(57)【要約】【課題】  量子光半導体装置に関し、近接積層型の量子ドットのエネルギーバンドギャップを小さくして長波長化に対応させるとともに、エネルギーバンドギャップのばらつきを小さくする。【解決手段】  量子構造を、圧縮歪を受けた島状形状半導体結晶と、島状形状半導体結晶を被うように形成された第１の中間層と、第１の中間層上に設けた第２の中間層とを順次繰り返して積層した繰り返し積層構造とし、第１の中間層は、島状形状半導体結晶より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含む第１の半導体層状結晶からなり、第２の中間層は、島状形状半導体結晶より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含まない第２の半導体層状結晶よりなり、第１の中間層及び第２の中間層を介して整列した島状形状半導体結晶の間隔がキャリアのエネルギー的な結合が生じる間隔となるように、半導体基板の主面に垂直な方向に実質的に整列させる。【選択図】        図１
2012182335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された量子構造を含む活性層と
を有し、
前記量子構造は、圧縮歪を受けた島状形状半導体結晶と、前記島状形状半導体結晶を被うように形成された第１の中間層と、前記第１の中間層上に設けた第２の中間層とを順次繰り返して積層した繰り返し積層構造からなり、
前記島状形状半導体結晶は、前記半導体基板の格子定数より大きい第１の格子定数を有する材料よりなり、
前記第１の中間層は、前記第１の格子定数より小さい第２の格子定数を有するとともに、前記島状形状半導体結晶より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含む第１の半導体層状結晶からなり、
前記第２の中間層は、前記第１の格子定数より小さい第３の格子定数を有するとともに、前記島状形状半導体結晶より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含まない第２の半導体層状結晶よりなり、
前記第１の中間層及び第２の中間層を介して前記半導体基板の主面に垂直な方向に実質的に整列した島状形状半導体結晶の間隔がキャリアのエネルギー的な結合が生じる間隔であることを特徴とする量子光半導体装置。
【請求項２】
前記第１の中間層は、III族元素におけるＡｌ組成比が２０％より大きく、厚さが１ｎｍよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の量子光半導体装置。
【請求項３】
前記第２の中間層は、平坦な上主面を有し、下層の前記第１の中間層の頂上部と上面との間隔が、２ｎｍより大きいことを特徴とする請求項１また請求項２に記載の量子光半導体装置。
【請求項４】
前記半導体基板はＧａＡｓであり、
前記島状形状半導体結晶はＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＳｂ或いはＧａＡｓＳｂのいずれかからなり、
前記第１の中間層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ或いはＩｎＡｌＧａＰのいずれかからなり、
前記第２の中間層はＧａＡｓまたはＩｎＧａＰである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の量子光半導体装置。
【請求項５】
前記量子構造を含む活性層が、半導体レーザ、半導体光増幅器或いは赤外線検知素子のいずれかの活性層であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の量子光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子光半導体装置に関するものであり、例えば、量子ドットを活性層に含む半導体レーザ、半導体光増幅器或いは赤外線検知素子等の量子光半導体装置における量子準位間のエネルギーのばらつきを小さくするための手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光ファイバ通信の高速化・大容量化に伴い、光信号を電気に変換せず光のまま処理する全光信号処理が要求されている。このような全光信号処理を行うためには光信号処理デバイスが必要になるが、光信号処理デバイスの中では、小型、高速応答などの特長から半導体光増幅器が重要な位置づけとなっている。
【０００３】
特に、利得媒質に量子ドットを用いた半導体光増幅器では、利得帯域が広い、光出力が高い、パターン効果が小さいなどの優れた特性が実験的に実証されている。
【０００４】
一方、赤外線検知器においても、量子ドットをその赤外線感知部分として利用する量子ドット型赤外線検知器（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＱＤＩＰ）が注目を集めている。
【０００５】
この量子ドット型赤外線検知器は、量子井戸赤外線検知器に比べ、素子面に垂直に入射する赤外光に対して感度をもつことや、光励起されたキャリアが再び量子ドットに捕獲される確率が少ないことによる高い光電流利得などの利点を持つ。
