(57)【要約】【課題】より製造可能な発光波長範囲が広く、かつ、より欠陥が少なく光学特性に優れ、作成上の制約も少ない半導体量子ドットを均一性、再現性良く作製することにある。【解決手段】半導体基板１０１上に半導体量子ドット１０５が形成される構造において、前記半導体量子ドット１０５が半導体基板１０１を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる少なくとも１層の薄膜半導体層１０６と積層されており、上記薄膜半導体層１０６の少なくとも１層に、又は上記薄膜半導体層１０６の少なくとも１層と上記半導体量子ドット１０５の双方にビスマスが添加されていることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、前記半導体量子ドットが半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる少なくとも１層の半導体薄膜層と積層されており、上記半導体薄膜層の少なくとも１層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも１層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスが添加されていることを特徴とする半導体量子ドット構造。
【請求項２】
請求項１記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板、前記半導体量子ドット並びに前記半導体薄膜層がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、或いはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶であることを特徴とする半導体量子ドット構造。
【請求項３】
請求項２記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓであり、かつ、前記半導体量子ドットがＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂであり、かつ、前記半導体薄膜層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂであることを特徴とする半導体量子ドット構造。
【請求項４】
請求項２記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ、前記半導体量子ドットがＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂであり、かつ、前記半導体薄膜層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂであることを特徴とする半導体量子ドット構造。
【請求項５】
請求項２記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓであり、かつ、前記半導体量子ドットがＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂであり、かつ、前記半導体薄膜層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂであることを特徴とする半導体量子ドット構造。
【請求項６】
請求項２記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ、前記半導体量子ドットがＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂであり、かつ、前記半導体薄膜層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂであることを特徴とする半導体量子ドット構造。
【請求項７】
請求項１，２，３，４，５又は６記載の半導体量子ドット構造を製造する方法において、前記半導体薄膜層の成長温度が、５００℃以下であり、かつ前記半導体薄膜層の少なくとも１層の成長時又は前記半導体薄膜層の少なくとも１層と上記半導体量子ドットの双方の成長時にビスマスを供給することを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の半導体量子ドット構造の製造方法において、前記ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用い、ガリウムの原料としてトリイソプロピルガリウムを用いることを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体量子ドット構造及びその製造方法に関するのものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の構造による半導体量子ドットは、その多くが半導体基板上に該基板とは格子定数が一定の値以上に異なる半導体層を特定の条件下で成長した時に生じる量子ドットの自己形成の現象を利用して作成されているため、半導体量子ドットの大きさや密度、ドットが他の半導体層に埋め込まれた場合の歪等を狙い通りに制御することが難しい、という問題点があった。
例えばＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを作成する場合を例にあげると、量子ドットの大きさを大きくして発光波長を長波にしようとした場合には面内のドットの密度が下がり、ドットの密度を上げようとした場合には量子ドットの大きさが小さくなる、といった制約があった。
【０００３】
また、上記ＩｎＡｓ量子ドットをＧａＡｓで埋め込んだ場合にはＩｎＡｓ量子ドット中に大きな圧縮歪が残留することにより、その発光波長はＩｎＡｓ本来のバンドギャップによるものに比べ、大幅に短波となっていた。
上記問題を解決するために従来から各種の半導体量子ドット構造並びに製造方法が考案されており、例えば再度ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを作成する場合を例にあげると、ＩｎＡｓ量子ドット上又は上下に圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層を積層し、ＩｎＡｓ量子ドット中の残留歪を弾性的に緩和して小さくする方法、或いは圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層の代わりに伸張歪を有するＧａＡｓＮ層を積層して同様の効果を得る方法などが用いられている。
【０００４】
また、面内のドットの密度を下げずにその大きさを大きくする方法としては上記ＩｎＧａＡｓ層を積層する際に一定の条件下で発生する相分離現象を利用して、ＩｎＡｓ量子ドットの周囲に選択的にＩｎ組成の高いＩｎＧａＡｓを成長し、実効的なドット体積を大きくする手法も一部で用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
しかしながら、上記のごとき従来の構造並びに製造方法による半導体量子ドットは作成における再現性、面内均一性が十分ではない、という問題点があることに加え、更に量子ドットの形成並びに他の半導体層による埋込み成長においては通常より低温の成長が必要となる結果、非発光中心となる欠陥が導入されやすく、十分な光学特性が得られにくい、といった問題点があった。
【０００５】
特に半導体レーザー用等のエピタキシャルウェハ生産に多く用いられる有機金属化合物気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ法）においては成長原料を熱分解する必要があることから低温成長条件においては良質な半導体層を得ることが困難であった。
また一方、半導体薄膜の成長時にビスマス、アンチモン、タリウム等の材料を供給し、表面改質剤（サーファクタントと呼ばれる）として用いることにより平坦性の良い結晶を得る試みが行われている（例えば特許文献１、非特許文献２参照）が、これらの原料を上記のような相分離の促進に利用した例はなかった。
【特許文献１】特許掲載公報第３２３９８２１号、「歪半導体結晶の製造方法」
【非特許文献１】M.V．Maximov他、“GaAs-Based 1.3μm InGaAs Quantum Dot Lasers：A status Report ”Journal of Electronic Materials, Vol. 29 p.476, 2000.
