(57)【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よりなる量子半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記第２の半導体結晶はＮを含み、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＮＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする量子半導体装置。
【請求項２】
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有することを特徴とする請求項１記載の量子半導体装置。
【請求項３】
前記整列した複数の量子ドットは、量子力学的に結合して、１．３μm 帯の発光波長を有する単一の量子ドットを形成することを特徴とする請求項１または２記載の量子半導体装置。
【請求項４】
前記ＩｎＮＡｓは、組成をＩｎＮｘＡｓ１−ｘと表した場合、組成パラメータｘが約０．０３〜０．０４であることを特徴とする、請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【請求項５】
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よりなる量子半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなる中間層と；
前記中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記第２の半導体結晶はＮを含み、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＮＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする量子半導体発光装置。
【請求項６】
半導体基板と；
前記半導体基板上に形成された第１のクラッド層と；
前記第１のクラッド層上に形成され、量子構造を含む活性層と；
前記活性層上に形成された第２のクラッド層と；
前記半導体基板上に形成され、前記第１のクラッド層を介して第１の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第１の電極と；
前記第２のクラッド層上に形成され、前記第２のクラッド層を介して第２の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第２の電極とよりなる量子半導体発光装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；
各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記第２の半導体結晶はＮを含み、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＮＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする量子半導体発光装置。
【請求項７】
前記複数の中間層の各々は、前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さを有することを特徴とする請求項６記載の量子半導体発光装置。
【請求項８】
前記整列した複数の量子ドットは、量子力学的に結合して１．３μm 帯の発光波長を有する単一の量子ドットを形成することを特徴とする請求項６または７記載の量子半導体発光装置。
【請求項９】
前記ＩｎＮＡｓは、組成をＩｎＮｘＡｓ１−ｘと表した場合、組成パラメータｘが約０．０３〜０．０４であることを特徴とする、請求項６〜８のうち、いずれか一項記載の量子半導体発光装置。
【請求項１０】
半導体基板と；
前記半導体基板上に形成された第１のクラッド層と；
前記第１のクラッド層上に形成され、量子構造を含む活性層と；
前記活性層上に形成された第２のクラッド層と；
前記半導体基板上に形成され、前記第１のクラッド層を介して第１の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第１の電極と；
前記第２のクラッド層上に形成され、前記第２のクラッド層を介して第２の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第２の電極とよりなる量子半導体発光装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなる中間層と；
前記中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、
前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、
前記第２の半導体結晶はＮを含み、
前記複数の量子ドットの各々はＩｎＮＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする量子半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に量子ドット構造を有する量子半導体装置に関する。
