(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族元素を含む窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上に形成されたＳｉがドープされたIII族元素を含む窒化物半導体からなる複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層された多層構造を備え、前記Ｓｉのドープ量が前記量子ドット層毎で異なっており、前記量子ドット層の前記Ｓｉのドープ量は、下層から上層にいくに従って増加していることを特徴とする半導体量子ドット素子。
【請求項２】
前記窒化物半導体層はＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮのいずれかであり、前記量子ドット層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＡｌＮのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の半導体量子ドット素子。
【請求項３】
前記量子ドットにドープされたＳｉの濃度は、１×１０２０／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体量子ドット素子。
【請求項４】
前記量子ドット層の全量子ドットは高さが０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲にあって、ほぼ均一であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体量子ドット素子。
【請求項５】
III族元素を含む窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層上に、ＳｉがドープされたIII族元素を含む窒化物半導体からなる量子ドットを複数個有する量子ドット層を形成する工程と、を所定の量子ドット層数となるまで繰り返し、前記窒化物半導体層と前記量子ドット層とが交互に積層された多層構造を形成する工程と、
最上層の前記量子ドットをIII族元素を含む窒化物半導体からなる層で埋め込む工程と、
を含み、
下層から上層の前記量子ドット層を形成するにつれて前記量子ドットにドープされるＳｉの量を多くすることを特徴とする半導体量子ドット素子の製造方法。
【請求項６】
前記量子ドット層を形成する工程は、
前記窒化物半導体層上に、III族元素がリッチな条件下でIII族元素、窒素、Ｓｉを同時に供給し、Ｓｉがドープされた量子ドットを成長する工程
を含むことを特徴とする請求項５記載の半導体量子ドット素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体量子ドット素子を活性層として備えていることを特徴とする半導体量子ドットレーザ。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体量子ドット素子をスイッチ部として備えていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体量子ドット素子を光検出素子として備えていることを特徴とする光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体量子ドット素子、その製造方法、光スイッチ、半導体レーザ、および光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子ドットは半導体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】
ＧａＮの量子ドットは、近年ではＡｌＮ基板上において約３００ｎｍ〜４００ｎｍ帯での発光が可能となっており、照明用レーザ等の分野において注目を集めている。また、Ｓｉが添加されたＧａＮの量子ドットは、サブバンド間遷移として１．３μｍ〜１．５５μｍでの遷移が可能であることから光通信分野においても注目されている。現在、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（Ｓ−Ｋ）成長モードによる自己形成技術が簡便な方法として利用されている（例えば、特許文献１）。また、量子ドットをデバイスへ応用する際、高効率化、大面積化などの観点から量子ドットのサイズ、密度、量子ドットの位置を制御することが重要になる。
【０００４】
Ｓ−Ｋ成長モードを用いて、量子ドットの多層構造からなる半導体量子ドット素子を作製した技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この非特許文献１に記載の技術は、まず、窒化物半導体層上に量子ドット層を形成し、その後、この量子ドット層を覆う埋め込み層を形成する。さらに、量子ドット層の形成と埋め込み層の形成を順次繰り返して、多層構造の半導体量子ドット素子を形成する。この、非特許文献１に記載の技術によって形成された半導体量子ドット素子においては、多層化が進むにつれて量子ドットの直径は大きくなる。そして、そのまま多層化を続けると、上面の平坦性は荒れ、量子ドットの成長は難しくなる。これは、多層化が進むにつれて量子ドット層全体の歪が増し、その結果、量子ドット層に欠陥、転位ができやすくなり、最終的には平坦な量子ドット層を得ることが難しくなってしまうためである。このような量子ドットの多層構造を量子ドット素子として使用した場合、発光効率が悪くなる。