【非特許文献２】S.Tixier他、”Surfactant enhanced  growth of GaNAs and InGaNAs using bismuth“Journal of Crystal Growth, VoL.251, p.449, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記のごとき従来の構造並びに製造方法による半導体量子ドットの限界あるいは欠点を解決するためになされたもので、より製造可能な発光波長範囲が広く、かつ、より欠陥が少なく光学特性に優れ、作成上の制約も少ない半導体量子ドットを均一性、再現性良く作成することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る半導体量子ドット構造は、半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、前記半導体量子ドットが半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる少なくとも１層の半導体薄膜層と積層されており、上記半導体薄膜層の少なくとも１層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも１層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスが添加されていることを特徴とする。
【０００８】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る半導体量子ドット構造は、請求項１記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板、前記半導体量子ドット並びに前記半導体薄膜層がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、或いはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶であることを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る半導体量子ドット構造は、請求項２記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓであり、かつ、前記半導体量子ドットがＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂであり、かつ、前記半導体薄膜層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂであることを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る半導体量子ドット構造は、請求項２記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ、
前記半導体量子ドットがＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂであり、かつ、前記半導体薄膜層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂであることを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る半導体量子ドット構造は、請求項２記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓであり、かつ、前記半導体量子ドットがＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂであり、かつ、前記半導体薄膜層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂであることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項６に係る半導体量子ドット構造は、請求項２記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ、前記半導体量子ドットがＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂであり、かつ、前記半導体薄膜層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂであることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項７に係る半導体量子ドット構造の製造方法は、請求項１，２，３，４，５又は６記載の半導体量子ドット構造を製造する方法において、前記半導体薄膜層の成長温度が、５００℃以下であり、かつ前記半導体薄膜層の少なくとも１層の成長時又は前記半導体薄膜層の少なくとも１層と上記半導体量子ドットの双方の成長時にビスマスを供給することを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する本発明の請求項８に係る半導体量子ドット構造の製造方法は、請求項７記載の半導体量子ドット構造の製造方法において、前記ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用い、ガリウムの原料としてトリイソプロピルガリウムを用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による半導体量子ドット構造を前記半導体光源の活性層として使用した場合、従来技術を用いた場合に比べ、出射可能な光出力の波長範囲を大幅に広げられる他、その発光効率、温度特性を大幅に向上することが可能である。
また、本発明による半導体量子ドット構造を前記半導体光増幅器の活性層として使用した場合、従来技術を用いた場合に比べ、増幅できる波長の帯域が広く、飽和光出力が大きく、かつ高速応答特性を兼ね備えた特性を得ることが可能である。
また、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法を用いた場合、上記本発明による半導体量子ドット構造を再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（１）本発明による半導体量子ドット構造は前記半導体量子ドットが半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる少なくとも１層の半導体薄膜層と積層されており、上記半導体薄膜層の少なくとも１層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも１層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスが添加されていることを特徴としている。