キャリアの閉じ込めのない、いわゆるバルク半導体結晶では、キャリアの状態密度はエネルギと共に放物線的に、すなわ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いわゆる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。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せまい鋭いスペクトルが得られ、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。また、量子井戸構造は、ＲＨＥＴのような共鳴バリアを有する電子素子において、キャリアのエネルギフィルタとして使われている。
【０００２】
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スペクトルはさらに鋭くなる。
キャリアの閉じ込めをさらに進めた究極的な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ため、例えば量子ドット構造を有する光半導体装置では、室温においても非常に鋭い発光スペクトルを得ることができる。また、かかる量子ドット構造をＲＨＥＴのような共鳴バリアを有する電子素子において、キャリアのエネルギフィルタとして使った場合も、低温のみならず、室温においても非常に鋭いエネルギスペクトルが得られる。
【０００３】
また、かかる量子ドット構造は、エネルギ緩和のボトルネック問題等、基礎物理学的な興味も持たれている。
【０００４】
【従来の技術】
従来、量子井戸構造は、ＭＢＥ法あるいはＭＯＶＰＥ法を使って一対のバリア層の間に非常に薄い量子井戸層を介在させることにより、比較的容易に、また確実に形成することが可能であった。また、量子細線構造については、階段構造を有するいわゆる傾斜半導体基板を使い、各階段の側縁に沿って厚さおよび幅の狭い半導体層を量子井戸層として成長させる方法、あるいは１次元量子井戸構造を電子ビームリソグラフィ等により形成する方法が提案されている。
【０００５】
そこで、量子ドット構造についても、このような傾斜基板上の段差あるいはキンクを使って形成することが考えられるが、かかる基板表面の段差の制御は困難であり、またかかる量子ドット界面においては元素の混合が生じやすく、界面における組成の急峻な変化が困難である等の問題点が存在する。また、リソグラフィ等のパターニングを使った場合、加工に伴う量子ドットへの実質的な損傷が避けられない。
【０００６】
これに対し、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の歪み系ヘテロエピタキシャル構造において、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により、基板上に相互に離間した島の形で量子ドット構造を形成することができることが知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上に、Ｉｎ組成が０．５程度の格子定数が大きく異なるＩｎＧａＡｓ層を数分子層、ＭＢＥ法により堆積することにより、直径が３０〜４０ｎｍのＩｎＧａＡｓの島がＧａＡｓ基板上に形成されることが報告されている（Leonard, D., et al., Appl. Phys. Lett. 63, pp.3203 - 3205, 1993)。また、ＡＬＥ法を使って直径が１５〜２０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓの島を、ＧａＡｓ基板上に、１００ｎｍ程度の間隔で形成できることが報告されている (Mukai, K., et al., Jpn. J. Appl. Phys., 33, pp.L1710 - L1712, 1994) 。さらに、ＭＯＶＰＥ法によっても、同様な量子ドットを形成できることが知られている（Oshinowo, J., et al., Appl, Phys. Lett. 65, (11), pp.1421 - 1423 (1994) 。
【０００７】
かかる歪み系ヘテロエピタキシャル構造における量子ドットの形成は、ヘテロ界面に生じる歪みエネルギに支配されるため、従来の量子ドット構造の形成に比べてはるかに簡単であり、また電子ビームリソグラフィ等によるパターニングを行なうわけでもないので、形成された量子ドットが製造プロセスにより損傷を受けることもない。かかる量子ドットに対してはフォトルミネッセンス（ＰＬ）も測定されており、１．２ｅＶ付近において、かなり広がったＰＬピークが生じるのが確認されている (Leonard, D., et al., op cit.) 。
【０００８】
かかる従来のＳ−Ｋモードを使った量子ドットでは、先にも説明したように、ＰＬ強度は比較的強いものの、そのスペクトル半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum) が典型的には８０〜１００ｍｅＶ程度の範囲に拡がってしまう問題が生じるが、これは量子ドットの大きさの制御が十分にできていないためであると考えられる。また、かかる量子ドットのＰＬ波長は１．１μｍ程度であり、光通信あるいは光情報処理で一般的に使われている１．３μｍ帯の波長よりも短波長側にずれているが、従来のＳ−Ｋモードの量子ドットでは、ＰＬ波長を必要に応じて設定することが困難であった。後ほど説明するように、量子ドットの大きさ自体は堆積温度を制御することである程度は制御することができるが、個々の量子ドットで大きさにかなりのばらつきが生じるのは避けられない。かかる量子ドットの大きさのばらつきが、ＰＬスペクトルの拡がりに結びついているものと考えられる。また、かかる従来の量子ドット構造では、発光に関与しない量子ドットもかなり含まれていると考えられる。
