(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III−Ｖ族元素からなる第１の化合物半導体層中にIII−Ｖ族元素からなる第２の化合物半導体の量子ドットを有する量子ドット構造体であって、
第１の化合物半導体層を構成するIII族元素と第２の化合物半導体を構成するIII族元素は同一の元素であり、
前記量子ドットを形成する第２の化合物半導体は、第１の化合物半導体層を構成するＶ族元素と第１の化合物半導体層を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素とを含有していることを特徴とする量子ドット構造体。
【請求項２】
前記第１の化合物半導体層が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰで構成され、前記第２の化合物半導体が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＡｓzＰ1-Zで構成されること（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１）を特徴とする請求項１に記載の量子ドット構造体。
【請求項３】
前記第２の化合物半導体からなる量子ドットが５ｘ１０9〜５ｘ１０11個／ｃｍ2で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の量子ドット構造体。
【請求項４】
前記第２の化合物半導体からなる量子ドットの大きさが１０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の量子ドット構造体。
【請求項５】
前記第２の化合物半導体を構成するＶ族元素の少なくとも１種を含む化合物からなる中間層が、前記第２の化合物半導体とその上に形成される第１の化合物半導体層との間に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の量子ドット構造体。
【請求項６】
前記中間層の厚さが１原子層〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の量子ドット構造体。
【請求項７】
III−Ｖ族元素からなる第１の化合物半導体層中にIII−Ｖ族元素からなる第２の化合物半導体の量子ドットを有する量子ドット構造体を形成する方法であって、
前記第１の化合物半導体層の表面に前記第１の化合物半導体を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素を供給し、該供給されたＶ族元素を前記第１の化合物半導体層のＶ族元素と置換反応させることにより、前記第２の化合物半導体からなる量子ドットを形成する工程を含むことを特徴とする前記方法。
【請求項８】
前記第１の化合物半導体層を構成するIII族元素と前記第２の化合物半導体を構成するIII族元素が同一の元素であることを特徴とする請求項７に記載の量子ドット構造体の形成方法。
【請求項９】
前記第１の化合物半導体層が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で構成され、前記供給されるＶ族元素がＡｓである請求項７または８に記載の量子ドット構造体の形成方法。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の量子ドット構造体又は請求項７〜９のいずれか一項に記載の量子ドット構造体の形成方法により得られた量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置。
【請求項１１】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の量子ドット構造体又は請求項７〜９のいずれか一項に記載の量子ドット構造体の形成方法により得られた量子ドット構造体を活性層として有し、かつ、前記第１の化合物半導体層よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい第３の化合物半導体層をクラッド層としたダブルヘテロ構造を有する半導体デバイス装置。
【請求項１２】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の量子ドット構造体又は請求項７〜９のいずれか一項に記載の量子ドット構造体の形成方法により得られた量子ドット構造体をさらに光ガイド層として有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイス装置。
【請求項１３】
前記半導体デバイス装置が半導体発光素子であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体デバイス装置。
【請求項１４】
