(57)【要約】【課題】  量子ドットのサイズを適切にし、量子ドットの有するエネルギ準位の準位間エネルギ、準位分布を最適化する。【解決手段】  半導体量子ドット素子は、たとえばＧａＡｓである閃亜鉛型結晶構造を有する半導体基板（１）と、前記半導体基板上方に配置され、Ｂｉ、またはＴｌを含んだIII―Ｖ族混晶半導体で形成された半導体量子ドット（５）と、を有する、またはＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上方に配置され、ＩｎＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ＜１）で形成された半導体量子ドットと、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閃亜鉛型結晶構造を有する半導体基板と、
前記半導体基板上方に配置され、Ｂｉ、またはＴｌを含んだIII―Ｖ族混晶半導体で形成された半導体量子ドットと、
を有する半導体量子ドット素子。
【請求項２】
前記半導体基板がＧａＡｓで形成され、前記半導体量子ドットがＩｎＡｓ１−ｘＢｉｘ（０＜ｘ＜１）で形成されている請求項１記載の半導体量子ドット素子。
【請求項３】
前記半導体基板がＧａＡｓで形成され、前記半導体量子ドットがＩｎ１−ｘＴｌｘＡｓ（０＜ｘ＜１）で形成されている請求項１記載の半導体量子ドット素子。
【請求項４】
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上方に配置され、ＩｎＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ＜１）で形成された半導体量子ドットと、
を有する半導体量子ドット素子。
【請求項５】
前記半導体量子ドット素子が、波長１．３μｍ帯、または波長１．５５μｍ帯の半導体レーザである請求項１―４のいずれか１項記載の半導体量子ドット素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子に関し、特に半導体量子ドットを用いた半導体素子に関する。  
【背景技術】
【０００２】
量子効果を用いた半導体装置としては、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、量子井戸（ＱＷ）や多重量子井戸（ＭＱＷ）を用いた発光装置がよく知られている。ＨＥＭＴ、ＱＷ，ＭＱＷにおいては、厚さ方向の１次元量子化が行われる。量子効果を用いた半導体素子としては、他に２次元量子化を用いた量子細線、３次元量子化を用いた量子ドット（または量子箱）を有する半導体素子が提案されている。
【０００３】
１次元量子化を用いた量子井戸構造の半導体レーザでは、発振閾値や、閾値の温度変動について改善の限度が指摘されている。量子ドットにおいては、量子化によってエネルギレベルが離散的なレベルとなると共に、状態密度がデルタ関数的になる。１つの量子ドットの基底レベルには２つのキャリアしか入れない。量子ドットを活性層に適用することにより、電子・正孔と光との相互作用を極限まで効率化することが可能となり、発振閾値や閾値の変動を改善することが可能となる。
【０００４】
量子ドットの作製技術としては、格子不整合材料を用いたStranski-Krastanov成長モード（Ｓ−Ｋモード）による自己形成技術が１９９０年台半ばから盛んに研究されている。
図３に示すように、半導体結晶２１の上に、格子不整合の大きい半導体結晶２２をエピタキシャルに成長する。成長開始当初は、半導体結晶２１表面上に膜状の２次元成長が行われ、濡れ層２３が形成される。格子不整合が大きいため、半導体結晶２２は大きな歪みを内蔵する。膜の弾性限界を超えた段階で、２次元成長はしなくなり、濡れ層２３の上に島状の量子ドット２４が３次元成長する。本明細書で、量子ドット２４の面内寸法φを量子ドットサイズと呼ぶことにする。このようなＳ‐Ｋモードの結晶成長を利用することにより、高品質、高均一、高密度の量子ドットを容易に作製することができる。
【０００５】
このような自己形成量子ドットを用いて、半導体レーザ等のデバイスが実際に報告されるようになった。量子ドット素子の可能性が現実のものになりつつある。量子ドットをデバイスに適用することを考慮する際、量子ドット内のエネルギ準位を制御することが必要となる。
【０００６】
光通信用光源として量子ドットレーザを作製する場合、発光波長１．３μｍ（発光エネルギ０．９５ｅＶ）又は発光波長１．５５μｍ（発光エネルギ０．８ｅＶ）の量子ドットを作製しなければならない。
【０００７】