【０００９】
最近になって、 Farad  他 (Farad, S. et al., Appl. Phys. Lett. 68(7),  pp.991 - 993, February 12, 1996)は、ＩｎＰ基板上に格子整合して堆積されたＡｌＩｎＡｓバッファ層上のＩｎＡｓよりなるＳ−Ｋモード量子ドットについて、１．５μｍ帯のＰＬ波長を報告している。しかし、この報告においても、ＰＬスペクトルのＦＷＨＭは１１０ｍｅＶ以上あり、個々の量子ドットの波長制御に実質的な課題が残っていることを示している。
【００１０】
このように、従来のＳ−Ｋモードの量子ドットでは、応用上重要な１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯において鋭い発光ピークを得ることができず、実用的な光半導体装置を構成することができなかった。また、ＲＨＥＴのような電子装置においても同様な問題が生じていた。すなわち、従来のＳ−Ｋモードの量子ドットをこのようなＲＨＥＴの共鳴トンネルバリアとして使った場合、得られるエネルギフィルタの特性が悪く、所望の鋭い共鳴トンネル効果が得られない。
【００１１】
これに対し、本発明の発明者は、先に、かかるＳ−Ｋモードの量子ドットが形成された量子ドット構造上に、前記量子ドットを埋め込むように、基板と格子整合する中間層を形成し、かかる中間層上にさらにＳ−Ｋモードで量子ドットを形成した場合、上層の量子ドットが下層の量子ドット上に整列する現象を発見し (Sugiyama, Y., et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35, Part 1, No.2B, pp.365 - 369, February, 1996)、この発見に基づいて、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よりなり、前記量子構造を、第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり互いに繰り返し積層された複数の中間層と、各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとにより構成し、その際、前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットを、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に実質的に整列させ、さらに前記複数の中間層の各々の厚さを、キャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さ、特に前記量子ドットが自由成長した場合に有する高さよりも実質的に小さい厚さに設定した、新規な量子半導体装置を提案した。特開平９−３２６５０６号公報を参照。
【００１２】
かかる量子ドットの整列は、下層の量子ドットを埋め込んだ中間層中に前記量子ドットに対応して歪みが蓄積され、上層の量子ドットを構成する半導体層をかかる中間層上に堆積する際に、中間層のうち、かかる歪みが蓄積された部分に上層の量子ドットを構成する原子が集まるために生じるものと考えられる。整列した量子ドットは互いに量子力学的に結合し、実質的に単一の、大きな、かつ大きさの揃った量子ドットを構成する。
【００１３】
図７は、かかる量子ドットが基板主面に対して垂直方向に整列した積層量子構造の例を概略的に示す。
図７を参照するに、図示の積層量子構造３は、ＧａＡｓ基板１の（１００）面上に厚さ４００ｎｍで形成されたＧａＡｓバッファ層２上に形成され、前記バッファ層２上に繰り返し積層されたＧａＡｓ中間層３ａを含み、各々の中間層３ａ中には、ＩｎＡｓよるなる複数の量子ドット３ｂが、相互に離散して形成されている。
【００１４】
このようにしてＧａＡｓバッファ層２上に堆積されたＩｎＡｓ層は、層２に対して７％程度異なる格子定数を有するため、歪み系ヘテロエピタキシャル構造を形成する。かかる歪み系ヘテロエピタキシャル構造においてＩｎＡｓ層のエピタキシャル層を成長させる場合には、先にも説明したように、成長の初期にＳ−ＫモードによるＩｎＡｓの島状成長が生じ、その結果量子ドット３ｂを構成するＩｎＡｓの島が多数、前記バッファ層２の表面に形成される。
【００１５】
図示の構造では、さらにＧａＡｓ中間層３ａが島３ｂを埋めるようにさらに堆積され、島３ｂの形成および中間層３ａの堆積が繰り返される。各々の島３ｂは、典型的には２０ｎｍ程度の径と５ｎｍ程度の高さを有し、バンドギャップの大きい中間層３ａで囲まれることにより、キャリアを３次元的に閉じ込める量子ドットを形成する。
【００１６】
かかる量子ドットの整列は、中間層３ａを図７に示すように繰り返し堆積する際、中間層３ａのうち、量子ドット３ｂを覆う部分に、格子不整合に伴う歪みが蓄積し、従って第２層目、第３層目等の量子ドット３ｂを形成する際、下層の中間層３ａのうち、かかる下層の量子ドット３ｂを覆う部分に選択的にＩｎＡｓの島状成長が生じるために形成されると理解される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