【０００６】
キャリアの閉じ込めのない所謂バルク半導体結晶では、キャリアの状態密度はエネルギーと共に放物線的に、即ち、連続的に増大するが、半導体結晶中にキャリアを１次元的に閉じ込めた所謂量子井戸構造では量子準位が出現するため状態密度が階段状に変化する。
【０００７】
かかる階段状の状態密度を有する系では、キャリアの分布はバルク結晶の場合よりも制限されるため、かかる量子井戸構造を、例えば、レーザダイオード等の光半導体装置に適用した場合、バルク半導体結晶を使った場合よりも幅の狭い鋭いスペクトルが得られる。また、レーザダイオード等の発光素子では発光効率が向上する。
【０００８】
かかるキャリアの閉じ込めをさらに進めた量子細線構造では、キャリアの２次元的な閉じ込めの結果、状態密度は各階段の下端で最大になるように変化するため、キャリアのエネルギースペクトルはさらに鋭くなる。
【０００９】
キャリアの閉じ込めをさらに進めた量子ドット構造では、キャリアの３次元的な閉じ込めの結果、状態密度は離散的になり、これに伴い、キャリアのエネルギースペクトルは、各量子準位に対応して完全に離散的になる。かかる離散的なエネルギースペクトルを有する系では、系が室温等の熱的励起が存在するような状態にあってもキャリアの遷移が量子準位間で不連続に生じる。
【００１０】
例えば、量子ドット構造を有するレーザダイオードなどの半導体発光装置では、室温においても非常に鋭い発光スペクトルが得られるとともに高効率になることが指摘されている。このため、上述のように、量子ドットを用いた量子光半導体装置が注目を集めている。
【００１１】
量子ドット、即ち、基板上に離間した島状形状の結晶を形成するためには、ＧａＡｓ基板上へのＩｎＡｓ成長などの歪系ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現するいわゆるＳ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）モード成長を利用することができる。例えば、ＧａＡｓ基板上に、ＩｎＡｓ組成が０．５程度で格子定数が３．５％程度大きなＩｎＧａＡｓを数分子層、ＭＢＥ法により堆積することにより、直径が３０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ島状結晶がＧａＡｓ基板上に形成される（例えば、非特許文献１参照）。
【００１２】
こうしたＳ−Ｋモード成長の初期における量子ドット形成は、ヘテロ界面に生じる歪みエネルギーと下地結晶との濡れ性に支配されると考えられている。Ｓ−Ｋモード成長は、リソグラフィ等による加工プロセスを用いた手法に比べ、簡便かつ加工損傷なしで高品質な量子ドット結晶を形成することができる利点がある。
【００１３】
しかし、Ｓ−Ｋモード成長で成長した量子ドットのサイズの均一性は悪く、これに起因した発光スペクトルのブロードニングがあり、発光素子などへ応用する際の大きな問題の一つとなっている。
【００１４】
解決方法の一つとして、Ｓ−Ｋモードで形成した島状結晶を数ｎｍの中間層を介して近接して積層した構造および製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この提案においては、Ｓ−Ｋモードにより形成した島状形状の結晶を極薄中間層を介して配列積層し、互いに量子力学的に結合させることにより、全体として所定のエネルギーの離散的量子準位を形成する。したがって、通常成長では実現しえない高いドットが得られるため、サイズばらつきのエネルギーに及ぼす影響を抑制できるとともに、長波化が可能となる。
【００１５】
ここで、図１１を参照して、従来の量子ドット半導体装置を説明する。図１１は従来の量子ドット半導体装置の構成説明図であり、図１１（ａ）は積層状態を示す概念的断面図であり、図１１（ｂ）は要部拡大図であり、図１１（ｃ）は成長時の量子ドットの状態の説明図である。
【００１６】
図１１（ａ）に示すように、（１００）面を主面とするＧａＡｓ基板９１上に厚さ４００ｎｍのＧａＡｓバッファ層９２を成長後、ウェッティング層９３を伴うＩｎＡｓ歪島状結晶９４とＧａＡｓ中間層９５を繰り返し積層する。
【００１７】
図１１（ｂ）に示すように、積層方向に配列したＩｎＡｓ歪島状結晶９４は近接して形成されているためエネルギー的な結合状態にあり、実質的に1つの量子ドットとしてエネルギー準位を形成している。この場合のエネルギー準位は、量子ドットの縦、横、高さにより決定される。通常に得られる量子ドットのサイズは底面直径が３０ｎｍ程度、１層あたりの高さが３ｎｍであるため、主に高さで決定されることになるが、この場合には繰り返し積層の層数により実効的な高さを高くでき、エネルギー準位が下がるので長波化が可能になる。
【００１８】
そのため、通常のＳ−Ｋモードを利用して成長した単層の量子ドットに比べ高さが高く、したがって発光波長は長波長で、また構造揺らぎに対するエネルギー準位のばらつきの小さい、即ち、発光スペクトル幅の狭い量子ドットを形成することが可能となる。
【００１９】
