(57)【要約】【課題】半導体装置の発光波長を短波長化し、発光強度を向上させる。【解決手段】半導体装置（１、２）は、ホスト材料内にゲスト材料からなるナノ構造体（ＱＤ）を内包する半導体装置ある。当該半導体装置は、第１物質を含んでなり、ナノ構造体とホスト材料との間に挟まれたサブナノ構造層（３０）を備える。サブナノ構造層のナノ構造体に接する面の少なくとも一部は、第１物質の格子長よりもゲスト材料の格子長に近い格子長を有する第２物質から構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホスト材料内にゲスト材料からなるナノ構造体を内包する半導体装置であって、
第１物質を含んでなり、前記ナノ構造体と前記ホスト材料との間に挟まれたサブナノ構造層を備え、
前記サブナノ構造層の前記ナノ構造体に接する面の少なくとも一部は、前記第１物質の格子長よりも前記ゲスト材料の格子長に近い格子長を有する第２物質から構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１物質は、ＧａＡｓであり、
前記第２物質は、ＧａＳｂである
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記サブナノ構造層と、前記サブナノ構造層の上に積層された一又は複数の前記ナノ構造体を含むナノ構造体層との各々を複数備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体基板上に、第１のホスト材料層を形成する第１工程と、
前記第１のホスト材料層上に、第３物質から成るサブナノ構造層を形成する第２工程と、
前記サブナノ構造層の上面に前記第３物質とは異なる第４物質を所定時間だけ照射した後に、前記サブナノ構造層上に、ゲスト材料からなるナノ構造体を形成する第３工程と、
前記ナノ構造体の上に、第２のホスト材料層を形成する第４工程と、
を有し、
前記第４物質が照射されることにより、前記サブナノ構造層の上面の少なくとも一部に、前記第３物質の格子長よりも前記ゲスト材料の格子長に近い格子長を有する第５物質が生成される
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第３物質は、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ又はＡｌＡｓであり、
前記第４物質は、Ｓｂであり、
前記ゲスト材料は、ＩｎＡｓである
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程各々が複数回実行されることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ構造体を含む半導体装置及びその製造方法の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置として、例えば、量子井戸層の上に、例えばＧａＡｓ等からなるサブナノ構造の薄膜層を備え、該薄膜層の上に、例えばＩｎＧａＡｓ等からなる量子ドットが形成された装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
或いは、ＧａＡｓバッファ層の表面又は上層に形成されたＧａＳｂ層の表面にＩｎＡｓ量子ドットが形成された装置が提案されている（特許文献２参照）。或いは、ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸構造の上にＩｎＡｓからなる量子ドット構造が形成された装置が提案されている（特許文献３参照）。特許文献３には、量子ドット構造を作成する前に、量子ドット構造近傍をＳｂ原子でコーティングする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５７１７０７９号
【特許文献２】特許第４８２５９６５号
【特許文献３】特開２００９−１７６８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この種の装置は、例えば半導体レーザの活性領域に用いられることが多い。この種の装置を半導体レーザに適用するためには、所望の波長を有する光を所望の強度で発生させることが求められる。上述の特許文献１乃至３に記載の技術には、改善の余地がある。
【０００６】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、発光波長の短波長化と発光強度の向上を可能とする半導体装置及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は、上記課題を解決するために、ホスト材料内にゲスト材料からなるナノ構造体を内包する半導体装置であって、第１物質を含んでなり、前記ナノ構造体と前記ホスト材料との間に挟まれたサブナノ構造層を備え、前記サブナノ構造層の前記ナノ構造体に接する面の少なくとも一部は、前記第１物質の格子長よりも前記ゲスト材料の格子長に近い格子長を有する第２物質から構成されている。