図８（Ａ），（Ｂ）は、図７の積層量子構造３において、ＧａＡｓよりなる中間層３ａおよびＩｎＡｓよりなる量子ドット３ｂをそれぞれ１層および５層積層した構造について、７７Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを測定した結果を示す。
【００１８】
図８（Ａ）を参照するに、量子ドット３ｂを１層積層しただけの構造では、ＰＬスペクトル強度は低く、また非常に拡がっており、個々の量子ドット３ｂの大きさにかなりのばらつきがあることが示唆される。また、発光の中心波長も１．１μｍよりも短波長側にあり、このままでは、１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯を使う光通信装置あるいは光情報処理装置に使えないことがわかる。
【００１９】
これに対し、図８（Ｂ）に示したように中間層３ａおよび量子ドット３ｂを５層積層した場合には、ＰＬスペクトル強度は非常に高くなり、また、ピーク波長もやや短波長側にシフトする。これは、積層された複数の量子ドット３ｂが量子力学的に結合して実効的に単一の量子ドットを形成することを示唆するが、この場合にも、ＰＬ発光波長は１．２μｍ程度が上限で、それ以上に波長を増大させ、例えば１．３μｍ帯の発光波長を得ようとすると、積層数が非常に多くなり、工程上困難である。
【００２０】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な量子半導体装置を提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、自己組織化した量子ドットを含み、１．３μｍ帯あるいはより長波長の帯域で動作する量子半導体装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
一の側面によれば本発明は上記の課題を、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よりなる量子半導体装置において、前記量子構造は：第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、前記第２の半導体結晶はＮを含み、前記複数の量子ドットの各々はＩｎＮＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする量子半導体装置により、または
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よりなる量子半導体装置において、前記量子構造は：第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなる中間層と；前記中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、前記第２の半導体結晶はＮを含み、前記複数の量子ドットの各々はＩｎＮＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする量子半導体発光装置により、または。
半導体基板と；前記半導体基板上に形成された第１のクラッド層と；前記第１のクラッド層上に形成され、量子構造を含む活性層と；前記活性層上に形成された第２のクラッド層と；前記半導体基板上に形成され、前記第１のクラッド層を介して第１の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第１の電極と；前記第２のクラッド層上に形成され、前記第２のクラッド層を介して第２の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第２の電極とよりなる量子半導体発光装置において、前記量子構造は：第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなり、互いに繰り返し積層された複数の中間層と；各々の中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、前記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列し、前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、前記第２の半導体結晶はＮを含み、前記複数の量子ドットの各々はＩｎＮＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする量子半導体発光装置により、または
半導体基板と；前記半導体基板上に形成された第１のクラッド層と；前記第１のクラッド層上に形成され、量子構造を含む活性層と；前記活性層上に形成された第２のクラッド層と；前記半導体基板上に形成され、前記第１のクラッド層を介して第１の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第１の電極と；前記第２のクラッド層上に形成され、前記第２のクラッド層を介して第２の導電型のキャリアを前記活性層に注入する第２の電極とよりなる量子半導体発光装置において、前記量子構造は：第１の格子定数を有する第１の半導体結晶よりなる中間層と；前記中間層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々前記中間層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとを含み、前記複数の中間層の各々はキャリアのＢｏｈｒ半径以下の厚さに厚さを設定されており、前記第２の半導体結晶はＮを含み、前記複数の量子ドットの各々はＩｎＮＡｓよりなり、前記複数の中間層の各々はＧａＡｓよりなることを特徴とする量子半導体発光装置により、解決する。
