(57)【要約】【課題】  エネルギー準位を任意のレベルに設定することができる量子ドットのエネルギー準位を制御する方法およびそれを用いた半導体素子を提供することにある。【解決手段】  半導体素子は、第１層の複数のＩｎＡｓ量子ドットを有するＩｎＡｓ薄膜層又は第１層の複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを有するＩｎＧａＡｓ薄膜層と、前記第１層上に形成される第２層のＩｎＧａＡｓ層を有する半導体素子であって、前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位を前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットの径を変えることにより制御す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】
第１層の複数のＩｎＡｓ量子ドットを有するＩｎＡｓ薄膜層又は第１層の複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを有するＩｎＧａＡｓ薄膜層と、
前記第１層上に形成される第２層のＩｎＧａＡｓ層を有する半導体素子において、
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位を前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットの径を変えることにより制御することを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記第２層上に第３層のＩｎＧａＡｓ層を設けた請求項１記載の半導体素子であって、
前記第２層と前記第３層はＩｎ組成が異なることを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位と前記量子ドットの径は、前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位が増加するに応じて前記量子ドットの径が減少する関係になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子。
【請求項４】
前記ＩｎＧａＡｓ層を高次準位の個数分重ねた請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体素子であって、前記各層のＩｎ組成を異ならせたことを特徴とする半導体素子。
【請求項５】
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓとの界面に高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ層を形成し、界面を離れるに従って漸次Ｉｎの組成を減らして構成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体素子。
【請求項６】
前記量子ドットの直径を１５ｎｍから３０ｎｍまでの任意の値にすることにより、エネルギー準位を０Ｖ〜０．１１ｅＶの間で制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の半導体素子。
【請求項７】
前記ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を０％から２５％の間の任意の値とし、前記量子ドットの高次のエネルギー準位を０〜０．０８ｅＶの間で制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の半導体素子。
【請求項８】
第１層の複数のＩｎＡｓ量子ドットを有するＩｎＡｓ薄膜層又は第１層の複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを有するＩｎＧａＡｓ薄膜層と、
前記第１層上に形成される第２層のＩｎＧａＡｓ層を有する半導体素子の製造方法において、
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位を前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットの径を変えることにより制御することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位が増加するに応じて前記量子ドットの径が減少する関係に基づいて前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位と前記量子ドットの径を制御することを特徴とする請求項８記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記ＩｎＧａＡｓ層を高次準位の個数分順次重ねると供に前