しかし、図１１（ｃ）に示すように、ＩｎＡｓ歪島状結晶９４をＧａＡｓ中間層９５で埋め込む過程で、ＩｎＡｓ歪島状結晶９４のＩｎとＧａＡｓ中間層９５のＧａとの間で相互に拡散が起こる。その結果、歪島状結晶が縮小するとともに、量子ドット内の平均的なＩｎＡｓ組成が小さくなることが知られている。
【００２０】
これらは量子準位を高めること、即ち、量子ドットのエネルギーバンドギャップを拡げることになり、量子ドットの発光波長を短波化することになる。そこで、通信への応用上重要となる、１．３μｍへ波長を制御するために、積層数を増やして実効的な高さを高め、準位を下げることや、ＩｎＧａＡｓ歪緩和層を入れて、量子ドットの圧縮歪を緩和し、エネルギーギャップを小さくすることなどが行われている。
【００２１】
一方、赤外線検知素子においては、量子ドットをＡｌＧａＡｓで埋め込み４０ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ中間層を介して積層させることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開平０９−３２６５０６号公報
【特許文献２】特開２００９−０６５１４１号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｌｅｏｎａｒｄ， Ｄ．， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６３，ｐｐ．３２０３−３２０５，１９９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかし、積層数の増加や歪緩和層の導入はいずれも結晶歪を増大させるため、ミスフィット転位等の結晶欠陥生成の原因となり、発光特性を劣化させる原因のひとつにもなっていた。
【００２５】
そこで、中間層、即ち、ＩｎＡｓ量子ドットを埋め込む埋込層としてＧａＡｓの代わりにＡｌＧａＡｓを用いた場合のＧａとＩｎの相互拡散防止効果を検討した。図１２は、検討結果の説明図であり、図１２（ａ）はモデル構成図であり、図１２（ｂ）はＰＬ発光半値幅の埋込層のＡｌ組成比依存性の説明図であり、図１２（ｃ）は、ＰＬ発光波長の埋込層のＡｌ組成比依存性の説明図である。また、図１２（ｄ）はＰＬ発光強度の埋込層のＡｌ組成比依存性の説明図であり、図１２（ｅ）は量子準位間格の埋込層のＡｌ組成比依存性の説明図であり、図１２（ｆ）はＩｎＡｓ拡散抑制モデルの説明図である。
【００２６】
図１２（ａ）に示すように、検討モデルにおいては、下地層としてＧａＡｓ下地層１０２を用い、埋込層としてＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ埋込層１０５を用いている。なお、図における符号１０１，１０３，１０４は、夫々ＧａＡｓ基板、ウェッティング層及びＩｎＡｓ歪島状結晶である。
【００２７】
図１２（ｂ）に示すように、ＰＬ発光半値幅はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ埋込層１０５のＡｌ比ｘとともに減少する傾向が見られる。また、図１２（ｃ）に示すように、ＰＬ発光波長はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ埋込層１０５のＡｌ比ｘとともに長波長化する傾向が見られ、これらは、図１２（ｆ）に示すように、ＩｎとＧａとの相互拡散及びサイズ縮小が抑制されたためと考えられる。
【００２８】
図１２（ｄ）に示すようにＰＬ発光強度はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ埋込層１０５のＡｌ比ｘとともに単調に増加し、また、図１２（ｅ）に示すように、量子準位間隔もＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ埋込層１０５のＡｌ比ｘとともに増大する傾向が見られた。これらは、量子井戸層に対するバリア層となるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ埋込層１０５のＡｌ組成比ｘの増大とともにバリアが高くなった効果と考えられ、発光素子における利点が観測された。
【００２９】
次に、図１１に示した従来例における下地層としてＧａＡｓの代わりにＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを用いたモデルについて検討した。図１３は、検討結果の説明図であり、図１３（ａ）はモデル構成図であり、図１３（ｂ）はＰＬ発光波長の下地層のＡｌ組成比依存性の説明図であり、図１３（ｃ）はＰＬ発光強度の下地層のＡｌ組成比依存性の説明図である。
【００３０】
図１３（ａ）に示すように、検討モデルにおいては、下地層としてＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ下地層１１２を用い、埋込層としてＧａＡｓ埋込層１１５を用いている。なお、図における符号１１１，１１３，１１４は、夫々ＧａＡｓ基板、ウェッティング層及びＩｎＡｓ歪島状結晶である。
【００３１】
図１３（ｂ）に示すように、ＰＬ発光波長はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ下地層７２のＡｌ比ｘとともに短波長化する傾向が見られる。また、図１３（ｃ）に示すように、ＰＬ発光強度はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ下地層７２のＡｌ比ｘとともに激減する傾向が見られた。