【特許文献１】特開２００６−２６９８８６号公報
【非特許文献１】Applied Physics Letters 84, 4224 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、Ｓ−Ｋ成長モードを利用して窒化物半導体層上に多層量子ドットを成長した場合、一層ごとに積層成長する際、上の層に行くほどに量子ドット層の直径は大きくなり、量子ドット層全体の歪が増す。その結果、欠陥、転位ができやすくなり、最終的には平坦な量子ドット層を得ることが難しくなってしまう。つまり、通常のＳ−Ｋ成長モードで多層構造の量子ドット層を成長した場合、直径は分布を広く持ち、その結果、不均一でブロードなバンド構造を持つ活性層となる。また、量子ドットのサイズがそろわないため歪が増し、多層化が難しく、欠陥、転位ができやすい。このような活性層を量子ドットレーザや光スイッチに用いた場合、バンドギャップの不均一さが原因で発光効率の悪い光デバイスとなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、多層化しても直径が均一な量子ドットを有する半導体量子ドット素子、その製造方法、上記量子ドット素子を備えた光スイッチ、半導体レーザ、および光検出器を提供することを目的とする。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様による半導体量子ドット素子は、III族元素を含む窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上に形成されたＳｉがドープされたIII族元素を含む窒化物半導体からなる複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層された多層構造を備え、前記Ｓｉのドープ量が前記量子ドット層毎で異なっていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２の態様による半導体量子ドットの製造方法は、III族元素を含む窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層上に、ＳｉがドープされたIII族元素を含む窒化物半導体からなる量子ドットを複数個有する量子ドット層を形成する工程と、を所定の量子ドット層数となるまで繰り返し、前記窒化物半導体層と前記量子ドット層とが交互に積層された多層構造を形成する工程と、最上層の前記量子ドットをIII族元素を含む窒化物半導体からなる層で埋め込む工程と、を含み、下層から上層の前記量子ドット層を形成するにつれて前記量子ドットにドープされるＳｉの量を多くすることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第３の態様による半導体量子ドットレーザは、上記第１の態様による半導体量子ドット素子を活性層として備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第４の態様による光検出器は、上記第１の態様による半導体量子ドット素子を光検出素子として備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第５の態様による光スイッチは、上記第１の態様による半導体量子ドット素子をスイッチ部として備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多層化しても直径が均一な量子ドットを有する半導体量子ドット素子、その製造方法、上記量子ドット素子を備えた半導体量子ドットレーザ、光検出器、および光スイッチを提供することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯を説明する。
【００１４】
まず、本発明者達は、量子ドットの多層構造からなる半導体量子ドット素子において、多層化が進むにつれて量子ドットの直径が大きくなるのを防止するためには、量子ドットにＳｉ原子をドープし、Ｓｉ原子のドープ量を形成する層毎に変えればよいのではないかと考えた。そこで、Ｓｉ原子のドープ量に応じて、量子ドットの直径および高さがどのように変化するかを調べる実験を行った、ＳｉがドープされたＧａＮからなる量子ドットの成長は、原料Ｇａ、Ｎの供給と同時にＳｉ原子も供給して行った。なお、以下の実験においては、ＧａＮからなる量子ドットの成長は通常、Ｎリッチな条件下で行われるが、本発明者達は、Ｇａリッチな条件下で行った。これは、量子ドットでないＧａＮ層の成膜をＮリッチな条件下で行うと、高品質なＧａＮ層を形成することが難しいためである。
【００１５】