記各ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を異ならせることを特徴とする請求項８又は９記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓとの界面に高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ層を形成し、界面を離れるに従って漸次Ｉｎの組成を減らすことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット構造を有する光デバイスや電子デバイス等の半導体素子に関し、特に、量子ドットのエネルギー準位を制御した半導体素子およびそのための半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体発光素子において、材料の励起エネルギー準位を制御する事はできていない。たとえば、ほとんどの固体材料では励起準位は材料の個々の物性として決まった値となっている。また、半導体材料などの化合物材料では材料の組成を変化させる事でエネルギー準位を制御する事ができる。しかし、バルク構造や量子井戸構造といった通常半導体素子に用いられる構造では励起準位にある程度の幅（バンド）が存在してしまう。これを量子ドット構造にすることで、単一のエネルギー準位を得ることができる。
例えば、下記特許文献１記載の従来の半導体発光素子では、量子ドットと呼ばれる微小サイズの低次元キャリア閉じ込め構造を有するモード同期半導体レーザにおいて、キャリアの閉じ込めサイズを人工的に自由に設計・制御することにより遷移エネルギーを制御することができ、それにより、系全体としてみたときの量子閉じ込め系の利得スペクトルを自由に設計する事項が記載されている。
【特許文献１】特開平１０−９３１８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、通常のバルク構造や量子井戸構造では状態密度が大きいために広いエネルギーバンドが存在する。このため、特定のエネルギー準位を使用することができず、やはり任意のエネルギー準位を制御するまでに至っていない。材料構造を量子ドット構造にすることで、エネルギーバンドから単一のエネルギー準位を扱う事ができる。量子ドットの組成や大きさ、また量子ドットを囲む材料の物性でエネルギー準位が変化する事は知られている。しかし、任意のエネルギー準位を選ぶことができず、エネルギー準位制御は可能でなかった。
上記のように従来はエネルギー準位制御が可能でなかったため、サブバンド間遷移を用いた高速光デバイスや量子演算素子等の半導体素子の実現を阻んでいた。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、エネルギー準位を任意のレベルに設定することができる量子ドットのエネルギー準位を制御した半導体素子およびそのための半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の解決手段を採用する。
（１）エネルギー順位対量子ドットサイズの関係は、エネルギー順位が上がるにつれて、量子ドットサイズが増加する特性関係になる。この特性に基づき、大きなエネルギー準位（例えば、０．１ｅＶ程度）を得るために量子ドットサイズを大きく変化させた。
（２）エネルギー準位間隔を制御するためにＩｎＧａＡｓ層を用いた。
Ｉｎの量の増加に応じてエネルギー順位が基底順位に向かって変化する特性がある。このことから、Ｉｎの量を制御するためにＩｎ組成物を制御し、エネルギー順位間隔を制御することができる。
（３）組成の異なるＩｎＧａＡｓ層を複数層重ねることにより、複数のエネルギー準位の制御を行う。
Ｉｎ組成物の組成を異ならせることにより、ＩｎＧａＡｓ層のエネルギー準位を制御することができる。
（４）ＩｎＧａＡｓ層を複数重ねた効果を組成変調させる事で代用する。
Ｉｎ組成物のＩｎの量を層毎に調整することにより、ＩｎＧａＡｓ層を複数層重ねた場合に相当する効果を達成するようにして、エネルギー準位を制御することができる。
例えば、積層方向にＩｎの量を漸増又は漸減させて、全体的にグラデーションが形成されるように構成することができる。
具体的には、以下の手段を採用する。
【０００５】
（１）半導体素子は、
第１層の複数のＩｎＡｓ量子ドットを有するＩｎＡｓ薄膜層又は第１層の複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを有するＩｎＧａＡｓ薄膜層と、前記第１層上に形成される第２層のＩｎＧａＡｓ層を有する半導体素子であって、
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位を前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットの径を変えることにより制御することを特徴とする。