又、レーザを作製する際、量子ドットのサイズを制御することも望まれる。量子ドットのサイズが大きくなると、エネルギ準位の間隔が狭くなり、キャリアは１つの準位に留まらず、他の準位にも分布してしまう。このため、レーザ発振を発生させるには多量のキャリアが必要となり、閾値電流をある程度以上低くすることが困難になる。
【０００８】
量子ドットサイズが小さくなると、エネルギ準位の間隔は離散化し、１つの準位のみをキャリアで満たせばレーザ発振を開始させることが可能となり、効率は良くなる。
量子ドットのサイズが小さくなりすぎると、エネルギ準位が浅くなり、キャリアがバリア層に漏れる割合が多くなる。キャリアの無駄な消費を抑制するためには、量子ドットのサイズをある程度以上にすることが望まれる。このように、量子ドットのサイズには望ましい範囲が存在する。
【０００９】
特開平１１−３１８６１号公報は、波長１．３μｍ帯や波長１．５５μｍ帯の半導体レーザの活性層に量子ドットを適用することを提案している。ＩｎＧａＮ量子ドットのサイズとして、６ｎｍ〜１０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ量子ドットのサイズとして１２〜２０ｎｍを提示している。
【００１０】
Applied Physics Letters 74, 2815 (1999) は、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを作製することを提案している。ＩｎＡｓは、ＧａＡｓに対し７．２％の大きな格子不整合を有する。発光波長は、概ね１．０μｍ〜１．３μｍである。
【００１１】
J. Crystal Growth 245, 31 (2002)は、ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを形成することを提案している。ＩｎＡｓは、ＩｎＰに対し、３．１％の格子不整合を有する。得られた量子ドットサイズは、概ね３０ｎｍ以上である。発光波長１．５μｍ〜１．６μｍが得られている。
【００１２】
なお、量子ドットの研究ではないが、J. of Appl. Phys.  168,4586 (1990)は、ＩｎＡｓ基板上にＩｎＡｓＢｉ膜を成長し、ＩｎＡｓ１−ｘＢｉｘ（０＜ｘ＜１）のバンドギャップＥｇと格子定数のａのＢｉ濃度依存性を報告している。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−３１８６１号公報
【非特許文献１】Appl. Phys. Lett. 74, 2815 (1999)
【非特許文献２】J. Crystal Growth 245,31 (2002)
【非特許文献３】J. Appl. Phys. 168, 4586 (1990)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
量子ドットレーザの報告がなされているが、例えばその発振閾値電流は未だ十分低いものとはいえない。
発振閾値電流の低い量子ドットレーザを形成しようとすると、量子ドットのサイズを適切にし、量子ドットの有するエネルギ準位の準位間エネルギ、準位分布を最適化することが望まれる。
【００１５】
本発明の目的は、発光波長が１．３μｍよりも長波長で、かつ、適切な量子ドットサイズを有して、所望の離散レベル間エネルギを有する半導体量子ドット素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の１観点によれば、閃亜鉛型結晶構造を有する半導体基板と、前記半導体基板上方に配置され、Ｂｉ、またはＴｌを含んだIII―Ｖ族混晶半導体で形成された半導体量子ドットと、を有する半導体量子ドット素子が提供される。
【００１７】
本発明の他の観点によれば、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上方に配置され、ＩｎＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ＜１）で形成された半導体量子ドットと、を有する半導体量子ドット素子が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
下地となる半導体結晶及び量子ドットを形成する半導体材料を適切に選択することにより、適切なエネルギ準位を有し、適切な大きさを有する半導体量子ドットを形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
量子ドットのサイズが大きすぎると、エネルギ準位の間隔が狭くなり、キャリアが複数の準位に分布してしまう。自己形成量子ドットのサイズは、格子不整合の量に起因する歪みエネルギの大きさで決まり、歪みエネルギが大きいほどドットのサイズを小さくすることが可能となる。