上記実験の結果を図４に示す。図４に示すグラフｇ１からわかるように、成長する量子ドットの高さは、Ｓｉ原子のドープ量が１０１７原子／ｃｍ３以上から１０１９原子／ｃｍ３以下までの範囲では緩やかに増加し、Ｓｉ原子のドープ量が１０１９原子／ｃｍ３を超えると緩やかに減少するが、１０１７原子／ｃｍ３以上から１０２０原子／ｃｍ３以下まで範囲においては、ほぼ一定（ほぼ１ｎｍ）となっている。また、成長する量子ドットの直径は、Ｓｉ原子のドープ量が１０１７原子／ｃｍ３から１０２０原子／ｃｍ３に増加するにつれて、３５ｎｍから１８ｎｍに直線的に減少している（図４のグラフｇ２参照）。なお、量子ドット内のＳｉ原子の濃度は、３次元アトムプローブ（ＬＥＡＰ(Local Electrode Atom Probe))を用いて測定し、量子ドットのサイズ（高さおよび直径）は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ(Transmission Electron Microscope)）を用いて測定した。
【００１６】
次に、Ｓｉ原子のドープ量を層毎に変えないで、一定の量のＳｉ原子を成膜時にドープして製造した半導体量子ドット素子の積層数と、量子ドットの直径および高さとの関係を調べる実験を行った。この実験で作成した量子ドットはＳｉ原子がドープされたＧａＮからなっている。この半導体量子ドット素子の製造は、図６に示すように、まず、例えば、ＡｌＮからなる基板２０上にＳｉ原子２４がドープされたＧａＮからなる量子ドットを有する量子ドット層２２ａを形成し、その後、窒化物半導体からなる埋め込み層２６ａを形成する。その後は、量子ドット層および埋め込み層を交互に積層することを所定の層数となるまで繰り返す。すなわち量子ドット層２２ｂ、埋め込み層２６ｂ、量子ドット層２２ｃ、埋め込み層２６ｃ、量子ドット層２２ｄ、埋め込み層２６ｄのように順次積層していく。ただしＳｉ原子２４のドープ量は層毎に変えないで、一定とした。このようにして形成した半導体量子ドット素子について、実験を行った。この実験の結果を図５に示す。この図５に示すグラフｋ１からわかるように、積層数が増えても量子ドットの高さはほぼ一定（ほぼ１ｎｍ）であるが、量子ドットの直径は層数が増すに連れて２０ｎｍから４０ｎｍに増大している（図５のグラフｋ２参照）。
【００１７】
そして、Ｓｉ原子のドープ量は層毎に変えないで、一定として、量子ドット層および埋め込み層を交互に積層することを繰り返していくと、層数が多くなると、図６に示すように、平坦性は荒れ、量子ドットの成長は難しくなる。ついには膜崩壊した量子ドット層２８と膜崩壊した埋め込み層２９が生じ、平坦性が非常に悪くなる。
【００１８】
以上のことにより、図４および図５に示す実験結果は、「多層化が進むにつれて量子ドットの直径が大きくなるのを防止するためには、量子ドットにＳｉ原子をドープし、Ｓｉ原子のドープ量を形成する層毎に変えればよい」という本発明者達の考えが正しいことを裏付けている。
【００１９】
次に、本発明の実施形態を以下に詳細に説明する。
【００２０】
（一実施形態）
本発明の一実施形態による半導体量子ドット素子を図１に示す。図１は、本実施形態の半導体量子ドット素子の断面図である。本実施形態の半導体量子ドット素子は、複数の量子ドットを有する量子ドット層が多層に積層された構造を有している。窒化物半導体層１０上に、窒化物半導体層１０と格子定数が異なる窒化物半導体からなる量子ドット層１２ａが形成され、この量子ドット層１２ａの凹凸を埋め込むように、量子ドット層とは格子定数が異なる窒化物半導体からなる埋め込み層１６ａが形成され、この埋め込み層１６ａ上に窒化物半導体からなる量子ドット層１２ｂが形成されている。量子ドット層１２ｂの凹凸を埋め込むように、量子ドット層とは格子定数が異なる窒化物半導体からなる埋め込み層１６ｂが形成され、この埋め込み層１６ｂ上に窒化物半導体からなる量子ドット層１２ｃが形成されている。この量子ドット層１２ｃの凹凸を埋め込むように、量子ドット層とは格子定数が異なる窒化物半導体からなる埋め込み層１６ｃが形成され、この埋め込み層１６ｃ上に窒化物半導体からなる量子ドット層１２ｄが形成されている。この量子ドット層１２ｄの凹凸を埋め込むように、量子ドット層とは格子定数が異なる窒化物半導体からなる埋め込み層１６ｄが形成され、この埋め込み層１６ｄ上に窒化物半導体からなる量子ドット層１２ｅが形成され、この量子ドット層１２ｅの凹凸を埋め込むように、量子ドット層とは格子定数が異なる窒化物半導体からなる埋め込み層１６ｅが形成されている。なお、各量子ドット層は、薄膜層１２１と、複数の量子ドット１２２とからなっている。
【００２１】
すなわち、本実施形態の半導体量子ドット素子は、５層の量子ドット層が積層された構造を有している。窒化物半導体層１０の材料としては、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＮが用いられ、窒化物半導体からなる量子ドット層１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅの材料としては、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＮが好ましく、III族リッチな量子ドット成長条件下で形成する。なお、III族リッチな量子ドット成長条件は、製造方法で詳細に説明する。