（２）半導体素子は、前記第２層上に第３層のＩｎＧａＡｓ層を設けた上記（１）記載の半導体素子であって、
前記第２層と前記第３層はＩｎ組成が異なることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）記載の半導体素子であって、
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位と前記量子ドットは、前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位が増加するに応じて前記量子ドットの径が減少する関係になっていることを特徴とする。
（４）半導体素子は、前記ＩｎＧａＡｓ層を高次準位の個数分重ねた上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の半導体素子であって、前記各層のＩｎ組成を異ならせたことを特徴とする。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載の半導体素子において、
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓとの界面に高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ層を形成し、界面を離れるに従って漸次Ｉｎの組成を減らして構成したことを特徴とする。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれか１項記載の半導体素子において、
前記量子ドットの直径を１５ｎｍから３０ｎｍまでの任意の値にすることにより、エネルギー準位を０Ｖ〜０．１１ｅＶの間で制御することを特徴とする。
（７）上記（１）乃至（５）のいずれか１項記載の半導体素子において、
前記ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を０％から２５％の間の任意の値とし、前記量子ドットの高次のエネルギー準位を０〜０．０８ｅＶの間で制御することを特徴とする。
（８）第１層の複数のＩｎＡｓ量子ドットを有するＩｎＡｓ薄膜層又は第１層の複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを有するＩｎＧａＡｓ薄膜層と、
前記第１層上に形成される第２層のＩｎＧａＡｓ層を有する半導体素子の製造方法において、
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位を前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットの径を変えることにより制御することを特徴とする。
（９）上記（８）記載の半導体素子の製造方法であって、前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位が増加するに応じて前記量子ドットの径が減少する関係に基づいて前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギー準位と前記量子ドットの径を制御することを特徴とする。
（１０）上記（８）又は（９）記載の半導体素子の製造方法であって、前記ＩｎＧａＡｓ層を高次準位の個数分順次重ねると供に前記各ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を異ならせることを特徴とする。
（１１）上記（８）乃至（１０）のいずれか１項記載の半導体素子の製造方法であって、
前記ＩｎＡｓ量子ドット又は前記ＩｎＧａＡｓとの界面に高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ層を形成し、界面を離れるに従って漸次Ｉｎの組成を減らすことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、下記（１）〜（７）記載の効果を奏する。
（１）量子ドットの大きさを変化させる事で、エネルギー準位を大きく変化できた。
（２）ＩｎＧａＡｓ層を用いることで、エネルギー準位間隔を大きく変えることができた。
（３）量子ドットサイズ変化とＩｎＧａＡｓ層を用いる事によって基底準位と１次の高次のエネルギー準位の制御が可能となった。
（４）複数の組成の異なるＩｎＧａＡｓ層を用いることで、完全に個々のエネルギー準位の制御が可能となる。
（５）さらに組成変調させたＩｎＧａＡｓ層を用いる事で複数の組成の異なるＩｎＧａＡｓ層を用いた場合と同じく完全に個々のエネルギー準位の制御が可能となる。
（６）量子ドットのサイズを変化させる事で、０．１１ｅＶの大きな値でエネルギー準位を制御する事ができた。さらにＩｎＧａＡｓ層を用いることで、エネルギー準位間隔を通常の１．９倍まで制御する事が可能となる。