ここでビスマスを添加することによって得られる効果は大きく分けて３種類となる。
【００１７】
第一の効果はビスマスの添加によって非発光中心となる欠陥が少なく、光学特性に優れた半導体量子ドット並びに上記半導体薄膜層が低温の成長条件においても得られる点、第二にはビスマスの添加によって前記半導体薄膜層成長時の相分離現象が促進される結果、より大きい、即ち、より長波で発光する半導体量子ドットが均一性良く構成されている点、第三にはビスマスの添加によって半導体量子ドットを構成する材料のバンドギャップが小さくなり、その発光がより長波となる半導体量子ドット構造が得られる点である。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造においては光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い、という特徴がある。
【００１８】
（２）本発明による半導体量子ドット構造の製造方法は、半導体量子ドットを埋め込む半導体薄膜層の成長時において、成長温度を５００℃以下とし、かつ前記半導体薄膜層の成長時にビスマスを供給することにより前記半導体薄膜構造中における自己発生的な相分離が光学特性の劣化を伴うことなく促進可能であるという特徴を有するものである。
ここで成長温度を５００℃以下とした理由は、５００℃を越える温度で半導体量子ドットを埋め込んだ場合には同量子ドットが変形し、光学特性が劣化することに加え、熱力学的に前記相分離が起こりにくくなり、所望の発光波長を得るための制御が困難になるためである。
【００１９】
また、従来低温成長が難しいとされていたＭＯＶＰＥ法による半導体層の成長において、本発明ではビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用いるとともに、トリメチルインジウム等の原料に比べ分解温度の高いトリメチルガリウムやトリエチチルガリウム等のガリウム原料に代え、トリイソプロピルガリウムを用いることにより、低温成長条件においても良質な半導体層の成長が可能になった。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては前記従来の発明による相分離現象を利用したドット体積の拡大手法に比べ、より光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い半導体量子ドット構造をＭＯＶＰＥ法を用いた場合においても再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
【００２０】
ビスマスの供給により以上のような作用が得られる理由は今のところ明確ではないが、ビスマスの供給により成長層表面における表面エネルギーが小さくなり、成長原料の結晶表面における拡散距離がより大きくなることの効果、即ち従来の提案とは結果として得られる効果が全く逆ではあるものの、一種のサーファクタント効果であると考えられる。
但し、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては低温の成長条件を用いているため、供給したビスマスは純粋なサーファクタントではなく、その一部が結晶内に取り込まれ、バンドギャップを狭小化する作用をも有していることに特徴がある。
［作用］
【００２１】
本発明による半導体量子ドット構造は、従来の技術による半導体量子ドット構造に比べ、より発光効率等の特性に優れ、より発光波長に関する自由度の高い半導体光源の活性層として作用する。
また、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法は、上記本発明による半導体量子ドット構造を再現性、歩留まり良く提供することを可能にする。
【実施例１】
【００２２】
本発明の請求項１，２及び３に関する実施例を図１に表す。
図中、１０１は基板（ＧａＡｓ）、１０２はクラッド層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚１．５μｍ）、１０３は光閉じ込め層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚２００ｎｍ）、１０４は障壁層（ＧａＡｓ，膜厚５０ｎｍ）、１０５は量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ）、１０６は薄膜層（ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ，膜厚１０ｎｍ）、１０７はコンタクト層（ＧａＡｓ，膜厚３００ｎｍ）である。
更に、量子ドット１０５の中、１０５ａは自己形成したＩｎＡｓ：Ｂｉよりなる領域であり、１０５ｂは薄膜層１０６の成長中に相分離によって、１０５ａのドット上に選択的に成長したＩｎＧａＡｓ：Ｂｉよりなる領域である。
【００２３】
ここで上記選択的に成長した領域（ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ）１０５ｂのＩｎ組成は薄膜層１０６の平均的なＩｎ組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域１０５ａと領域１０５ｂの複合体が実効的な量子ドット１０５として作用しており、量子ドット１０５の体積が大きくなることによって、その発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域１０５ａと領域１０５ｂで構成される量子ドット１０５中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
【００２４】
即ち、ビスマスを添加することによって、次の３種類の効果が得られる。
第一の効果は、ビスマスの添加によって非発光中心となる欠陥が少なく、光学特性に優れた半導体量子ドット並びに上記半導体薄膜層が低温の成長条件においても得られる点である。
第二の効果は、ビスマスの添加によって前記半導体薄膜層成長時の相分離現象が促進される結果、より大きい、即ち、より長波で発光する半導体量子ドットが均一性良く構成されている点である。
第三の効果は、ビスマスの添加によって半導体量子ドットを構成する材料のバンドギャップが小さくなり、その発光がより長波となる半導体量子ドット構造が得られる点である。
この結果、本実施例による半導体量子ドット構造においては光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い、という特徴がある。