【００２０】
通常用いられるＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体の中では格子定数の大きいＩｎＡｓに、ＢｉやＴｌ、又はＳｂを添加すると、格子定数はさらに大きくなる。ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板に対する格子不整合が大きくなり、形成される量子ドットのサイズは小さくなる。
【００２１】
量子ドットのサイズが小さくなると、量子効果によって発光エネルギがバルクの発光エネルギよりも大きくなるが、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｓｂを添加することにより、ＩｎＡｓよりもバンドギャップが減少するので、量子化エネルギの増大を打ち消すことが可能となる。従って、ドットサイズの低減と、発光波長の長波長化を両立させることが可能となる。
【００２２】
前述の非特許文献３は、ＩｎＡｓ１−ｘＢｉｘ混晶（０＜ｘ＜１）のバンドギャップＥｇと格子定数ａのＢｉ濃度依存性を報告している。
Ｅｇ＝０．３６−５．５ｘ（ｅＶ）              （１）
ａ＝６．０５８＋０．９９６ｘ（Å）            （２）
式（１）は、バンドギャップエネルギがＢｉ濃度１％につき０．０５５ｅＶ減少することを示し、式（２）は、格子定数がＢｉ濃度１％につき０．００９９６Å増加することを意味する。
【００２３】
ＧａＡｓ基板や、ＩｎＰ基板の上にＩｎＡｓＢｉ量子ドットを成長すると、ＩｎＡｓの場合よりも格子不整合が大きくなるため、形成される量子ドットのサイズは小さくなる。又、Ｂｉの添加でバンドギャップが小さくなることにより、波長１．３μｍより長波長で発光することが可能になる。
【００２４】
図４（Ａ）は、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓＢｉ量子ドットを形成した場合に予測される量子ドットの発光波長のＢｉ組成依存性を示す。ＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＡｓ量子ドットの発光波長を１．２μｍ（１．０３ｅＶ）とし、ＩｎＡｓＢｉ量子ドットのバンドギャップが式（１）の関係で変化するとした。
【００２５】
図４（Ｂ）は、ＩｎＡｓＢｉ量子ドットとＧａＡｓ基板との格子不整合の関係を示す。Ｂｉ組成が５％以内であれば、格子不整合の増加は１％以下と小さい。ＩｎＡｓがＧａＡｓ基板に対し約７．２％の格子不整合を持つのに対し、ＩｎＡｓ１−ｘＢｉｘ（ｘ＝０．０５）でも、格子不整合は約８％に留まる。従って、Ｂｉ組成を増加すると、量子ドットのサイズは小さくなるが、余り大きな変化はないであろうと予想される。
【００２６】
図４（Ａ）を参照すると、Ｂｉ組成を約１．５％、４．５％にすることにより、発光波長１．３μｍ、１．５５μｍが得られると予想される。５％以内のＢｉ添加により所望の発光波長が得られると考えられる。
【００２７】
図１は、ＩｎＡｓＢｉ量子ドットを半導体レーザの活性層に適用した例を示す。図において、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２がエピタキシャルに成長されている。なお、基板の結晶性が十分良好であれば、バッファ層を省略することも可能である。ｎ型ＧａＡｓバッファ層２の上に、バンドギャップの広いｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層３がエピタキシャルに成長されている。
【００２８】
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の上に、ＧａＡｓ光閉じ込め層４がエピタキシャルに成長され、その上にＩｎＡｓＢｉ量子ドット層５、ＧａＡｓバリア層１０が交互にエピタキシャルに成長されている。最上の量子ドット層５の上には、ＧａＡｓ光閉じ込め層４がエピタキシャルに成長されている。図では、３層の量子ドット層が２層の光閉じ込め層に挟まれるように形成されている。量子ドット層５に対し、光閉じ込め層４、バリア層１０は広いバンドギャップ、低い屈折率を有し、縦方向のキャリア閉じ込め効果、光閉じ込め効果を発揮する。
【００２９】