（７）高次のエネルギーレベルを考慮したので、エネルギーレベルを所望のものにできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施形態を以下図に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【０００８】
本発明の半導体素子は、発光に寄与する発光層とその上下にｎ型半導体とｐ型半導体を有している。この素子に上下から電圧を印加するとｐ型半導体からは正孔がｎ型半導体からは電子が、発光層に流れ込む。発光層に流れ込んだ正孔と電子は再結合し、材料に対応する波長の光を側面、または上下に出す。特に上下（異なる半導体層の接合面）から光を出す面型の場合は発光層に流れ込む正孔と電子の面積を調節することで、そこに存在する量子ドットの個数を調節することができる。つまり、正孔と電子を流し込む面積を大面積にすることで、量子ドットの個数の増大が可能となる。発光用の材料としてはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が用いられる。その内でＧａＡｓを用いたものでは９００ｎｍ以下と赤外領域である。これがＩｎＡｓ量子ドットを用いたものだと１−１．５μｍ程と通信波長帯での使用が可能となる。現在、ＩｎＡｓ量子ドットの製作にはＡｓ４を用いたものが主流である。
【０００９】
しかし、本発明ではＡｓ２を用いる。砒素材料Ａｓ４とＡｓ２では材料の拡散長が異なる。具体的にはＡｓ２のほうがＡｓ４よりも拡散長（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌｅｎｇｔｈ：拡散距離）が長くなっている。このことから、Ａｓ２を用いたＩｎＡｓ量子ドットとＡｓ４を用いたＩｎＡｓ量子ドットではＡｓ２を用いたドットの方がドットの大きさが大きくなる。これが発光特性や密度の違いに現れる。しかし、Ａｓ２を用いたＧａＡｓ上のＩｎＡｓ量子ドットは通常のＡｓ４を用いた量子ドットと同じく高密度化と長波長化にトレードオフの関係がある。
【００１０】
まず、その関係を調べた。Ａｓ２を用いたＩｎＡｓ量子ドット構造を有する半導体素子の断面図を図３に示す。併せて、前記半導体素子の製造工程を図４に示す。
図３の半導体素子は、ＧａＡｓ層２上にＩｎＡｓ薄膜層３を設け、ＩｎＡｓ薄膜層３上にＩｎＡｓ量子ドット層４を設け、ＩｎＡｓ量子ドット４を設けたＩｎＡｓ薄膜層３上にＧａＡｓ層６を上面が平坦になるように設ける。
図３の半導体素子の製造方法を図４に示す。まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板上に設けたＧａＡｓ層２を形成し、このＧａＡｓ層２の上に成長中断を６０秒入れた後に、図４（ｂ）に示すように、ＩｎとＡｓ２を供給し、ＩｎＡｓを２．４分子層（ＭＬ）成長させ、ＩｎＡｓ薄膜層３とその上のＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。その上に図４（ｃ）に示すように、成長温度を５４０℃以下にして、ＧａとＡｓ２を供給し、ＧａＡｓ層６を成長する。なお、成長中断中もＡｓ２は供給し続ける。下地のＧａＡｓ層２とＩｎＡｓ量子ドット４の間にはＳ−Ｋ  （Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）型の成長特有の薄膜のＩｎＡｓ層３が存在する。この薄膜ＩｎＡｓ層３は約１．８ＭＬ存在する。
【００１１】
このように製造工程でのＩｎＡｓ層の成長温度やＩｎＡｓ層の供給速度を変化させることにより、ＩｎＡｓ量子ドット４の発光特性や大きさを変化させることができる。
【実施例２】
【００１２】
次に本発明の実施例２の構造を図５に示す。また、製造方法を併せて図６に示す。
図５の構成、即ち、ＧａＡｓ層２上に、ＩｎＡｓ薄膜層３とその上のＩｎＡｓ量子ドット４を設け、その上にＩｎＧａＡｓ層５を設けて平坦化し、最後にＧａＡｓ層６を設けた半導体素子１０を単位として構成する。
図６（ａ）に示すように、ＧａＡｓ層上にＡｓ２を供給しながら、成長中断を６０秒入れた後、図６（ｂ）に示すように、ＩｎとＡｓ２を供給して、ＩｎＡｓ量子ドットを製作し、図６（ｃ）に示すように、Ａｓ２を供給しながらの３０秒の成長中断中に成長温度を５０℃ほど下げ、その上に図６（ｄ）に示すように、ＩｎとＧａとＡｓ２を供給しＩｎＧａＡｓ層５を成長する。さらにその上に図６（ｅ）に示すように、ＧａとＡｓ２を供給し、ＧａＡｓ層６を成長した。ＩｎＧａＡｓ層５のＩｎ組成は高ければ高いほど、ＩｎＡｓ量子ドットとＧａＡｓ層との間の歪みを緩和させる効果を発揮するので、量子ドットの特性を向上させる。ＩｎＧａＡｓ層５の組成は両者の歪みの中間点であるＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓが最もよい。しかし、ＩｎＧａＡｓ層５のＩｎ組成は今までは２０％以下が用いられている。これは高いＩｎ組成を用いると臨界膜厚を超えるためミスフィット転移が生じ、発光の半値幅が広くなるという発光特性の劣化が起きてしまう。このため、本発明ではＩｎＧａＡｓ層５を薄くし、臨界膜厚によるミスフィット転移の影響を減らしている。