【００２５】
ここで本実施例においては、薄膜層１０６は量子ドット１０５の上下にあるが、当該薄膜層１０６は当該量子ドット１０５の上部のみであっても本発明における効果は同様に得られる。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１〜１．５μｍの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１〜１．５μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
【００２６】
なお、基板１０１としてＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓが用いられること、量子ドット１０５としてＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂが用いられること、薄膜層１０６としてＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂが用いられることはいうまでもない。
【実施例２】
【００２７】
本発明の請求項１，２及び４に関する実施例を図２に表す。
図中、２０１は基板（ＩｎＰ）、２０２はクラッド層（ＩｎＰ，膜厚１．５μｍ）、２０３は光閉じ込め層（ＩｎＧａＡｓＰ，膜厚２００ｎｍ）、２０４は障壁層（ＩｎＧａＡ
ｓＰ，膜厚５０ｎｍ）、２０５は量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ）、２０６は薄膜層（ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ，膜厚１０ｎｍ）、２０７はコンタクト層（ＩｎＧａＡｓ，膜厚
３００ｎｍ）である。
更に、量子ドット２０５の中、２０５ａは自己形成したＩｎＡｓ：Ｂｉよりなる領域であり、２０５ｂは薄膜層２０６の成長中に相分離によって領域２０５ａのドット上に選択的に成長したＩｎＧａＡｓ：Ｂｉよりなる領域である。
【００２８】
ここで上記選択的に成長した領域（ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ）２０５ｂのＩｎの組成は上記
薄膜層２０６の平均的なＩｎ組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域２０５ａと領域２０５ｂの複合体が実効的な量子ドット２０５として作用しており、量子ドット２０５の体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域２０５ａと領域２０５ｂで構成される量子ドット２０５中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例１で説明したように、３種類の効果が奏される。
【００２９】
ここで本実施例においては、薄膜層２０６は量子ドット２０５の上下にあるが、当該薄膜層２０６は当該量子ドット２０５の上部のみであっても本発明における効果は同様に得られる。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１．３〜２．２μｍの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１．３〜２．２μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
【００３０】
なお、量子ドット２０５としてＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂが用いられること、薄膜層２０６としてＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｓＳｂが用いられることはいうまでもない。
【実施例３】
【００３１】
本発明の請求項１，２及び５に関する実施例を図３に表す。
図中、３０１は基板（ＧａＡｓ）、３０２はクラッド層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚１．５μｍ）、３０３は光閉じ込め層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚２００ｎｍ）、３０４は障壁層（ＧａＡｓ，膜厚５０ｎｍ）、３０５は量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）ＮＡｓ：Ｂｉ）、３０６は薄膜層（ＧａＩｎＮＡｓ：Ｂｉ，膜厚１０ｎｍ）、３０７はコンタクト層（ＧａＡｓ，膜厚３００ｎｍ）である。
更に、量子ドット３０５の中、３０５ａは自己形成したＩｎＡｓ：Ｂｉよりなる領域であり、３０５ｂは薄膜層３０６の成長中に相分離によって領域３０５ａのドット上に選択的に成長したＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉよりなる領域である。
【００３２】
ここで上記選択的に成長した領域（ＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉ）３０５ｂのＩｎの組成は上記薄膜層３０６の平均的なＩｎ組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域３０５ａと領域３０５ｂの複合体が実効的な量子ドット３０５として作用しており、量子ドット３０５の体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域３０５ａと領域３０５ｂで構成される量子ドット３０５中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例１で説明したように、３種類の効果が奏される。
【００３３】
ここで本実施倒においては、薄膜層３０６は量子ドット３０５の上下にあるが、当該薄膜層３０６は当該量子ドット３０５の上部のみであっても本発明における効果は同様に得られる。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１〜１．７μｍの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１〜１．７μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
【００３４】
なお、基板３０１としてＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓが用いられること、量子ドット３０５にとしてＧａＩｎＮＡｓに代えてＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂが用いられること、薄膜層３０６としてＧａＩｎＮＡｓに代えてＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂが用いられることはいうまでもない。