【００２２】
図９を参照するに、格子定数が５．６５４ÅのＧａＡｓにおいて少量のＮがＡｓを置き換えると格子定数は減少し、またＧａＡｓ−ＧａＮ系に特有なバンドギャップエネルギの下方へのボウイングにより、バンドギャップエネルギも減少する。また、同様にＩｎＡｓ−ＩｎＮ系においても、ＩｎＮ自体は、立方晶系で閃亜鉛鉱型のＩｎＡｓに対して六方晶系でウルツ鉱型の結晶構造を有するが、Ｎの濃度が低い領域では閃亜鉛鉱形の構造を維持し、バンドギャップエネルギＥg が、系の組成をＩｎＮx Ａｓ1-x と表した場合、式
Ｅg （ｘ）＝０．３６＋１．５３ｘ＋４．２ｘ（１−ｘ）
により変化する。
【００２３】
従って、前記ＩｎＡｓ量子ドットを例えば１０層積層した構造においては７７ＫでのＰＬエネルギが、１．１６μm の波長に対応する約１．０７ｅＶ程度までしか減少しないのに対し、ＰＬエネルギを１．３μｍの波長に対応する０．９５４ｅＶまで減少させるには、前記バンドギャップエネルギＥg をさらに０．１１４ｅＶだけ減少させればよい。このためには、前記Ｎの組成パラメータｘを０．０４４９に設定すればよい。また、室温ではバンドギャップエネルギは７７Ｋにおけるよりも減少するため、前記組成パラメータｘは約０．０３程度になる。
【００２４】
ところで、従来より、ＧａＮＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓ系のＮ含有化合物半導体材料では、ＧａＡｓ基板上に格子整合するようにその組成を制御することが研究されている。例えば（Kondow  他、前出）を参照。しかし、本発明における量子ドットは歪み系におけるＳ−Ｋモード成長により形成されるものであり、従って基板との間の格子不整合が存在することが前提となる。一方、図９よりわかるように、ＧａＡｓあるいはＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体においてＮがＡｓを置換すると格子定数は減少する傾向にあり、従ってＩｎＡｓにおいてＮを導入した場合、ＩｎＡｓドットとＧａＡｓ基板との間の格子不整合は減少する傾向を示す。しかし、導入されるＮの量が前記組成パラメータｘにして０．０３〜０．０４の範囲では、Ｓ−Ｋ成長に必要な格子不整合が維持される。
【００２５】
図１（Ａ），（Ｂ）および図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明による量子半導体装置の原理を示す。ただし、図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１（Ａ）を参照するに、バッファ層２上には単層の量子ドット３ｂが形成され、さらに前記単層の量子ドット３ｂを覆うように、単層のＧａＡｓ中間層３ａが形成される。さらに、前記量子ドット３ｂおよび中間層３ａよりなる量子構造３を覆うように、ＧａＡｓキャップ層４が形成される。
【００２６】
図１（Ａ）の構造では、図７に示した従来の構造に対し、前記量子ドット３ｂをＩｎＡｓの代わりに約４％のＮを含んだＩｎＮＡｓにより置き換える。ＩｎＮＡｓを使うことにより、バンドギャップＥg が上式に従って減少し、その結果量子ドット３ｂが相互作用する光の波長が長くなる。
図１（Ｂ）は図１（Ａ）の量子半導体装置の７７ＫにおけるＰＬスペクトルを示す。
【００２７】
図１（Ｂ）を参照するに、前記量子ドット３ｂにＮを原子比で約４％含ませることにより、ＰＬ強度のピークが７７Ｋにおいて約１．３μｍになることがわかる。
これに対し、図２（Ａ）の構造では、前記ＩｎＮＡｓよりなる量子ドット３ｂを含む中間層３ａを複数（ｍ層）積層する。その際、前記中間層３ａの厚さｄを、前記量子ドット３ｂを自由成長させた場合の高さよりも薄く設定することにより、多数の量子ドット３ｂを、基板１の主面に垂直な方向に整列させることが可能になる。
【００２８】
図２（Ａ）の構造においても、前記量子ドット３ｂ中にＮを約４％導入することにより、図２（Ｂ）に示すようにＰＬ波長を７７Ｋにおいて約１．３７μｍ程度まで増大させることができる。ただし、図２（Ｂ）の結果は、図２（Ａ）の構造において、前記中間層３ａの厚さｄを３ｎｍに設定した場合についてのものである。
【００２９】
一般にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体においてＮを少量導入すると半導体結晶の結晶性が劣化するが、図２（Ｂ）の結果を見ると、図２（Ａ）の積層量子構造３において１．３μｍ帯の波長を実現するには、前記４％よりもはるかに少ない量のＮの導入で十分で、従って、上記積層量子構造３を使うことにより、Ｎの導入に伴う結晶性の低下による発光効率の低下の問題を効果的に回避することができるのがわかる。例えば、図２（Ａ）の量子ドット３ｂを５層積層した構造においてはＮを原子比で２〜３％、好ましくは約２．５％導入することで、前記１．３μｍ帯の発光波長を得ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好ましい実施例について、詳細に説明する。