【００１３】
図１は、本発明の半導体素子の伝導体側のエネルギー準位、Ｉｎ組成、層構造を示す説明図である。図１（ａ）（ｂ）は従来の４層構造の例、図１（ｃ）は５層構造の例、図１（ｄ）は５層構造において図１（ｃ）の例よりＩｎ組成比を大（２５％の高濃度）にした例、図１（ｅ）はＩｎＧａＡｓ層を濃度が漸次濃くなる多層にした例である。
図１（ｂ）は図１（ａ）の例における量子ドットの大きさを小さくした例である。図１（ｂ）は図１（ａ）の例と比べ、ドット層４の層の厚さがＬ１からＬ２へ薄くなる。  図１（ｅ）、（ｃ）および（ｄ）に示す本発明の半導体素子は、Ｉｎ組成比を制御して量子ドットのエネルギー準位を制御可能に構成している。
層構造で表せば、基本的には、下層から上層に向かって、ＧａＡｓ層２、２．４ＭＬのＩｎＡｓ薄膜層３、ＩｎＡｓ量子ドット層４、ＩｎＡｓ量子ドット層４を埋めて歪みを緩和する２．５ｎｍのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ層５、最後にＧａＡｓ層６を設ける。
【００１４】
比較のため、図１（ａ）にエネルギー準位の制御されていない従来の半導体素子を示す。層構造で表せば、基本的には、下層から上層に向かって、ＧａＡｓ層２、２．４ＭＬのＩｎＡｓ薄膜層３とＩｎＡｓ量子ドット層４、最後にＧａＡｓ層６を設ける。
この例の場合、ドット層４の個々のエネルギー順位は、図示のように固定されているため、制御することができなかった。
【００１５】
図１に示されたエネルギー準位の制御されていない量子ドット半導体素子のフォトルミネッセンス測定を行った。この時、量子ドットの大きさ（サイズ）の異なる２種類の半導体素子を測定した。
図７は直径約３０ｎｍの大きな量子ドットを用いた半導体素子（従来φ３０ｎｍ）のＰＬ（フォトルミネッセンス）特性であり、図８は直径１５ｎｍの小さな量子ドットを用いた半導体素子（ドット径φ１５ｎｍ）のＰＬ特性である。測定は低温の１４Ｋ、励起波長は８００ｎｍ、Ａｃｃｍ  Ｔｉｍｅ（積算時間）は０．５ｓｅｃ（秒）で行った。
図７、図８中、「ＰＬ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ」はフォトルミネッセンス強度、「Ｐｈｏｔｏｎ  ｅｎｅｒｇｙ」は光子エネルギーを表す。また、各励起準位ピークを下位の準位からＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５とし、その隣り合う準位間隔をｄＥ２１、ｄＥ３２、ｄＥ４３、ｄＥ５４とした．
【００１６】
図７の従来の半導体素子（ドット径φ３０ｎｍ）のＰＬ（フォトルミネッセンス）特性は、二つの信号特性が交互にピークＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５を形成し、発光の各励起準位のピークが１．０２ｅＶ、１．０９ｅＶ、１．１６ｅＶ、１．２３ｅＶ、１．３０ｅＶのフォトンエネルギーの位置になる。この各ピーク位置は量子ドットの大きさに起因するものである．よって量子ドットの大きさによりピーク位置を変化させる事ができる。
図８の従来の半導体素子（ドット径φ１５ｎｍ）のＰＬ（フォトルミネッセンス）特性は、スペクトル特性において、複数のピークを有せず、全体が固まりとなって１つのピークとなる特性になる。しかし、ここから励起準位のピークを見積もったところ、ピーク位置は１．１２ｅＶ、１．１９ｅＶ、１．２６ｅＶと推定される。この結果を図７の結果と比べるとすべてのピークが約０．１ｅＶ高エネルギー側に変化した結果（図７のピーク：１．０２ｅＶ、１．０９ｅＶ、１．１６ｅＶ）となっている。これは量子ドットの大きさを変化させる事で、すべての励起準位が変化させられる事を意味している。しかし、個々の準位を個別に制御する事はできていない。
図９は、図７の従来の半導体素子のスペクトル特性の個々のピークを表す個々のエネルギー準位を制御した例で、本発明の半導体素子（本発明φ１５ｎｍ）の特性を示す。具体的には基底準位（Ｅ１）のエネルギーを図７の結果と同じにし、他の準位（Ｅ２以降）を異なるエネルギー値に制御している。図９では発光のピークエネルギーは１．０２ｅＶ、１．１０ｅＶ、１．１８ｅＶ、１．３０ｅＶとなっている。この結果を図７の結果と比べると基底準位のＥ１は１．０２ｅＶと等しいにも関わらず、それ以降の励起エネルギーは大きいものとなっている。これは基底準位とその次の準位のエネルギーを制御できた事を意味している。
【００１７】
本発明の場合、Ａｓ２を用い、Ｉｎ組成比を制御することにより、図８の全体が固まりとなって１つのピークとなるような特性を図９のように複数のピークを有するＰＬ特性に変更することができる。