【００２２】
そして、各量子ドット層にはＳｉ原子１４がドープされており、各量子ドット層におけるＳｉ原子１４の濃度が異なっている。結晶成長方向に沿って量子ドット内部のＳｉ原子１４の濃度が高くなっている。すなわち、量子ドット層１２ａよりも上層の量子ドット層１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅのＳｉ原子１４の濃度は高く、量子ドット層１２ｂよりも量子ドット層１２ｃ、１２ｄ、１２ｅのＳｉ原子１４の濃度は高く、量子ドット層１２ｃよりも量子ドット層１２ｄ、１２ｅのＳｉ原子１４の濃度は高く、量子ドット層１２ｄよりも量子ドット層１２ｅのＳｉ原子１４の濃度は高くなっている。
【００２３】
しかし、各量子ドット層におけるＳｉ原子１４の濃度は好ましくは１０２０原子／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、例えば量子ドット層がＧａＮからなっている場合にＳｉをドープするとＧａＮの内部に欠陥が発生しＧａＮの量子効率が落ちる可能性があるが、ドープするＳｉ原子の濃度を１０２０原子／ｃｍ３以下にすることで欠陥の発生を小さくすることができ、量子効率の低下を可及的に防止することが可能となるためである。
【００２４】
また、本実施形態の半導体量子ドット素子においては、各量子ドット層の量子ドット１２２の直径ｄ、高さｈはほぼ均一にされており、量子ドット１２２の高さｈは０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲の値となっている。また、量子ドット１２２の直径ｄは、８ｎｍ〜７０ｎｍの範囲の値となっており、８ｎｍ〜６０ｎｍの範囲の値であることが好ましいく、１２ｍ〜６０ｎｍの範囲の値であることが更に好ましい。ここで、ほぼ均一とは、全ての量子ドット１２２の高さまたは直径がある一定値の±２０％の範囲にあることを意味する。なお、量子ドット１２２の高さｈとは、図１に示すように、下地の窒化物半導体層との界面から量子ドット１２２の上面までの距離を意味し、直径ｄとは、量子ドット１２２の最大径を意味する。
【００２５】
次に、本実施形態の半導体量子ドット素子の製造方法を、図２を参照して説明する。この製造方法は、窒化物半導体層を形成する工程と（図２のステップＳ１参照）、わずかにIII族リッチな条件下で窒化物半導体層上にＳｉ原子がドープされた量子ドット層を形成する工程と（図２のステップＳ２参照）、量子ドット層の凹凸を埋め込むように窒化物半導体からなる埋め込み層（窒化物半導体層）を形成する工程と（図２ステップＳ３参照）、積層された量子ドット層の数が所定の層数か否かを判定する工程と（図２のステップＳ４参照）、まだ所定の層数に達していない場合にはＳｉのドープ量を増加し（図２のステップＳ５参照）、ステップＳ２に戻って所定の層数になるまで繰り返す工程と、を備えている。
【００２６】
すなわち、本実施形態の半導体量子ドット素子の製造方法においては、窒化物半導体層１０上に量子ドット層１２を形成する場合は図３（ａ）に示すようにドープするＳｉ原子の量を少なくし、２層目以上の量子ドット層１２を形成する場合は図３（ｂ）に示すようにドープするＳｉ原子の量を上層の量子ドット層１２になるほど多くする。
【００２７】
なお、量子ドット層を形成する工程は、後述する実施例で説明するように、窒化物半導体層上のIII族の金属の微粒子を成長の中断により除去する工程と、わずかにIII族リッチな条件下で窒化物半導体層上にＳｉ原子を添加した量子ドットを成長する工程と、量子ドット形成用の原料供給を停止する工程と、を含んでいてもよい。
【００２８】
次に、わずかにIII族リッチな条件下を、例えば成長する窒化物半導体がＧａＮである場合を例にとって説明する。ＧａＮを成長させるとき、Ｇａの流量はルツボに入って溶融しているＧａの温度によって制御され、窒素の流量は流量計で制御する。ルツボに入っている溶融しているＧａの温度を上昇すると、Ｇａの流量は上がる。そして、Ｇａリッチ（Ｇａの流量がＮの流量よりも多い場合）であれば基板温度が下がり、窒素リッチ（Ｎの流量がＧａの流量よりも多い場合）であれば基板温度は下がる。どちらの条件でもない場合、すなわち流量が一定の場合基板温度は上がりもせず、下がりもしない。したがって、成長条件がＧａリッチか、窒素リッチかはパイロメータという基板温度を測定する装置で判断することになる。本実施形態では、パイロメータにより示される基板温度が一定になった後、ルツボに入っている溶融しているＧａの温度を２℃〜４℃上げてＧａの流量を増やすことでＧａリッチな成長条件としている。成長する窒化物半導体がＡｌＮの場合も同様となる。例えば、ＧａＮの場合、ルツボに入って溶融しているＧａの温度は９５４℃、窒素流量０．２５ｓｃｃｍ、高周波パワーは３００Ｗである。また、ＡｌＮの場合、ルツボに入って溶融しているＡｌの温度は１１４４℃、窒素流量０．２５ｓｃｃｍ、高周波パワーは３００Ｗである。
【００２９】
