層と異なる材料より成る量子井戸層をエピタキシャル成長する工程と
を有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【０１１２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、材料が互いに異なる複数の量子ドット等を積層することにより積層体が構成されているため、所望のエネルギーバンド構造を得ることができる。このため、本発明によれば、所望の動作波長の量子半導体装置を提供することができる。
【０１１３】
また、複数の量子ドット等を積層することにより積層体が構成されているため、各々の量子ドットにおいてサイズのばらつきが存在していたとしても、これら各々の量子ドットのサイズのばらつきは、全体として相殺することができる。従って、本発明によれば、均一なサイズの積層体を有する量子半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による量子半導体装置を示す断面図である。
【図２】積層体のエネルギーバンド構造を示す図（その１）である。
【図３】本発明の第１実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図４】本発明の第１実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例による量子半導体装置を示す断面図である。
【図６】積層体のエネルギーバンド構造を示す図（その２）である。
【図７】本発明の第２実施形態による量子半導体装置を示す断面図である。
【図８】積層体のエネルギーバンド構造を示す図（その３）である。
【図９】本発明の第２実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１０】本発明の第２実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１１】本発明の第３実施形態による量子半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板
１２、１２ａ…バッファ層
１４…量子ドット層
１５…量子ドット
１６、１６ａ…量子ドット層
１６ｂ…量子井戸層
１７、１７ａ…量子ドット
１８、１８ａ、１８ｂ…中間層
２０、２０ａ〜２０ｃ…積層膜
２２、２２ａ〜２２ｃ…積層体
２４、２４ａ〜２４ｃ…活性層
【図１】
2004235329.tif 000003
【図２】
2004235329.tif 000004
【図３】
2004235329.tif 000005
【図４】
2004235329.tif 000006
【図５】
2004235329.tif 000007
【図６】
2004235329.tif 000008
【図７】
2004235329.tif 000009
【図８】
2004235329.tif 000010
【図９】
2004235329.tif 000011
【図１０】
2004235329.tif 000012
【図１１】
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