上側ＧａＡｓ光閉じ込め層４の上に、バンドギャップの広いｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層６がエピタキシャルに成長され、クラッド層６の上にｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層７が形成されている。コンタクト層７は、電極の低抵抗接触を可能とする。ｎ型ＧａＡｓ基板１の底面にはｎ側電極９が形成され、ｐ型コンタクト層７の表面には、ｐ側電極８が形成される。
【００３０】
なお、図に示す構造はキャビティに沿う方向の断面であり、交差する方向においては、後に説明するように量子ドット層等の横幅を制限するエッチングが行われ、埋め込み層が形成されている。
【００３１】
結晶成長は、例えば原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルアルミニュウム（ＴＭＡｌ）、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルビスマス（ＴＭＢｉ）を用いた有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）で行なうことができる。量子ドットの成長においては、ＡｓＨ３供給量と、ＴＭＢｉ供給量の比を制御することにより、波長１．３μｍや波長１．５５μｍで発光するＩｎＡｓＢｉ量子ドットを作製することができる。このようにして、波長１．３μｍや波長１．５５μｍで発振する半導体レーザを作製することができる。
【００３２】
なお、量子ドット層の層数は３に限らず任意に増減してもよい。量子ドットの組成にＧａを添加し、ＩｎＧａＡｓＢｉ量子ドットを作製してもよい。バリア層と光閉じ込め層を異なる材料で作製してもよい。
【００３３】
ＴｌＡｓもＢｉと同様、半金属であり、負のバンドギャップを有する。閃亜鉛鉱型結晶構造を仮定して計算したＴｌＡｓの格子定数は６．１８Åであり、ＩｎＡｓの格子定数６．０５８Åより大きい。ＩｎＴｌＡｓ量子ドットも、ＩｎＡｓＢｉ量子ドットと同様、ドットサイズの低減化と発光波長の長波長化を同時に実現できるものと考えられる。特に格子不整合が大きいＧａＡｓ基板上にＩｎＴｌＡｓ量子ドットを成長すると、サイズが小さく、１．３μｍ以上の波長で発振する量子ドットレーザを実現しやすい。
【００３４】
ＩｎＡｓＢｉの代りに、ＩｎＴｌＡｓを用い量子ドットを作製する例を説明する。図１の構成において、量子ドット層５をＩｎＴｌＡｓを用いて作製する。結晶成長は、例えば分子線エピタキシ（ＭＢＥ）で行なうことができる。ＩｎとＴｌのフラックス比［Ｔｌ］／［Ｉｎ］を制御することにより、波長１．３μｍや波長１．５５μmで発振するＩｎＴｌＡｓ量子レーザを作製することができる。
【００３５】
なお、量子ドット層の組成にＧａを添加し、ＩｎＧａＴｌＡｓ量子ドットを作製することも出来る。
ＩｎＡｓＳｂは、ＩｎＡｓより大きな格子定数を有する。ＩｎＰ基板に対し、ＩｎＡｓは３．１％の格子不整合を有するのみであり、ＩｎＰ基板上のＩｎＡｓ量子ドットはサイズが大きくなってしまい易い。これに対してＩｎＡｓ０．４５Ｓｂ０．５５は、ＩｎＰ基板に対して、ＧａＡｓ／ＩｎＡｓと同じ、７．２％の格子不整合を有する。したがってＩｎＡｓＳｂを用いれば、ＩｎＰ基板上にも、サイズの小さい量子ドットを形成することが可能となる。
【００３６】
ドットのサイズが小さくなると、量子サイズ効果により発光エネルギはバルクの発光エネルギより大きくなるが、Ｓｂを添加することによりＩｎＡｓよりもバンドギャップは減少するので、量子化エネルギの増大を打ち消すことが可能となる。ＩｎＰ基板上においても、量子ドットサイズが小さく、発光波長１．３μｍ以上の量子ドットを作製することが可能となる。
【００３７】
図２は、ＩｎＡｓＳｂ量子ドット層を用いた埋め込み型半導体レーザの構成を示す。図に示す構成は、キャビティ方向と交差する方向の断面図である。
（１００）ｎ型ＩｎＰ基板１１の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２を成長し、その上にＩｎＧａＡｓＰバリア層１３とＩｎＡｓＳｂ量子ドット層１４とを交互に積層する。バリア層は量子ドット層より大きなバンドギャップ、低い屈折率を有し、上下方向でキャリア閉じ込め、光閉じ込め効果を発揮する。図では、３層のバリア層と２層の量子ドット層とを交互に形成しているが、層数は任意に増減できる。最外層のバリア層を別の材料の光閉じ込め層としてもよい。
【００３８】
最上バリア層１３の上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１７を部分的に成長した後、表面上に酸化シリコン等のハードマスク層をストライプ状に設け、活性層及びその上下の層をストライプ状にエッチングする。エッチングした表面に、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１５、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層１６を成長し、メサ形状を埋め込む。