図５で説明したように、ドープするＳｉ原子の量を層毎に変えない場合は、形成される量子ドットの直径は層数が増すに連れて大きくなっている。しかし、本実施形態で説明した製造方法を用いて、直径が３５ｎｍ、高さが１ｎｍの量子ドットを各層に形成する場合は、図５のグラフｋ３に示すように、１層目の量子ドットのＳｉ原子のドープ量は１×１０１５原子／ｃｍ３で、２０層目の量子ドットのＳｉ原子のドープ量は１×１０１８原子／ｃｍ３で、４０層目の量子ドットのＳｉ原子のドープ量は１×１０１９原子／ｃｍ３であった。また、本実施形態で説明した製造方法を用いて、直径が２５ｎｍ、高さが１ｎｍの量子ドットを各層に形成する場合は、図５のグラフｋ４に示すように、１層目の量子ドットのＳｉ原子のドープ量は１×１０１７原子／ｃｍ３で、２０層目の量子ドットのＳｉ原子のドープ量は１×１０１８原子／ｃｍ３で、４０層目の量子ドットのＳｉ原子のドープ量は１×１０１９原子／ｃｍ３であった。
【００３０】
上述したように、本実施形態の半導体量子ドット素子の製造工程においては、量子ドットはドープするＳｉ原子の濃度により、高さを一定に保ちながら、直径を制御することができる。すなわち、ＧａＮからなる量子ドットの成長温度、原料の供給量により量子ドットのサイズを制御するのではなく、Ｓｉ原子の供給量によってＧａＮからなる量子ドットの直径の制御が可能となる。したがって、本実施形態で説明した製造方法によって、多層化した半導体量子ドット素子を形成する場合に、量子ドットを自在なサイズで高さ、直径を均一に保ったまま成長することができる。
【００３１】
なお、本実施形態においては、ＳｉがドープされたＧａＮからなる量子ドットを形成する際に、わずかにＧａリッチな成長条件下で行ったが、製造された量子ドットにはＳｉが均一にドープされている。これにより、Ｇａリッチな成長条件下で量子ドットを形成することにより、高品質なＧａＮからなる量子ドットを得ることができる。
【００３２】
また、ＧａＮからなる量子ドットにＳｉをドープすると内部電界の影響が大きくなり、ＧａＮからなる量子ドットの量子効率が落ちる可能性があるが、ＧａＮからなる量子ドットの高さを１．５ｎｍ以下にすることで内部電界の影響を小さくできる。
【００３３】
また、ＧａＮからなる量子ドットにＳｉをドープするとＧａＮからなる量子ドットの格子定数が大きくなりバンドギャップが変化する可能性がある。我々の実験により得られたＳｉ濃度とＧａＮからなる量子ドットのサイズの関係から、Ｓｉのドープ量に対するＧａＮからなる量子ドットの格子定数を見積もると、Ｓｉのドープ量が１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲で変化するとき、ＧａＮからなる量子ドットの格子定数の変化は１．５％程度である。また、Ｓｉのドープ量が１×１０１７ｃｍ−３以下の場合、格子定数の変化はわずかである。ＧａＮからなる量子ドットの格子定数が１．５％変化したときのＧａＮ量子ドットのバンド構造の変化はせいぜい１５ｎｍであることが、例えばPhysical Review B 54, 13460 (1996)に示されている。この変化は光スイッチ、量子ドットレーザ、光検出器に用いた場合、スイッチングエネルギー、閾値、光出力、暗電流などの特性に与える影響はＧａＮからなる量子ドットのサイズの均一性による影響に比べれば無視できるほど小さい。
【００３４】
したがって、ＧａＮからなる量子ドットの高さ１．５ｎｍ以下、Ｓｉのドープ量が１×１０２０ｃｍ−３以下であれば、ＧａＮからなる量子ドットを多層化しても高さ及び直径を均一にすることができるので、均一なバンド構造を有する量子ドット構造を得ることが可能となる。
【００３５】
この構造を利用して作製した活性層は、量子ドットレーザ、光スイッチ、光検出器などのデバイスに応用すると高効率なデバイスが作製可能となる。
【００３６】
また、本実施形態においては、ＧａＮからなる量子ドットを例として挙げたが、ＧａＮに限定されるものではない。
【００３７】
次に、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３８】
本発明の実施例１による半導体量子ドット素子の製造方法を説明する。本実施例の製造方法は、図２に示す製造方法であって、更に、量子ドット層を形成する工程が、窒化物半導体層上のIII族の金属の微粒子を成長の中断により除去する工程と、わずかにIII族リッチな条件下で窒化物半導体層上にＳｉ原子を添加した量子ドットを成長する工程と、量子ドット形成用の原料供給を停止する工程と、を含んでいるものである。なお、本実施例の製造方法には、分子線エピタキシー法が用いられる。
【００３９】
すなわち、本実施例の半導体量子ドットの製造方法は、まず、窒化物半導体層を形成する（図２のステップＳ１）。窒化物半導体層の材料としては、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮが用いられる。本実施例では、ＡｌＮを用いた。続いて、わずかにIII族リッチな条件下で窒化物半導体層上にＳｉ原子がドープされた窒化物半導体からなる量子ドット層を形成する（図２のステップＳ２）。窒化物半導体からなる量子ドット１２の材料としては、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、またはＩｎＧａＡｌＮが用いられるが、本実施例では、ＧａＮを用いた。
【００４０】