図７と図８の結果から、このように量子ドットの大きさを変えることで発光ピークを変え、図１（ａ）（ｂ）に示すように、励起準位を全体的に変化することができる。発光スペクトルは量子ドットひとつひとつのエネルギー準位の集合を現している。個々の量子ドットは鋭いスペクトルであるが大きさのばらつきによって、エネルギー準位はある程度の幅を持っている。具体的にはすべての励起準位を約０．１１ｅＶと大きく変化させた。量子ドットサイズを１５ｎｍから３０ｎｍまでの任意の値を用いることで、Ｅ１のエネルギーは１．０２ｅＶから１．１２ｅＶの範囲、Ｅ２は１．０９ｅＶから１．１９ｅＶの範囲、Ｅ３は１．１６ｅＶから１．２６ｅＶの範囲で励起準位を変化させる事ができる。
【００１８】
図９は、個々の励起準位を制御した半導体素子の発光特性である。具体的には基底準位（Ｅ１）のエネルギーは図７の結果にある通常の大きな量子ドットと同じにし、その他の準位を異なる値に制御している。図７（通常の大きな量子ドット素子）と図９（本提案の量子ドット素子）の発光ピーク値を図１０に示す。基底準位のエネルギー値は設計通り双方のサンプルでほぼ１．０２ｅＶとなっている。しかし、その次の準位では通常構造（Ｌａｒｇｅ  ＱＤ）が１．０９ｅＶに対して本提案（Ｓｍａｌｌ  ＱＤ  ｗｉｔｈ  ＳＲＬ）が１．１０ｅＶと異なっている。本提案では量子ドットのサイズ変化とＩｎＧａＡｓ層を用いることで、基底準位のエネルギー値を固定したまま、その次の励起準位のエネルギー値を変化させる事に成功している。今回の結果は量子ドットのサイズとＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を変化させる事で、１次の高次準位を１．０９ｅＶから１．１０ｅＶまで制御が可能である事を示している。さらに上の準位でも通常が１．１６ｅＶ、１．２３ｅＶなのに対して、本提案では１．１８ｅＶ、１．３０ｅＶと異なっている。しかし、これらのさらに上の準位では制御までは行っていない。さらに上の準位制御に関しては以後に書く。
【００１９】
図１１に各素子での隣り合う準位間隔（ｄＥ２１、ｄＥ３２、ｄＥ４３、ｄＥ５４）のエネルギー値を示す。従来素子（Ｌａｒｇｅ  ＱＤ）ではＰｈｏｔｏｎ  ｅｎｅｒｇｙが６１ｍｅＶ、６９ｍｅＶ、６９ｍｅＶ、７３ｍｅＶとなっている。ほぼ等間隔の準位間隔となっている。それに対して、本提案素子（Ｓｍａｌｌ  ＱＤ  ｗｉｔｈ  ＳＲＬ）では８０ｍｅＶ、８０ｍｅＶ、１１７ｍｅＶとなっている。制御された準位間であるｄＥ２１では大きな準位間隔の変化がある。つまり、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を変化させることで、準位間隔は６１ｍｅＶから８０ｍｅＶまで制御できる事を意味している。特にサブバンド間遷移を利用した素子にはｄＥ２１のエネルギー値を制御する事が重要である。
【００２０】
今回は基底準位と１次の高次準位を発明し、実際に素子を製作し、準位の制御を確認した。さらに高次の準位まで制御仕様とする時、図１（ｅ）の構造を用いる。これは組成の異なるＩｎＧａＡｓ層を多段に重ねる事により、重ねた数だけの励起準位を制御が可能となる。
【００２１】
図１（ｄ）に示すようなグラデーションのついた組成変調を用いたＩｎＧａＡｓを用いることで、図１（ｂ）（ｃ）と同じくポテンシャル構造内のエネルギー準位をすべて制御する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のエネルギー準位の制御可能な半導体素子の断面図。
【図２】通常のエネルギー準位の制御不可能な半導体素子の断面図。
【図３】本発明の量子ドット素子の断面図である。
【図４】図３の半導体素子の製造工程を説明する図である。
【図５】本発明のＩｎＧａＡｓを用いた量子ドット素子の断面図である。
【図６】図５の半導体素子の製造工程を説明する図である。
【図７】従来の大きい量子ドットの集合素子のＰＬ密度特性図である。
【図８】従来の小さい量子ドット集合素子のＰＬ密度特性図である。
【図９】本発明の小さい量子ドットとＩｎＧａＡｓ層をもつ集合素子のＰＬ密度特性図である。
【図１０】従来の大きい量子ドットと本発明の量子ドットを用いた集合素子の励起準位エネルギー特性図
【図１１】従来の大きい量子ドットと本発明の量子ドットを用いた集合素子の励起準位間隔エネルギー特性図
【符号の説明】
【００２３】
１、１０    半導体素子
２    ＧａＡｓ層
３    ＩｎＡｓ量子薄膜層
４    ＩｎＡｓ量子ドット（層）
５    ＩｎＧａＡｓ層
６    ＧａＡｓ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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【図１１】
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