【実施例４】
【００３５】
本発明の請求項１、２及び６に関する実施例を図４に表す。
図中、４０１は基板（ＩｎＰ）、４０２はクラッド層（ＩｎＰ，膜厚１．５μｍ）、４０３は光閉じ込め層（ＩｎＧａＡｓＰ，膜厚２００ｎｍ）、４０４は障壁層（ＩｎＧａＡ
ｓＰ，膜厚５０ｎｍ）、４０５は量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）ＮＡｓ：Ｂｉ）、４０６は薄
膜層（ＧａＩｎＮＡｓ：Ｂｉ，膜厚１０ｎｍ）、４０７はコンタクト層（ＩｎＧａＡｓ，膜厚３００ｎｍ）である。
更に、量子ドット４０５の中、４０５ａは自己形成したＩｎＮＡｓ：Ｂｉよりなる領域であり、４０５ｂは薄膜層４０６の成長中に相分離によって領域４０５ａのドット上に選択的に成長したＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉよりなる領域である。
【００３６】
ここで上記選択的に成長した領域（ＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉ）４０５ｂのＩｎの組成は上記薄膜層４０６の平均的なＩｎ組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域４０５ａと領域４０５ｂの複合体が実効的な量子ドット４０５として作用しており、量子ドット４０５の体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域４０５ａと領域４０５ｂで構成される量子ドット４０５中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例１で説明したように、３種類の効果が奏される。
【００３７】
ここで本実施例においては、薄膜層４０６は量子ドット４０５の上下にあるが、当該薄膜層４０６は当該量子ドット４０５の上部のみであっても本発明における効果は同様に得られる。
また、本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１．３〜２．６μｍの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１．３〜２．６μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
【００３８】
なお、量子ドット４０５としてＧａＩｎＮＡｓに代えてＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂが用いられること、薄膜層４０６としてＧａＩｎＮＡｓに代えてＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＳｂ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂが用いられることはいうまでもない。
【実施例５】
【００３９】
本発明の請求項７及び８に関する実施例を以下、実施例１の構造を製造する場合を例に説明する。
半導体量子ドット構造の成長にはＭＯＶＰＥ法を用いた。
まず、基板（ＧａＡｓ）１０１を装置内に導入し、通常の成長手順でクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）１０２、光閉じ込め層（ＡｌＧａＡｓ）１０３、障壁層（ＧａＡｓ）１０４を成長する。
次に成長を中断し、基板温度を４５０℃まで下げた後、量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ
：Ｂｉ）１０５と薄膜層（ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ）１０６をトリメチルインジウム、トリイソプロピルガリウム、トリメチルビスマス、ターシャリーブチルアルシンを原料として成長した。
トリメチルビスマスは、量子ドット１０５と薄膜層１０６の成長時に供給したが、薄膜層１０６の少なくとも１層の成長時、或いは、薄膜層１０６の少なくとも１層と量子ドット１０５の双方の成長時に供給することもできる。
【００４０】
ここで、薄膜層１０６の成長におけるガリウム材料としてトリイソプロピルガリウムを用いたことにより、４５０℃という低温においても十分な熱分解が得られたことに加え、ビスマス原料の供給による低温成長時の結晶性劣化防止効果により光学特性の良い結晶が得られた。
また更に、ＩｎＧａＡｓ混晶が熱力学的に相分離を起こしやすい４５０℃という温度下においてビスマス原料を供給したことにより相分離が促進され、量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ）１０５の複合体として領域（ＩｎＡｓ：Ｂｉ）１０５ａの周辺にＩｎ組成の高いＩｎＧａＡｓ：Ｂｉからなる領域１０５ｂが再現性良く形成できた。
【００４１】
次に再び成長を中断し、基板温度を上げた後、障壁層（ＧａＡｓ）１０４、光閉じ込め層（ＡｌＧａＡｓ）１０３、クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）１０２、コンタクト層（ＧａＡｓ）１０７を成長し、実施例１の構造を得た。
【００４２】
なお、上記実施例では、薄膜層１０６の成長温度を４５０℃としたが、５００℃以下としても、上述したと同程度の効果を期待できる。
即ち、成長温度を５００℃以下とする場合に比較し、５００℃を越える温度で半導体量子ドットを埋め込んだ場合には同量子ドットが変形し、光学特性が劣化することに加え、熱力学的に前記相分離が起こりにくくなり、所望の発光波長を得るための制御が困難になるためである。
【００４３】
本実施例では、従来低温成長が難しいとされていたＭＯＶＰＥ法による半導体層の成長において、ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用いるとともに、トリメチルインジウム等の原料に比べ分解温度の高いトリメチルガリウムやトリエチチルガリウム等のガリウム原料に代え、トリイソプロピルガリウムを用いることにより、低温成長条件においても良質な半導体層の成長が可能になった。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては前記従来の発明による相分離現象を利用したドット体積の拡大手法に比べ、より光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い半導体量子ドット構造をＭＯＶＰＥ法を用いた場合においても再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