【０００８】
本発明の半導体装置の製造方法は、上記課題を解決するために、半導体基板上に、第１のホスト材料層を形成する第１工程と、前記第１のホスト材料層上に、第３物質から成るサブナノ構造層を形成する第２工程と、前記サブナノ構造層の上面に前記第３物質とは異なる第４物質を所定時間だけ照射した後に、前記サブナノ構造層上に、ゲスト材料からなるナノ構造体を形成する第３工程と、前記ナノ構造体の上に、第２のホスト材料層を形成する第４工程と、を有し、前記第４物質が照射されることにより、前記サブナノ構造層の上面の少なくとも一部に、前記第３物質の格子長よりも前記ゲスト材料の格子長に近い格子長を有する第５物質が生成される。
【０００９】
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】実施例に係る半導体装置の製造方法における一工程を示す工程断面図である。
【図３】図２に示す工程に続く工程を示す工程断面図である。
【図４】図３に示す工程に続く工程を示す工程断面図である。
【図５】図４に示す工程に続く工程を示す工程断面図である。
【図６】実施例に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図７】実施例に係る半導体装置の製造方法により形成された量子ドットのＡＦＭ画像の一例である。
【図８】実施例に係る半導体装置のＰＬ発光スペクトルの一例である。
【図９】量子ドット形成前にサブナノ構造層にアンチモンを照射した場合に得られるＰＬ発光スペクトルの一例、及び量子ドット形成前にサブナノ構造層にアンチモンを照射しなかった場合に得られるＰＬ発光スペクトルの一例である。
【図１０】実施例に係る半導体装置のＰＬ発光スペクトルの一例、及び比較例に係る半導体装置のＰＬ発光スペクトルの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の半導体装置及びその製造方法に係る実施形態について説明する。
【００１２】
（半導体装置）
実施形態に係る半導体装置は、ホスト材料内にゲスト材料からなるナノ構造体を内包する半導体装置である。当該半導体装置は、第１物質を含んでなり、ナノ構造体とホスト材料との間に挟まれたサブナノ構造層を備える。つまり、当該半導体装置は、所謂サンドイッチサブナノ構造（Ｓａｎｄｗｉｃｈ  Ｓｕｂ−Ｎａｎｏ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＳＳＮＳ）を有している。
【００１３】
本実施形態では特に、サブナノ構造層のナノ構造体に接する面の少なくとも一部は、第１物質の格子長よりもゲスト材料の格子長に近い格子長を有する第２物質から構成されている。つまり、第２物質の格子長とゲスト材料の格子長との差分が、第１物質の格子長とゲスト材料の格子長との差分より小さい。
【００１４】
本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、第２物質の格子長とゲスト材料の格子長とが比較的近いので、ナノ構造体の歪量が比較的小さくなる。この結果、ナノ構造体のサイズを比較的小さくすることができる。加えて、ナノ構造体の歪量が比較的小さいので、該ナノ構造体を含む層の歪みを抑制することができる。この結果、比較的容易にして、ナノ構造体を含む層を複数積層することができる。
【００１５】
本実施形態の半導体装置によれば、ナノ構造体のサイズを比較的小さくすることができるので、発光波長の短波長化を実現することができる。また、本実施形態の半導体装置によれば、比較的容易にして、ナノ構造体を含む層を複数積層することができるので、発光強度の向上を実現することができる。
【００１６】
（半導体装置の製造方法）
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、第１のホスト材料層を形成する第１工程と、第１のホスト材料層上に、第３物質から成るサブナノ構造層を形成する第２工程と、サブナノ構造層の上面に第３物質とは異なる第４物質を所定時間だけ照射した後に、サブナノ構造層上に、ゲスト材料からなるナノ構造体を形成する第３工程と、ナノ構造体の上に、第２のホスト材料層を形成する第４工程と、を有する。
【００１７】
本実施形態では特に、第４物質が照射されることにより、サブナノ構造層の上面の少なくとも一部に、第３物質の格子長よりもゲスト材料の格子長に近い格子長を有する第５物質が生成される。
【００１８】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、上述した実施形態に係る半導体装置と同様に、発光波長の短波長化、及び発光強度の向上を実現することができる。
【実施例】
【００１９】
本発明の半導体装置及びその製造方法に係る実施例を、図面に基づいて説明する。尚、以下で参照する各図においては、各層を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層の縮尺を適宜異ならしめてある。