［第１実施例］
図３は、本発明の第１実施例による発光ダイオード２０の構成を示す。
図３を参照するに、発光ダイオード２０は、（１００）面で画成されたｎ+ 型ＧａＡｓ基板２１上に形成され、前記ＧａＡｓ基板２１上に典型的には４００〜５００ｎｍの厚さで堆積されたｎ+ 型ＧａＡｓバッファ層２２と、前記バッファ層２２上に、典型的には３００ｎｍの厚さで形成されたｎ+ 型ＡｌＧａＡｓよりなる下側クラッド層２３と、前記クラッド層２３上に典型的には１００ｎｍの厚さに形成されたｎ型ＧａＡｓよりなる下側導波層２４とを含む。さらに、導波層２４上には、積層量子構造の一部を構成する非ドープＧａＡｓ層２５が、２０ｎｍの厚さに形成される。
【００３１】
層２２〜２５は、例えばＭＢＥ法により、６２０°Ｃの基板温度で形成される。その際、堆積した層からのＡｓの離脱を防ぐため、堆積を行なう反応容器内のＡｓ圧を６×１０-6Ｔｏｒｒに設定するのがよい。
層２５が形成された後、Ｇａの供給を遮断して基板温度を例えば５１０°Ｃまで下げる。さらに、前記５１０°Ｃの基板温度において前記反応容器中にＩｎおよびＡｓの分子ビームをＮ2 プラズマと共に導入し、２分子層分の非ドープＩｎＮＡｓ層を、前記ＧａＡｓ層２５上に堆積する。かかる堆積に引き続きさらに約３０秒間のアニールを行うことにより、先にも説明したように、堆積されたＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ層２５上において、径が約２０ｎｍ、高さが約５ｎｍの、相互に離間した成長島２６ｂを形成する。前記ＩｎＮＡｓ層の堆積は、例えばKondow, M., et al., IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol.3, no.3, June 1997, pp.719-730  に記載の方法により実行することができる。
【００３２】
このようにして第１層目のＩｎＮＡｓ島２６ｂが形成された後、前記ＧａＡｓ層２５上には、前記ＩｎＮＡｓ島２６ｂを覆うように、厚さが２〜３ｎｍの非ドープＧａＡｓよりなる第１層目の中間層２６ａを堆積する。かかる堆積の結果、厚さが２〜３ｎｍのＧａＡｓ層２６ａ中に径が約２０ｎｍ、高さが約２〜３ｎｍのＩｎＮＡｓ量子ドット２６ｂが分散した量子構造が得られる。かかる中間層２６ａの堆積に伴い、先に自由成長していたＩｎＮＡｓ島２６ｂは変形し、高さが中間層２６ａの厚さに実質的に等しい２〜３ｎｍに減少する。
【００３３】
さらに、前記ＩｎＮＡｓ島２６ｂの形成と前記中間層２６ａの堆積を例えば４回繰り返し、ＩｎＮＡｓ島２６ｂが上下に整列した積層量子構造２６が、図７の積層量子構造３の場合と同様に得られる。かかる堆積の繰り返しの結果、積層量子構造２６は、約２０ｎｍの厚さに形成される。積層量子構造２６は、発光ダイオードの活性層を形成する。
【００３４】
このような、中間層２６ａの厚さが自由成長したＩｎＮＡｓ島２６ｂの高さよりも小さい積層量子構造２６では、量子ドット２６ｂは、直上の別の量子ドット２６ｂと直接に接している可能性がある。ただし、この場合でも、量子ドット２６ｂと直上の別の量子ドット２６ｂとが融合してしまうことはなく、積層量子構造２６の積層構造は維持される。また、量子ドット２６ｂと直上の別の量子ドット２６ｂとの間に１〜数原子層のＧａＡｓが介在している可能性もある。
【００３５】
図３の発光ダイオードでは、さらに前記積層量子構造２６上に非ドープＧａＡｓ層２７が堆積され、その上にｐ型ＧａＡｓよりなる上側導波層２８およびｐ+ 型ＡｌＧａＡｓよりなる上側クラッド層２９が、それぞれ１２０ｎｍおよび３００ｎｍの厚さに形成され、さらに層２９上にｐ+ 型ＧａＡｓよりなるキャップ層３０が、５０ｎｍの厚さに形成される。層２７〜３０の形成も、ＭＢＥ法により行なえばよい。
【００３６】
さらに、このようにして形成された積層半導体構造に対して、前記ＧａＡｓバッファ層２２が露出するまでメサエッチングを行い、形成されたメサ構造上にＳｉＮ等の保護膜３３を形成した後、バッファ層２２上に電極３１を、また前記キャップ層３０上に電極３２を形成する。
かかる構成の発光ダイオードでは、互いに量子力学的に結合した量子ドット２６ｂが基板主面に垂直に整列し、前記ＩｎＮＡｓ量子ドット２６ｂの組成おおよそＩｎＮ0.04Ａｓ0.96とすることにより、先に図２（Ｂ）で説明したように、７７Ｋにおいて波長が１．３７μｍの非常に鋭い発光スペクトルを生じる。また、前記量子ドット２６ｂ中のＮ組成ｘの値を０．０２４とすることにより、７７Ｋで１．３μｍ帯の発光波長が得られる。
【００３７】
さらに、図３の構成において、図１（Ａ）に示したように量子ドット２６ｂを単層形成した場合には、Ｎの組成ｘを０．０４とすることにより、７７Ｋで約１．３μｍの発光波長が得られる。また、かかる量子ドット２６ｂを単層含む量子半導体装置において室温で１．３μｍの発光波長を得るためには、前記Ｎの組成値ｘを約０．０３とすればよい。
［第２実施例］
図４は、本発明の第２実施例による端面発光型レーザダイオード４０の構成を示す縦断面図である。ただし、図４中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。またレーザダイオード４０の横断面図は、図３のものと実質的に同じであるので省略する。
【００３８】