前記半導体発光素子が半導体レーザであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体デバイス装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドットレーザなどの光デバイスや量子ドットメモリなどの電子デバイスを実現するのに好適な量子ドット構造体及びその形成方法、並びに該量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、量子ドットを作製するための方法として最も多く用いられている技術は、格子不整合系材料で生じるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanov）モード成長と呼ばれる結晶成長現象を利用したＳ−Ｋモード成長法である。このＳ−Ｋモード成長法では、一定の格子定数を有する第１の半導体層上により大きな格子定数を有する第２の半導体を成長させる。この場合、第２の半導体は、その成長の初期段階において第１の半導体上に疑似格子整合的に層状に二次元成長する。その後、第２の半導体は格子不整合による歪エネルギーが蓄積していくため、成長がある層厚に達すると、その後は歪エネルギーを緩和してナノメーター（ｎｍ）スケールの三次元的な島状構造を形成するようになる。このようにして形成された三次元的な島状構造上にさらに第１の半導体を成長させ、該三次元島を埋め込むことによって量子ドット構造体を形成する。
【０００３】
上記量子ドット構造体は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によるエピタキシャル成長を行うことにより形成することができる。この場合、所望の大きさや密度を有する量子ドットを得るために、通常、第２の半導体を形成する際にIII族元素の供給速度、堆積量、基板温度、Ｖ族元素とIII族元素の供給比率などの成長パラメータを精密に制御する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、量子ドットの形成に使用する装置を用いて、このような精密な制御を行うことは容易ではない。すなわち、上記エピタキシャル結晶成長が行われる装置内の状態（例えば、上記ＭＢＥ法であれば成長原料の分子線強度など）は絶えず変化するため、上記成長パラメータを精密に制御しようとすれば、上記成長パラメータの頻繁かつ煩雑な校正作業が必要となるうえ、歩留まりも悪くなるという欠点があった。このため量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置を製造しようとすると、一つの量子ドット構造体の形成に非常に多くの時間と手間をかけなければならなかった。したがって、製造効率が悪いことが、量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置の大きな問題となっていた。
【０００５】
かくして本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は量子ドット構造体の形成に関する問題を解決し、簡便に効率よく形成することのできる量子ドット構造体及びその形成方法を提供するとともに、該量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、III−Ｖ族元素からなる第１の化合物半導体の表面に該第１の化合物半導体を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素を供給すると、該第１の化合物半導体のＶ族元素と供給されたＶ族元素の間で置換が起こり、格子定数のミスマッチによる歪が生じて量子ドット構造体を形成できることを見出した。
【０００７】
得られた量子ドット構造体は、驚くことにこれまでの量子ドット構造体よりも制御性及び安定性に優れるものであった。また、この方法で量子ドット構造体を形成すれば、これまでの量子ドット構造体の形成プロセスにおいて必要とされていたIII族元素を供給しなくても量子ドット構造体を形成することが可能となる。換言すればこの方法によれば、III族元素の供給速度、堆積量、Ｖ族とIII族の供給比率等の成長パラメータの精密な制御が不要となるため、前述したようなエピタキシャル結晶成長装置の状態の変化に伴う問題点を見事に解決することのできる優れた方法である。
【０００８】
すなわち、本発明は、III−Ｖ族元素からなる第１の化合物半導体層中にIII−Ｖ族元素からなる第２の化合物半導体の量子ドットを有する量子ドット構造体であって、第１の化合物半導体層を構成するIII族元素と第２の化合物半導体を構成するIII族元素は同一の元素であり、前記量子ドットを形成する第２の化合物半導体は、第１の化合物半導体層を構成するＶ族元素と第１の化合物半導体層を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素とを含有していることを特徴とする量子ドット構造体を提供するものである。
【００１０】
本発明の量子ドット構造体の好ましい態様としては、前記第１の化合物半導体層が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰで構成され、前記第２の化合物半導体が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＡｓzＰ1-Zで構成される態様（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１）；前記第２の化合物半導体からなる量子ドットが、５ｘ１０9〜５ｘ１０11個／ｃｍ2で形成されている態様；前記第２の化合物半導体からなる量子ドットの大きさが１０〜１００ｎｍである態様；前記第２の化合物半導体層を構成するＶ族元素の少なくとも１種を含む化合物からなる中間層が、前記第２の化合物半導体層とその上に形成されるマトリクス層との間に形成されている態様；前記中間層の厚さが１原子層〜１０ｎｍである態様；前記第１の化合物半導体層が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰで構成され、前記第２の化合物半導体が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＡｓzＰ1-Zで構成され（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１）、前記中間層がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓのいずれかで構成される態様を挙げることができる。