【００３２】
この原因については必ずしも明らかではないが、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ下地層７２のラフネスにより、ドット材であるＩｎＡｓの表面移動が抑制され、小サイズのドットが形成されていることが考えられる。また、ドット形成過程におけるＡｌＡｓに関係した酸素などの汚染の影響が想定される。この結果は、単層構造を埋め込む場合には効果的であるが、近接積層型構造をＡｌＧａＡｓ中間層のみで極薄中間層を形成しても大きな改善効果が得られないことを意味する。
【００３３】
一方、特許文献２の場合には、単独ドット層を５０ｎｍ程度の間隔で単純積層した構造であるため積層間隔が大きく、積層方向での配列性はない。そのため、積層されたドット間でのエネルギー的な結合はないため、エネルギーバンドギャップのばらつきが大きいと共に、エネルギーギャップを通信波長帯である１．３μｍ域へ制御することはできない。
【００３４】
したがって、本発明は、近接積層型の量子ドットのエネルギーバンドギャップを小さくして長波長化に対応させるとともに、エネルギーバンドギャップのばらつきを小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
開示する一観点からは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された量子構造を含む活性層とを有し、前記量子構造は、圧縮歪を受けた島状形状半導体結晶と、前記島状形状半導体結晶を被うように形成された第１の中間層と、前記第１の中間層上に設けた第２の中間層とを順次繰り返して積層した繰り返し積層構造からなり、前記島状形状半導体結晶は、前記半導体基板の格子定数より大きい第１の格子定数を有する材料よりなり、前記第１の中間層は、前記第１の格子定数より小さい第２の格子定数を有するとともに、前記島状形状半導体結晶より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含む第１の半導体層状結晶からなり、前記第２の中間層は、前記第１の格子定数より小さい第３の格子定数を有するとともに、前記島状形状半導体結晶より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含まない第２の半導体層状結晶よりなり、前記第１の中間層及び第２の中間層を介して前記半導体基板の主面に垂直な方向に実質的に整列した島状形状半導体結晶の間隔がキャリアのエネルギー的な結合が生じる間隔であることを特徴とする量子光半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００３６】
開示の量子光半導体装置によれば、近接積層型の量子ドットのエネルギーバンドギャップを小さくして長波長化に対応させるとともに、エネルギーバンドギャップのばらつきを小さくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態の量子ドット光半導体装置の構成説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の積層構造効果の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの図３以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図５】本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの図４以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図６】本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの図５以降の製造工程の説明図である。
【図７】本発明の実施例２の量子ドット半導体光増幅器の概略的斜視図である。
【図８】本発明の実施例３の量子ドット赤外線検知器の途中までの製造工程の説明図である。
【図９】本発明の実施例３の量子ドット赤外線検知器の図８以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図１０】本発明の実施例３の量子ドット赤外線検知器の図９以降の製造工程の説明図である。
【図１１】従来の量子ドット半導体装置の説明図である。
【図１２】埋込層をＡｌＧａＡｓにした場合の検討結果の説明図である。
【図１３】下地層としてＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ用いたモデルについての検討結果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の量子ドット光半導体装置を説明する。図１は本発明の実施の形態の量子ドット光半導体装置の構成説明図であり、図１（ａ）は、概念的断面図であり、図１（ｂ）は拡大断面図である。本発明の実施の形態の量子ドット光半導体装置は、半導体基板１と、半導体基板１上に形成された量子構造１０を含む活性層とを有する。