本実施例における量子ドットの成長条件は、以下の工程により行う。Ａｌ、窒素の同時供給によりＡｌＮからなる窒化物半導体層を形成し、その後、成長中断によりＡｌＮからなる窒化物半導体層の表面のＡｌ微粒子を取り除く。ここで、成長中断とは、同時供給するＡｌ、窒素の２つのうち、Ａｌを供給する供給口のシャッターを閉じたまま、一定時間待機する工程を指す。成長中断の時間はＡｌＮ層を２２０ｎｍ形成する場合、約５分である。その後、Ｇａ、窒素、Ｓｉを同時供給するにより、ＳｉがドープされたＧａＮからなる量子ドットを形成する。但し、このときＧａリッチな成長条件で成長を行う。
【００４１】
量子ドットが成長後、半導体結晶成長用の原料、すなわちＧａ、窒素、Ｓｉの供給を中断する。そして、再びＡｌＮからなる窒化物半導体層で埋め込む。このとき半導体結晶成長用の原料供給を中断する時間はＧａＮからなる量子ドットの高さが１ｎｍ〜３ｎｍの場合１分である。一層目の量子ドットを成長する場合は図３（ａ）に示すように、Ｓｉのドープ量を少なくする。例えばＡｌＮ層上のＧａＮ量子ドットの場合、成長する量子ドットの直径を約１５ｎｍ、高さを約１ｎｍに制御する場合、一層目の量子ドットのドープされたＳｉ量（ドープ量）は約１×１０１７／ｃｍ３である。一層目以降、多層化を続ける際、徐々にドープされるＳｉの量を上げていく。一層目以降、例えば４０層目のＧａＮ量子ドットの成長工程を示す図であり、成長する量子ドットの直径約２５ｎｍ、高さ約１ｎｍに制御する場合、ドープするＳｉのドープ量は約１×１０１９／ｃｍ３である。多層化に伴う各層の量子ドットの直径の変化は層数に対して線形に変化するため、Ｓｉドープ量の制御も層数に対して線形でよい。また、ＧａＮ量子ドットの高さは１．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４２】
本実施例の製造方法を用いて製造された半導体量子ドット素子は、図１に示す構造を有することになる。
【００４３】
本実施例により形成した多層量子ドット構造においては、量子ドットは高さが２０％、直径が２０％のばらつきがある。これに対して、層毎にＳｉのドープ量を変えないで行う製造方法により形成した場合は、量子ドットは、高さが２０％、直径が６０％のばらつきがあった。すなわち本実施例により形成した多層量子ドット構造は均一なサイズの量子ドットを有している。よって本実施例の製造方法を用いると高効率な光デバイスの作製が可能となる。また、本実施例の製造方法によって製造された多層量子ドット構造においては、量子ドットの高さおよび直径は層数が多くなってもほとんど変化しないから、従来よりも層数の多い多層量子ドット構造にも本実施例の製造方法を適用することができる。また、量子効率を損なわない高品位な量子ドットを成長することができる。
【００４４】
一般に、発光素子、受光素子、光スイッチに、半導体量子ドットを応用する場合、量子ドットのバンドギャップを制御することは高効率化への最大の課題である。そのためには量子ドットの高さ、直径をそろえる必要がある。本実施例の製造方法は、量子ドットの高さをほぼ一定のまま、直径をほぼ一定となるように制御することができるため、高効率な量子ドットデバイスへの応用が可能となる。すなわち、多波長の発光素子、受光素子、光スイッチへの応用が可能となる。
【００４５】
本実施例の製造方法を用いて製造した半導体量子ドット素子の発光スペクトルを図７に示す。図７は、ＳｉがドープされたＧａＮからなる量子ドット層の積層数とＰＬ(Photo-Luminescence)発光強度の関係を測定したものである。Ｓｉのドーピング濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。本実施例の製造方法によって製造された多層量子ドット構造は４０層、積層も発光強度が層数に比例していることから４０層までは積層しても、積層により生じる欠陥はＧａＮ量子ドットの光学遷移には影響を与えない。バッファ層、バリア層の膜厚を増やすことで、さらなる積層数の改善が可能である。
【００４６】
なお、比較例として、窒素リッチな条件下においてＧａＮ量子ドットを積層した。この比較例の場合、１０層までは高品位な量子ドットの作成が可能であるが、１０層以上の積層は困難であった。したがって、本実施例の製造方法を用いて形成したＧａＮ量子ドットは、少なくとも積層数を比較例の４倍にしても高品位な多層量子ドット構造を得ることができる。
【実施例２】
【００４７】
次に、本発明の実施例２による半導体量子ドットレーザを図８に示す。本実施例の半導体量子ドットレーザは、活性層として実施例１の製造方法によって製造される多層量子ドット構造を用いている。これにより、直径および高さが均一な量子ドットの積層が可能となり、高効率な量子ドットレーザが得ることができる。
【００４８】