図４を参照するに、レーザダイオードの対向する端面には高反射率ミラーＭおよび低反射率ミラーＡＲが形成され、その結果、前記積層量子構造２６はレーザダイオードの光共振器を形成する。すなわち、垂直に整列した量子ドット２６ｂにより形成された光は前記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前記低反射率ミラーＡＲが設けられた端面から出射する。
【００３９】
また、図示は省略するが、前記クラッド層３１と光導波層との間に回折格子を形成してもよい。この場合は、レーザダイオード４０はいわゆるＤＦＢレーザダイオードとなる。
［第３実施例］
図５は、本発明の第３実施例による面発光型レーザダイオード５０の構成を示す断面図である。ただし、図５中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４０】
面発光型レーザダイオード５０では、電極３２がリング状に形成され、露出したＧａＡｓキャップ層３０の表面には反射防止膜ＡＲが形成される。また、ＧａＡｓ層２４およびＧａＡｓ層２８の代わりに、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを交互に積層しミラーとして作用する層２４’，２８’が形成され、層２４’と層２８’との間に、垂直な光共振器が形成される。一般に、層２８’の積層数は、層２４’の積層数よりも少なくする。
【００４１】
かかる構成では、垂直に整列した量子ドット２６ｂにより形成された光は、前記光共振器を基板に垂直な方向に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、前記反射防止膜ＡＲが設けられたキャップ層３０の上主面より出射する。
［第４実施例］
図６は、図３の実施例において、さらに熱処理を行なった場合に得られる本発明の第４実施例による発光ダイオード２０’の構造を示す。かかる構造では、量子ドット２６ｂが融合して物理的に単一の量子ドット２６ｂ’が形成されるが、かかる量子ドット２６ｂ’が共鳴するエネルギスペクトルはさらに鋭くなると考えられる。かかるアニールは、例えば８００°Ｃで１分間行なえばよい。ただし、図６中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明は省略する。
【００４２】
以上の各実施例では、ＧａＡｓ層上に形成されたＩｎＮＡｓの島により形成される量子ドットを考えたが、本発明は、かかる特定の材料の組み合わせに限定されるものではなく、歪みヘテロエピタキシャル系を形成する他の半導体材料の組み合わせを使うことも可能である。
例えば、図６の構成において、中間層２６ａをＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓとし、量子ドット２６ｂをＧａＩｎＮＡｓとしてもよい。
【００４３】
以上に説明した各実施例においては、中間層の組成は、基板との格子定数のずれが７％以下になるように設定するのが好ましい。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１〜１２記載の本発明の特徴によれば、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ歪み系量子ドット構造において、ＩｎＡｓ量子ドット中に少量のＮを導入することにより、１．３μｍ帯で動作する量子半導体装置あるいは量子半導体発光装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は本発明の原理を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は本発明の原理を示す別の図である。
【図３】本発明の第１実施例による発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施例による端面発光型レーザダイオードの構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施例による面発光型レーザダイオードの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第４実施例による発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図７】従来の量子半導体装置の構成の概要を示す図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）は、図７の構成におけるＰＬスペクトルを示す図である。
【図９】Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体系の格子定数とバンドギャップとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１，２１  基板
２，２２  バッファ層
３，２６  積層量子構造
３ａ，２６ａ  中間層
３ｂ，２６ｂ，２６ｂ’  量子ドット
２０  発光ダイオード
２３，２９  クラッド層
２４，２８  導波層
２４’，２８’  反射層
２５，２７  非ドープ層
３０  キャップ層
３１，３２  電極
３３  保護膜
４０  端面発光型レーザダイオード
５０  面発光型レーザダイオード
【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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