【００３９】
量子構造１０は、圧縮歪を受けた島状形状半導体結晶１２と、島状形状半導体結晶１２を被うように形成された第１の中間層１３と、第１の中間層１３上に設けた第２の中間層１４とを順次繰り返して積層した繰り返し積層構造からなる。島状形状半導体結晶１２は、半導体基板１の格子定数より大きい第１の格子定数を有する材料よりなり、例えば、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＧａＡｓＳｂからなる。
【００４０】
第１の中間層１３は、第１の格子定数より小さい第２の格子定数を有するとともに、島状形状半導体結晶１２より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含む第１の半導体層状結晶からなる。例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＰからなる。上述の図１２から明らかなように、第１の中間層１３がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなる場合には、Ａｌ組成比ｘは０．２以上であることが望ましい。
【００４１】
また、第２の中間層１４は、第１の格子定数より小さい第３の格子定数を有するとともに、島状半導体結晶１２より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含まない第２の半導体層状結晶よりなる。例えば、ＧａＡｓ或いはＩｎＧａＰからなる。
【００４２】
図１（ｂ）に示すように、島状形状半導体結晶１２は、第１の中間層１３及び第２の中間層１４を介して、半導体基板１の主面に垂直な方向に実質的に整列し、整列した島状形状半導体結晶１２の間隔はキャリアのエネルギー的な結合が生じる間隔である。
【００４３】
このような構造を形成するための一例を説明する。まず、通常の固体原料を用いたＭＢＥ法により（１００）面を主面としＳｉを１×１０１８ｃｍ−３量ドープしたｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１上に、基板温度５９０℃にて４００ｎｍのＧａＡｓバッファ層２を成長させる。
【００４４】
次いで、Ａｓ照射のままＧａの分子線を遮断し、５Ｃ／分の降温レートで基板温度を４９０℃まで下げて、基板温度が安定したのち、ＩｎＡｓを２．２分子層成長する。この時の成長速度は０．０６分子層／秒とする。この時、Ｓ−ｋモード成長により、二次元濡れ層１１とＩｎＡｓからなる島状形状半導体結晶１２が成長する。
【００４５】
次いで、所定量のＩｎＡｓを供給後、６０秒間Ａｓ照射下で待機し、４ｎｍ厚のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなる第１の中間層１３を成長する。続いて５ｎｍ厚のＧａＡｓからなる第２の中間層１４を成長し、６０秒間Ａｓ照射下で待機した。以下同様にＩｎＡｓ成長―待機―ＡｌＧａＡｓ成長―ＧａＡｓ成長―待機を３回繰り返し、Ａｓ照射下で、５℃／分の昇温レートで基板温度を５７０度まで上げる。さらにＧａＡｓを１００ｎｍ成長した。
【００４６】
図２は、本発明の実施の形態の積層構造効果の説明図であり、図２（ａ）はモデル構成図であり、図２（ｂ）はＰＬ発光半値幅のスペーサ層の厚さｔｈ依存性の説明図であり、図２（ｃ）は、ＰＬ発光波長のスペーサ層の厚さｔｈ依存性の説明図である。また、図２（ｄ）はＰＬ発光強度のスペーサ層の厚さｔｈ依存性の説明図であり、図２（ｅ）は量子準位間格のスペーサ層の厚さｔｈ依存性の説明図である。
【００４７】
図２（ａ）に示すように、検討モデルは、ＧａＡｓ基板２１上に、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ下地層２２、厚さがｔｈのＧａＡｓスペーサ層２３、ウェッティング層２４を伴うＩｎＡｓ島状結晶２５、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ埋込層２６を順次積層して形成する。なお、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ埋込層２６のＡｌ組成比は、図１２（ｂ）のＰＬ発光半値幅の埋込層のＡｌ組成比依存性から決めた。
【００４８】
図２（ｂ）に示すように、ＰＬ発光半値幅は、ＧａＡｓスペーサ層の厚さｔｈの増大とともに低減し、また、図２（ｃ）に示すように、ＰＬ発光波長は、ＧａＡｓスペーサ層の厚さｔｈの増大とともに長波長化している。また、図２（ｄ）に示すように、ＰＬ発光強度はＧａＡｓスペーサ層の厚さｔｈの増大とともに増加し、図２（ｅ）に示すように、量子準位間格は、ＧａＡｓスペーサ層の厚さｔｈの増大とともに低下している。
【００４９】
これは、図１２に示したように、量子ドットをＡｌＧａＡｓなどＡｌを含む材料で埋め込むとＡｌＡｓの拡散長が短く、量子ドットのＩｎＡｓとの相互拡散が抑制される。そのため、埋め込み時の量子ドット形状の縮小が抑制されるためである。
【００５０】