本実施例の量子ドットレーザは、以下のように形成される。図８に示すように、ｃ面サファイア基板４０上にＧａＮからなるバッファ層４１を約３０ｎｍ、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４２を約３μｍ、ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｓｉからなるクラッド層４３を約５００ｎｍ、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉからなる導波層４４を約１００ｎｍ、順次成長する。ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４２、ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｓｉからなるクラッド層４３、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉからなる導波層４４へのＳｉの添加濃度は共に２×１０１８／ｃｍ３とする。
【００４９】
次に、導波層４４上にＡｌＮからなるバッファ層４５を約３０ｎｍ成長後、実施例１の製造方法を用いて多層ＧａＮ量子ドットの活性層４６を成長する。その上にｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｍｇからなるキャップ層４７を１０ｎｍ、その上にｐ型ＧａＮ：Ｍｇからなる導波層４８を１００ｎｍ、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｍｇからなるクラッド層４９を５００ｎｍ、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層５０を４００ｎｍ順次成長する。ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｍｇからなるキャップ層４７、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇからなる導波層４８、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｍｇからなるクラッド層４９への添加濃度は共に２×１０１８／ｃｍ３とする。
【００５０】
その後、ドライエッチングを用いて、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層５０、クラッド層４９、導波層４８、キャップ層４７、活性層４６、バッファ層４５、導波層４４、クラッド層４３の積層構造の一部を残置するとともにｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４２の上面を露出してリッジを形成し、さらに、露出したｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４２の上面を含む領域をエッチングにより除去する。続いて、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層５０上にＮｉＡｕからなるｐ側電極５１を約３００ｎｍ蒸着し、露出したｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４２上にＴｉＡｕからなるｎ側電極５２を約３００ｎｍ蒸着する。これにより高効率なＧａＮ量子ドットレーザが完成する。
【００５１】
比較例として、窒素リッチな条件下においてＧａＮ量子ドットを１０層積層した活性層を、本実施例の活性層に置き換えたＧａＮ量子ドットレーザを作製した。窒素リッチな条件下においては、１０層までは均一で結晶性の良いＧａＮ量子ドットの形成が報告されている。この比較例のＧａＮ量子ドットレーザに比べて、本実施例の、ＧａＮ量子ドットを４０層積層したＧａＮ量子ドットレーザは、閾値を０．４７倍にすることができた。
【００５２】
なお、半導体量子ドットレーザは量子ドットのサイズの均一性が良いほど、バンドギャップの広がりを小さくすることが可能となるため、本実施例の半導体量子ドットレーザは高効率のものとなる。
【００５３】
なお、本実施例においては、基板はサファイア基板を用いたが、ＧａＮ基板を用いてもよい。
【００５４】
また、実施例１の製造方法によって製造される多層量子ドット構造は、光増幅器に用いることができ、この場合も高効率な光増幅器となる。
【実施例３】
【００５５】
次に、本発明の実施例３による光検出器を図９に示す。本実施例の光検出器は、実施例１の多層量子ドット構造を光検出層として有し、ＧａＮ量子ドットサブバンド間遷移光を検出するものである。本実施例の光検出器は、実施例１に製造された多層量子ドット構造を光検出層として有しているので、直径および高さが均一な量子ドットが積層された構造となり、バンドギャップの広がりを小さくすることが可能となって暗電流の影響を小さくすることができるという特徴を有している。
【００５６】