【００２０】
（半導体装置）
実施例に係る半導体装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施例に係る半導体装置を示す断面図である。
【００２１】
図１において、半導体装置１は、例えばＧａＡｓからなる半導体基板１０と、該半導体基板１０上に積層された、例えばＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層２０と、該量子井戸層２０上に積層され、例えばＧａＡｓを含んでなるサブナノ構造層３０と、該サブナノ構造層３０上に形成され、例えばＩｎＡｓからなる量子ドットＱＤと、該量子ドットＱＤを覆い、例えばＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層４０と、該量子井戸層４０上に積層され、例えばＧａＡｓからなるキャップ層５０と、を備えて構成されている。
【００２２】
サブナノ構造層３０は、特に、該サブナノ構造層３０の量子ドットＱＤと接する面の少なくとも一部が、ＧａＳｂから構成されている。
【００２３】
ここで、ＧａＳｂの格子長は、６．０９５オングストロームであり、ＧａＡｓの格子長である５．６５オングストロームに比べて、量子ドットＱＤを構成するＩｎＡｓの格子長である６．０６オングストロームに近い。このため、量子ドットＱＤの歪量が比較的小さくなり、結果として、量子ドットＱＤのサイズが比較的小さくなる。
【００２４】
本実施例に係る「量子ドットＱＤ」は、本発明に係る「ナノ構造体」の一例である。本実施例に係る「ＩｎＧａＡｓ」、「ＩｎＡｓ」、「ＧａＡｓ」及び「ＧａＳｂ」は、夫々、本発明に係る「ホスト材料」、「ゲスト材料」、「第１物質」及び「第２物質」の一例である。
【００２５】
尚、図１には、量子ドットＱＤを一つのみ図示しているが、量子ドットＱＤは複数個形成されてよい。
【００２６】
（半導体装置の製造方法）
実施例に係る半導体装置の製造方法について、図２乃至図５を参照して説明する。上述した半導体装置１は、主にＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）装置を用いて製造される。
【００２７】
先ず、例えば約１×１０−５Ｔｏｒｒのヒ素（Ａｓ）照射下において、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）が供給されることにより、半導体基板１０上に量子井戸層２０が形成される（図２参照）。
【００２８】
次に、例えば約１×１０−５Ｔｏｒｒのヒ素照射下において、ガリウムが供給されることにより、量子井戸層２０の上に、ＧａＡｓからなるサブナノ構造層３０´が形成される（図３参照）。サブナノ構造層３０´が形成された後、ヒ素に代えて、アンチモン（Ｓｂ）が所定の圧力で、所定時間（例えば１０秒）だけ供給される（図３参照）。すると、サブナノ構造層３０´の上面（表面）の少なくとも一部を構成するＧａＡｓのＡｓがＳｂに置換される。この結果、上面の少なくとも一部がＧａＳｂにより構成されたサブナノ構造層３０が形成される。
【００２９】
アンチモンの供給が停止された後、例えば約１×１０−５Ｔｏｒｒのヒ素照射下において、インジウムが供給されることにより、サブナノ構造層３０上に、量子ドットＱＤが形成される（図４参照）。
【００３０】
次に、例えば約１×１０−５Ｔｏｒｒのヒ素照射下において、ガリウム及びインジウムが供給されることにより、量子ドットＱＤを覆う量子井戸層４０が形成される（図５参照）。量子井戸層４０の形成後、例えば約１×１０−５Ｔｏｒｒのヒ素照射下において、ガリウムが供給されることによりキャップ層５０が形成される（図１参照）。
【００３１】
キャップ層５０の形成後、該キャップ層５０の上方に、量子井戸層２０、サブナノ構造層３０、量子ドットＱＤ、量子井戸層４０及びキャップ層５０が繰り返し形成されてもよい。このように構成すれば、図６に示すような、量子ドットＱＤを含む層を複数備える半導体装置２が形成される。
【００３２】
上述の如く、ＧａＳｂの格子長は、ＧａＡｓの格子長に比べて、量子ドットＱＤを構成するＩｎＡｓの格子長に近いので、量子ドットＱＤの歪量が比較的小さくなる。すると、量子井戸層４０の歪みも比較的小さくなり、量子ドットＱＤを含む層を複数備える半導体装置２を比較的容易に製造することができる。
【００３３】
尚、本願発明者の研究によれば、実施例に係る半導体装置の製造方法により、量子ドットＱＤを含む層を１２〜１８層備える半導体装置を製造可能であることが判明している。
【００３４】
本実施形態に係る「量子井戸層２０」及び「量子井戸層４０」は、夫々、本発明に係る「第１のホスト材料層」及び「第２のホスト材料層」の一例である。
【００３５】
（技術的効果）
実施例に係る半導体装置及びその製造方法により得られる技術的効果について、図７乃至図１０を参照して説明する。
【００３６】