また、図２に示すように、ＡｌＧａＡｓ下地層に２ｎｍ以上、より好適には３ｎｍ以上のＧａＡｓスペーサ層を挿入した場合、発光特性が改善されることが実験で明らかになった。即ち、本発明は、図１３で示したＡｌＧａＡｓ下地層の問題をＧａＡｓ等のスペーサ層に相当する第２の中間層を挿入することによって解決したものである。なお、第１の中間層に相当するＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ埋込層２６の厚さは、量子ドットをある程度平坦に埋め込むためには、１ｎｍ〜７ｎｍとすることが望ましい。
【００５１】
また、図２（ｃ）に示すように、第１中間層の挿入による長波化により、１．３μｍ域へ長波化制御するための繰り返し積層数、または歪緩和層のＩｎＡｓ組成を低減できるため、結晶への歪を減じることができる。そのため、歪による欠陥生成を抑制し、高品質結晶が得られることになる。
【００５２】
なお、上記の実施の形態においては、量子ドットをウェッティング層を伴うＳ−Ｋモードで成長させているが、ウェッティング層を伴わないＶｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｂｅｒ（ボルマー−ウェッバー）モードで成長させても良い。また、繰り返し積層数は任意であるが、現状では１０層を超えることは困難である。
【実施例１】
【００５３】
以上を前提として、次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザを説明する。図３（ａ）に示すように、まず、（１００）面を主面とするｎ＋型ＧａＡｓ基板３１上に厚さが、４００ｎｍのｎ＋型ＧａＡｓバッファ層３２、厚さが３００ｎｍのｎ＋型ＡｌＧａＡｓクラッド層３３、厚さが１００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ光導波層３４を順次堆積する。
【００５４】
次いで、図３（ｂ）に示すように、上述の量子構造の製造工程によりウェッティング層３６、ＩｎＡｓ量子ドット３７、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ第１中間層３８、ＧａＡｓ第２中間層３９の積層工程を４回繰り返して量子構造３５を形成する。次いで、図３（ｃ）に示すように、４０ｎｍのＧａＡｓ層４０を介して全５層からなる量子構造４１を形成する。
【００５５】
次いで、図４（ｄ）に示すように、量子構造４１上に、アンドープＧａＡｓ層４２、厚さが１２０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ光導波層４３、厚さが３００ｎｍのｐ＋型ＡｌＧａＡｓクラッド層４４、厚さが５０ｎｍのｐ＋ 型ＧａＡｓキャップ層４５を順次堆積する。
【００５６】
次いで、図４（ｅ）に示すように、ｎ＋型ＧａＡｓバッファ層３２が露出するまでメサエッチングを行い、ストライプ状メサを形成する。次いで、図５（ｆ）に示すように、形成されたストライプ状メサ構造上にＳｉＮからなる保護膜４６を形成する。
【００５７】
次いで、図５（ｇ）に示すように、保護膜４６に電極形成用の窓を形成したのち、ｎ＋型ＧａＡｓバッファ層３２にｎ側電極４７を形成するとともに、ｐ＋型ＧａＡｓキャップ層４５にｐ側電極４８を形成する。次いで、図６（ｈ）に示すように、レーザダイオードの対向する端面には高反射率ミラー４９及び低反射率ミラー５０を形成して光共振器を形成する。
【００５８】
垂直に整列したＩｎＡｓ量子ドット３７において量子準位間の遷移により再結合発光した光は光共振器を往復する際に誘導放出により増幅され、コヒーレント光となって低反射率ミラー５０が設けられた端面から出射される。
【００５９】
この時の発光波長は、複数の量子ドットを近接積層させているので、等価的に一個の大きな量子ドットとして作用するので、長波長化が可能になり、１．３μｍ帯に適した波長となる。また、量子ドットのサイズのばらつきも小さくなるので発光半値幅が狭くなる。なお、図示は省略するが、ｐ型ＧａＡｓ光導波層４３とｐ＋型ＡｌＧａＡｓクラッド層４４との間に回折格子を形成しても良く、この場合は、レーザダイオードはいわゆるＤＦＢレーザダイオードとなる。
【実施例２】
【００６０】
次に、図７を参照して、本発明の実施例２の量子ドット半導体増幅器を説明する。図７は、本発明の実施例２の量子ドット半導体増幅器の概略的斜視図であり、厚さが３００μｍのｎ型ＧａＡｓ基板５１上に、厚さが１μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層５２、厚さが０．５μｍのｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層５３を順次形成する。
【００６１】
次いで、ｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層５３上に、１００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ光導波層５４を形成したのち、上述の量子構造４１と同じ構成の量子構造５５を形成する。次いで、量子構造５５上に厚さが１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ光導波層５６を形成する。