【００４４】
なお、ビスマスの供給により以上のような作用が得られる理由は今のところ明確ではないが、ビスマスの供給により成長層表面における表面エネルギーが小さくなり、成長原料の結晶表面における拡散距離がより大きくなることの効果、即ち従来の提案とは結果として得られる効果が全く逆ではあるものの、一種のサーファクタント効果であると考えられる。
但し、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては低温の成長条件を用いているため、供給したビスマスは純粋なサーファクタントではなく、その一部が結晶内に取り込まれ、バンドギャップを狭小化する作用をも有していることに特徴がある。
【００４５】
各層の成長に用いた原料、ならびに成長温度を次表に示す。
【００４６】
【表１】
2005347662.tif 000003
【００４７】
なお、表中に略記した原料名は以下の通りである。
ＴＭＡ：トリメチルアルミニウム
ＴＭＧ：トリメチルガリウム
ＡｓＨ３：アルシン
ＴＭＩ：トリメチルインジウム
ＴＩＰＧ：トリイソプロピルガリウム
ＴＭＢｉ：トリメチルビスマス
ＴＢＡｓ：ターシャリーブチルアルシン
【００４８】
このように説明したように、本発明はレーザーダイオードや半導体光増幅器等の活性層に用いる半導体量子ドット構造に関し、活性層が量子ドットとその上に形成された薄膜半導体からなり、少なくとも薄膜半導体層の一層にビスマスが添加されていることに特徴がある。特に従来よりも、量子ドット構造に自由度が大きく、量子ドットの品質も高いことから、発光波長の選択範囲が広く、発光効率並びに温度特性がより良好な半導体光源を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明に係る半導体量子ドットは、光通信、光計測機器用の半導体光源、半導体光増幅器の活性層として広く利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１（ａ）は本発明の請求項１，２及び３に関する実施例を表す断面図、図１（ｂ）は同図（ａ）中の１点鎖線で囲んだ範囲Ｂの拡大図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の請求項１，２及び４に関する実施例を表す断面図、図２（ｂ）は同図（ａ）中の１点鎖線で囲んだ範囲Ｂの拡大図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の請求項１，２及び５に関する実施例を表す断面図、図３（ｂ）は同図（ａ）中の１点鎖線で囲んだ範囲Ｂの拡大図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の請求項１，２及び６に関する実施例を表す断面図、図４（ｂ）は同図（ａ）中の１点鎖線で囲んだ範囲Ｂの拡大図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０１  ＧａＡｓ基板
１０２  ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０３  ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層
１０４  ＧａＡｓ障壁層
１０５  Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ量子ドット
１０６  ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ薄膜層
１０７  ＧａＡｓコンタクト層
１０５ａ  自己形成したＩｎＡｓ：Ｂｉよりなる領域
１０５ｂ  薄膜層１０６の成長中に相分離によって領域１０５ａのドット上に選択的に成長したＩｎＧａＡｓ：Ｂｉよりなる領域
２０１  ＩｎＰ基板
２０２  ＩｎＰクラッド層
２０３  ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
２０４  ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２０５  Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ量子ドット
２０６  ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ薄膜層
２０７  ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３０１  ＧａＡｓ基板
３０２  ＡｌＧａＡｓクラッド層
２０５ａ  自己形成したＩｎＡｓ：Ｂｉよりなる領域
２０５ｂ  薄膜層２０６の成長中に相分離によって領域２０５ａのドット上に選択的に成長したＩｎＧａＡｓ：Ｂｉよりなる領域
３０３  ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層
３０４  ＧａＡｓ障壁層
３０５  Ｉｎ（Ｇａ）ＮＡｓ：Ｂｉ量子ドット
３０６  ＧａＩｎＮＡｓ：Ｂｉ薄膜層
３０７  ＧａＡｓコンタクト層
３０５ａ  自己形成したＩｎＡｓ：Ｂｉよりなる領域
３０５ｂ  薄膜層３０６の成長中に相分離によって領域３０５ａのドット上に選択的に成長したＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉよりなる領域
４０１  ＩｎＰ基板
４０２  ＩｎＰクラッド層
４０３  ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
４０４  ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
４０５  Ｉｎ（Ｇａ）ＮＡｓ：Ｂｉ量子ドット
４０６  ＧａＩｎＮＡｓ：Ｂｉ薄膜層
４０７  ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４０５ａ  自己形成したＩｎＮＡｓ：Ｂｉよりなる領域
４０５ｂ  薄膜層４０６の成長中に相分離によって領域４０５ａのドット上に選択的に成長したＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉよりなる領域
【図１】
2005347662.tif 000004
【図２】
2005347662.tif 000005
【図３】
2005347662.tif 000006
【図４】
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