【００３９】
クラッド層、埋め込み層は、バリア層よりさらに広いバンドギャップとさらに低い屈折率を有し、光閉じ込め効果を発揮すると共に、埋め込み層は電流狭窄効果も有する。ハードマスク層を除去し、残りのｐ型ＩｎＰクラッド層１７を成長する。さらにｐ型クラッド層１７の上にｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１８を成長し、レーザ構造を完成する。
【００４０】
ｎ型基板１１の底面上にｎ側電極１９を形成し、ｐ型コンタクト層１８の上にｐ側電極２０を形成する。活性層以外の部分は公知の方法により作製することができる。活性層他の結晶成長は、例えばＭＯＶＰＥによって行うことができる。Ａｓ原料には、例えばＡｓＨ３、Ｓｂ原料には、例えばトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いることができる。例えば成長温度４８０℃でＩｎＡｓＳｂを成長し、量子ドットを形成することができる。ＡｓＨ３とＴＭＳｂの流量比［ＡｓＨ３］／［ＴＭＳｂ］を制御することにより、ドットサイズがある程度以上小さく、発光波長１．３μｍや発光波長１．５５μｍで発振するＩｎＡｓＳｂ量子ドットを作製することができる。
【００４１】
上述の実施例においては、ＧａＡｓ基板上の量子ドットにおいて、ＩｎＡｓにＩｎＢｉやＴｌＡｓを添加した。見方を変えるとＩｎＡｓに半金属のＢｉやＴｌＡｓを添加したと考えることもできる。ＢｉやＴｌＡｓは、バンドギャップの温度係数が正である。バンドギャップの温度係数が負である半導体に、バンドギャップの温度係数が正である半金属を添加することにより、従来の半導体レーザよりも発振波長の温度依存性が小さい半導体レーザを提供することが可能であろう。
【００４２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない、例えば、半導体レーザ構造として公知の種々の構造を採用することもできる。又、量子ドットレーザに代え、その他の半導体光増幅器、変調器、波長変換スイッチ等の半導体素子を作製することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
量子ドットを用いた半導体量子ドット素子に適用することができる。特に光を利用する半導体量子ドット光素子に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例による半導体量子ドットレーザの構成を概略的に示す縦断面図である。
【図２】本発明の他の実施例による半導体量子ドットレーザの横断面図である。
【図３】Ｓ−Ｋモードによる量子ドットの成長を説明する概略断面図である。
【図４】ＩｎＡｓＢｉ量子ドットの発光波長及び格子不整合のＢｉ組成依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３  ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４  ＧａＡｓ光閉じ込め層
５  量子ドット（ＩｎＡｓＢｉ量子ドット又はＩｎＴｌＡｓ量子ドット）層
６  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
７  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
８  ｐ側電極
９  ｎ側電極
１１  ｎ型ＩｎＰ基板
１２  ｎ型ＩｎＰクラッド層
１３  ＩｎＧａＡｓＰバリア層
１４  ＩｎＡｓＳｂ量子ドット層
１５  ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１６  ｎ型ＩｎＰ埋め込み層
１７  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１８  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１９  ｎ側電極
２０  ｐ側電極
２１  半導体結晶
２２  半導体結晶
２３  濡れ層
２４  量子ドット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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