【００６２】
次いで、ｐ型ＧａＡｓ光導波層５６上に、厚さが１．０μｍのｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層５７及び厚さが２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５８を順次堆積する。なお、導電性を有する各層の不純物濃度は全て１×１０１８ｃｍ−３とする。
【００６３】
次いで、ｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層５７に達する２本の平行な溝５９を形成して、この２本の溝５９の間にリッジ６０を画定する。次いで、表面をＳｉＯ２からなる保護膜６１で被覆したのち、電極用開口部を形成してＡｕＺｎからなるｐ側電極６３を形成すると共に、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面にＡｕＧｅ合金からなるｎ側電極６２を形成する。なお、入射端面６４と出射端面６５には反射防止膜を形成しても良い。
【００６４】
本発明の実施例２の量子ドット半導体光増幅器においても、活性層を近接積層型量子ドット構造からなる活性層で形成しているので、１．３μｍ帯の入射光の増幅に適したブロードニングの少ない活性層が得られる。
【実施例３】
【００６５】
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施例３の量子ドット赤外線検知器を説明する。まず、図８（ａ）に示すように、ＭＢＥ法を用いて、（００１）面を主面とするＧａＡｓ基板７１上に厚さが１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層７２及び厚さが０．５μｍで１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ下側コンタクト層７３を順次形成する。
【００６６】
次いで、図８（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ下側コンタクト層７３上に厚さが５０ｎｍのアンドープＧａＡｓ層７４を成長させたのち、上述の量子構造４１と同様の量子構造７５を形成する。
【００６７】
次いで、図９（ｃ）に示すように、量子構造７５の最上層となる第２中間層上に厚さが３００ｎｍでキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ上側コンタクト層７６を成長させる。
【００６８】
次いで、図９（ｄ）に示すように、ウエットエッチングにより、ｎ型ＧａＡｓ下側コンタクト層７３を露出するまでエッチングしてメサ構造を形成する。次いで、図１０（ｅ）に示すように、レジストパターン７７を用いたリフトオフ法によりＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下側電極層７８及びＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる上側電極層７９を形成する。
【００６９】
次に、図１０（ｆ）に示すように、レジストパターン７７を除去したのち、Ｐ−ＣＶＤ（プラズマ化学気相成長）法を用いて、全面に、厚さが２００ｎｍのＳｉＯＮ層からなる保護層８０を形成する。次いで、ドライエッチング法により、保護層８０に、下側電極層７８及び上側電極層７９上に対するコンタクトホール８１，８２を形成する。
【００７０】
本発明の実施例３の量子ドット赤外線検知器においても、光検知層を近接積層型量子ドット構造から形成しているので、１．３μ帯の入射光に対する検知感度が選択的に高い光検知層が得られる。
【００７１】
ここで、実施例１乃至実施例３を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）半導体基板と、前記半導体基板上に形成された量子構造を含む活性層とを有し、前記量子構造は、圧縮歪を受けた島状形状半導体結晶と、前記島状形状半導体結晶を被うように形成された第１の中間層と、前記第１の中間層上に設けた第２の中間層とを順次繰り返して積層した繰り返し積層構造からなり、前記島状形状半導体結晶は、前記半導体基板の格子定数より大きい第１の格子定数を有する材料よりなり、前記第１の中間層は、前記第１の格子定数より小さい第２の格子定数を有するとともに、前記島状形状半導体結晶より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含む第１の半導体層状結晶からなり、前記第２の中間層は、前記第１の格子定数より小さい第３の格子定数を有するとともに、前記島状形状半導体結晶より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＡｓを含まない第２の半導体層状結晶よりなり、前記第１の中間層及び第２の中間層を介して前記半導体基板の主面に垂直な方向に実質的に整列した島状形状半導体結晶の間隔がキャリアのエネルギー的な結合が生じる間隔であることを特徴とする量子光半導体装置。
（付記２）前記第１の中間層は、III族元素におけるＡｌ組成比が２０％より大きく、厚さが１ｎｍよりも厚いことを特徴とする付記１に記載の量子光半導体装置。