本実施例の光検出器は、以下のように形成される。図９に示すように、ｃ面サファイア基板６０上にＡｌＮからなるバッファ層６１を約３０ｎｍ、ｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６２を約３μｍ、順次成長する。ｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６２へのＳｉの添加濃度は２×１０１８／ｃｍ３とする。その上にＡｌＮからなるバッファ層６３を約３０ｎｍ成長し、その後、実施例１の製造方法を用いて多層ＧａＮ量子ドットの光検出層６４を成長する。その上にｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６５を４００ｎｍ成長する。ｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６５へのＳｉの添加濃度は２×１０１８／ｃｍ３とする。その後、ドライエッチングによって、ｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６５、光検出層６４、バッファ層６３の積層構造の一部を残置するとともにｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６２の上面を露出して、リッジを形成し、更に露出したｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６２の上面を含む領域をエッチングに除去する。その後、ｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６５上に、ＴｉＡｕからなる第１電極６６を約３００ｎｍ、露出したｎ型ＡｌＮ：Ｓｉ層６２の面上にＴｉＡｕからなる第２電極６７を約３００ｎｍ蒸着により形成する。
【００５７】
本実施例によれば、暗電流の影響が小さい半導体量子ドットサブバンド間遷移光検出器を得ることができる。
【実施例４】
【００５８】
次に、本発明の実施例４による光スイッチを図１０に示す。本実施例の光スイッチは、実施例１の製造方法で製造された多層量子ドット構造をスイッチ部として備えており、ＧａＮ量子ドットサブバンド間遷移の光スイッチである。本実施例の光スイッチは、実施例１に製造された多層量子ドット構造をスイッチ部として有しているので、直径および高さが均一な量子ドットが積層された構造となり、スイッチングエネルギーの小さい半導体量子ドットサブバンド間遷移光スイッチとなる。
【００５９】
本実施例の光スイッチは以下のように形成される。図１０に示すように、ｃ面サファイア基板７０上にＧａＮからなるバッファ層７１を約８００ｎｍ、ＡｌＮ層７２を２００ｎｍ、順次成長する。続いて、ＡｌＮ層上に実施例１の製造方法を用いて多層ＧａＮ量子ドット構造のスイッチ部７３を成長する。更にその上にＡｌＮ層７４を１０００ｎｍ成長する。その後、ドライエッチングを用いて、ＡｌＮ層７４、スイッチ部７３、ＡｌＮ層７２をパターニングし、リッジを形成する。
【００６０】
また、半導体量子ドットサブバンド間遷移光スイッチはサブバンド間のエネルギー差がフォノンの定数倍となる場合、キャリアの緩和時間が早くなり、スイッチングエネルギーが増大する。よって、サブバンド間のエネルギー差をフォノンの定数倍とならないよう量子ドットのバンドギャップを制御する必要があり、且つ量子ドットのサイズ均一性が良い場合、スイッチングエネルギーの小さい半導体量子ドットサブバンド間遷移光スイッチとなる。
【００６１】
実施例１の製造方法によって製造された多層量子ドット構造は均一性の高い多層量子ドット構造であり、サブバンド間のエネルギー差を量子ドットの高さ及び直径により制御可能である。したがって、本実施例によれば、スイッチングエネルギーの小さい半導体量子ドットサブバンド間遷移光スイッチを得ることができる。
【００６２】
なお、本発明の実施形態および各実施例において、量子ドット内のＳｉ原子の濃度は、３次元アトムプローブ（ＬＥＡＰ)を用いて測定し、量子ドットのサイズ（高さおよび直径）は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定した。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態による半導体量子ドット素子の断面図。
【図２】一実施形態による半導体量子ドット素子の製造方法を示すフローチャート。
【図３】一実施形態による半導体量子ドット素子の製造工程を示す断面図。
【図４】Ｓｉのドープ量と、量子ドットの高さおよび直径との関係を示す図。
【図５】量子ドットの積層数と、量子ドットの高さおよび直径との関係を示す図。
【図６】Ｓｉのドープ量を層毎に変えないで形成した半導体量子ドット素子の断面図。
【図７】実施例１の製造方法によって製造された半導体量子ドット素子の層数が異なる場合のＰＬ発光のスペクトルを示す図。
【図８】実施例２の量子ドットレーザの断面図。
【図９】実施例３の光検出器の断面図。
【図１０】実施例４の光スイッチの断面図。
【符号の説明】
【００６４】
１０  窒化物半導体層
１２  量子ドット層
１２１  薄膜層
１２２  量子ドット
１２ａ  量子ドット層
１２ｂ  量子ドット層
１２ｃ  量子ドット層
１２ｄ  量子ドット層
１２ｅ  量子ドット層
１４  Ｓｉ原子
１６  埋め込み層
１６ａ  埋め込み層
１６ｂ  埋め込み層
１６ｃ  埋め込み層
１６ｄ  埋め込み層
１６ｅ  埋め込み層
【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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