図７は、実施例に係る半導体装置の製造方法により形成された量子ドットのＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像の一例である。図８は、実施例に係る半導体装置のＰＬ発光スペクトルの一例である。図９は、量子ドット形成前にサブナノ構造層にアンチモンを照射した場合に得られるＰＬ発光スペクトルの一例、及び量子ドット形成前にサブナノ構造層にアンチモンを照射しなかった場合に得られるＰＬ発光スペクトルの一例である。図１０は、実施例に係る半導体装置のＰＬ発光スペクトルの一例、及び比較例に係る半導体装置のＰＬ発光スペクトルの一例である。
【００３７】
上述したように、サブナノ構造層３０の量子ドットＱＤと接する面の少なくとも一部が、ＧａＳｂから構成されているので、量子ドットＱＤのサイズが比較的小さくなる。図７に基づくと、本実施例に係る量子ドットＱＤの直径は、概ね３０〜４０ｎｍ（ナノメートル）である。尚、特許文献１に記載の技術に基づいて製造された量子ドットの直径は、概ね４５〜５５ｎｍである。
【００３８】
本実施例に係る半導体装置１では、量子ドットＱＤのサイズが比較的小さいので、図８に示すような、波長１．１μｍ（マイクロメートル）以下にピークを有するＰＬ発光スペクトルを得ることができる（量子ドットＱＤのサイズが小さくなると発光波長が短くなることが知られている）。
【００３９】
図９に示す、量子ドットＱＤ形成前にサブナノ構造層３０´にアンチモンを照射した場合に得られるＰＬ発光スペクトルと、量子ドットＱＤ形成前にサブナノ構造層３０´にアンチモンを照射しなかった場合に得られるＰＬ発光スペクトルとを比較すると、両者の発光波長に明らかな違いがあることがわかる（尚、アンチモンの照射、不照射以外の本質的な条件は同一である）。
【００４０】
つまり図９は、ＧａＳｂの格子長が、ＧａＡｓの格子長よりも量子ドットを構成するＩｎＡｓの格子長に近いことに起因して、量子ドットＱＤのサイズが比較的小さくなることを裏付けるデータであると言える。
【００４１】
また、図７に示すように、本実施例に係る半導体装置の製造方法によれば、量子ドットＱＤを比較的高密度で形成することができる。図７に基づくと、量子ドットＱＤの密度は、約１０００個／μｍ２である。尚、特許文献１に記載の技術に基づいて製造された量子ドットの密度は、約６００個／μｍ２である。
【００４２】
図１０における比較例（点線参照）は、製造時に量子ドットの成長を抑制することにより、量子ドットのサイズを小さく抑えた半導体装置のＰＬ発光スペクトルの一例である。単に、量子ドットのサイズを小さくするだけでは、量子ドットの密度を高めることができない。この結果、図１０に示すように、比較例に係る半導体装置の発光強度は比較的弱くなる。
【００４３】
他方で、本実施例に係る半導体装置の製造方法では、量子ドットＱＤの密度を比較的高くすることができるので、半導体装置の発光強度を向上させることができる（図１０の実線参照）。特に、本実施例に係る量子ドットＱＤは歪量が比較的小さいので、量子ドットＱＤを含む層を複数備える半導体装置２を比較的容易に製造することができる。この結果、半導体装置の発光強度をより向上させることができる。
【００４４】
尚、図１０において実線で示されるＰＬ発光スペクトルは、量子井戸層２０、サブナノ構造層３０、量子ドットＱＤ、量子井戸層４０及びキャップ層５０からなる構造が１２回積層された半導体装置により得られたものである。他方、図１０において点線で示されるＰＬ発光スペクトルは、量子ドット及びキャップ層からなる構造が１２回積層された半導体装置により得られたものである。
【００４５】
ところで、波長１．０〜１．３μｍの近赤外光は、生体中での透過性が高く、水分吸光が比較的少ない。このため、波長１．０〜１．３μｍの帯域は「生体の窓」として注目されている。そして、波長１．０〜１．３μｍの近赤外光は、例えば生体透過観察等の技術分野で用いられている。本発明によれば、生体透過観察等に適用可能な光源の選択肢を増やすことができる。
【００４６】
尚、サブナノ構造層３０は、ＧａＡｓに代えて、例えばＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓを含んで構成されていてよい。
【００４７】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う半導体装置及びその製造方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１…半導体装置、１０…半導体基板、２０、４０…量子井戸層、３０…サブナノ構造層、５０…キャップ層、ＱＤ…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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【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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