（付記３）前記第２の中間層は、平坦な上主面を有し、下層の前記第１の中間層の頂上部と上面との間隔が、２ｎｍより大きいことを特徴とする付記１また付記２に記載の量子光半導体装置。
（付記４）前記半導体基板はＧａＡｓであり、前記島状形状半導体結晶はＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＳｂ或いはＧａＡｓＳｂのいずれかからなり、前記第１の中間層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ或いはＩｎＡｌＧａＰのいずれかからなり、前記第２の中間層はＧａＡｓまたはＩｎＧａＰであることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか1に記載の量子光半導体装置。
（付記５）前記半導体基板に最も近い側の前記島状形状半導体結晶の下地層が、ＧａＡｓ層であることを特徴とする付記４に記載の量子光半導体装置。
（付記６）前記島状形状半導体結晶が、二次元濡れ層を伴う量子ドットであることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか1に記載の量子光半導体装置。
（付記７）前記量子構造を含む活性層が、半導体レーザ、半導体光増幅器或いは赤外線検知素子のいずれかの活性層であることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか1に記載の量子光半導体装置。
【符号の説明】
【００７２】
１  半導体基板
２  ＧａＡｓバッファ層
１０  量子構造
１１  二次元濡れ層
１２  島状形状半導体結晶
１３  第１の中間層
１４  第２の中間層
２１  ＧａＡｓ基板
２２  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ下地層
２３  ＧａＡｓスペーサ層
２４  ウェッティング層
２５  ＩｎＡｓ島状結晶
２６  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ埋込層
３１  ｎ＋ 型ＧａＡｓ基板
３２  ｎ＋型ＧａＡｓバッファ層
３３  ｎ＋型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３４  ｎ型ＧａＡｓ光導波層
３５  量子構造
３６  ウェッティング層
３７  ＩｎＡｓ量子ドット
３８  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ第１中間層
３９  ＧａＡｓ第２中間層
４０  ＧａＡｓ層
４１  量子構造
４２  アンドープＧａＡｓ層
４３  ｐ型ＧａＡｓ光導波層
４４  ｐ＋ 型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４５  ｐ＋ 型ＧａＡｓキャップ層
４６，６１  保護膜
４７，６２  ｎ側電極
４８，６３  ｐ側電極
４９  高反射率ミラー
５０  低反射率ミラー
５１  ｎ型ＧａＡｓ基板
５２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
５３  ｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層
５４  ｎ型ＧａＡｓ光導波層
５５  量子構造
５６  ｐ型ＧａＡｓ光導波層
５７  ｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層
５８  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
５９  溝
６０  リッジ
６４  入射端面
６５  出射端面
７１  ＧａＡｓ基板
７２  ＧａＡｓバッファ層
７３  ｎ型ＧａＡｓ下側コンタクト層
７４  アンドープＧａＡｓ層
７５  量子構造
７６  ｎ型ＧａＡｓ上側コンタクト層
７７  レジストパターン
７８  下側電極層
７９  上側電極層
８０  保護層
８１，８２  コンタクトホール
９１，１０１，１１１  ＧａＡｓ基板
９２  ＧａＡｓバッファ層
９３，１０３，１１３  ウェッティング層
９４，１０４，１１４  ＩｎＡｓ歪島状結晶
９５  ＧａＡｓ中間層
１０２  ＧａＡｓ下地層
１０５  ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ埋込層
１１２  ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ下地層
１１５  ＧａＡｓ埋込層
【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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【図１２】
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【図１３】
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