【００１１】
さらに本発明は、III−Ｖ族元素からなる第１の化合物半導体層中にIII−Ｖ族元素からなる第２の化合物半導体の量子ドットを有する量子ドット構造体を形成する方法であって、前記第１の化合物半導体層の表面に前記第１の化合物半導体を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素を供給し、該供給されたＶ族元素を前記第１の化合物半導体層のＶ族元素と置換反応させることにより、前記第２の化合物半導体からなる量子ドットを形成する工程を含むことを特徴とする方法を提供する。
【００１２】
本発明の量子ドット構造体の形成方法の好ましい態様としては、前記供給されるＶ族元素が、前記第１の化合物半導体層に含まれないＶ族元素である態様；前記第１の化合物半導体層が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で構成され、前記供給されるＶ族元素がＡｓである態様を挙げることができる。
【００１３】
また本発明は、前記量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置も提供する。特に、前記量子ドット構造体を活性層として有し、かつ前記第１の化合物半導体層よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい第３の化合物半導体層をクラッド層としたダブルヘテロ構造を有する半導体デバイス装置を提供する。
【００１４】
本発明の量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置の好ましい態様としては、本発明の量子ドット構造体をさらに光ガイド層として有する態様；前記半導体デバイス装置が半導体発光素子である態様；前記半導体発光素子が半導体レーザである態様を挙げることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の量子ドット構造体及びその形成方法、並びに該量子ドット構造体を有する半導体について詳細に説明する。
【００１６】
本発明の量子ドット構造体は、III−Ｖ族元素からなる第１の化合物半導体層と、量子ドットを形成するIII−Ｖ族元素からなる第２の化合物半導体とを有する量子ドット構造体であって、前記量子ドットを形成する第２の化合物半導体は、第１の化合物半導体層を構成するＶ族元素の少なくとも一部が異なるＶ族元素に置換された構造を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の量子ドット構造体では、第２の化合物半導体が第１の化合物半導体層を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素を含有していることが必要とされる。これは、第２の化合物半導体のＶ族元素が、第１の化合物半導体層を構成するＶ族元素と全く異なる場合だけを意味するものではない。すなわち、第２の化合物半導体を構成するＶ族元素が、第１の化合物半導体を構成するＶ族元素と完全に異なるＶ族元素で構成されている場合はもちろんのこと、第２の化合物半導体が第１の化合物半導体層と共通するＶ族元素を含有しつつ、さらに第１の化合物半導体層とは異なるＶ族元素をも含有する場合も本発明の範囲に包含される。
【００１８】
本発明の量子ドット構造体を図１に示す態様を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書に添付する図面は、本発明の構造を把握しやすくするために、敢えて寸法を変えている部分があるが、実際の寸法は本明細書に記載されているとおりである。
【００１９】
図１は、ＧａＩｎＰマトリクス層中にＧａＩｎＡｓＰ量子ドット構造を形成した量子ドット構造体を含むダブルへテロ構造である。
図１には、基板１１の上に、バッファー層１２、第１導電型クラッド層１３、マトリクス層１４と量子ドット１５と中間層１６とマトリクス層１７とで構成される活性層２０、第２導電型クラッド層１８、及びキャップ層１９を順に積層した半導体デバイス装置が示されている。ここで、マトリクス層１４と量子ドット１５は本発明の量子ドット構造体を構成するものであり、図１のダブルへテロ構造において活性層２０の一部として機能する。
本発明の半導体デバイス装置は、これらの層のほかに、例えばレーザダイオードや発光ダイオードなどに通常形成される層を適宜有していてもよい。
【００２０】
なお、本明細書において例えば「Ａ層の上に形成されたＢ層」という表現は、Ａ層の上面にＢ層の底面が接するようにＢ層が形成されている場合と、Ａ層の上面に１以上の層が形成されさらにその層の上にＢ層が形成されている場合の両方を含むものである。また、Ａ層の上面とＢ層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではＡ層とＢ層の間に１以上の層が存在している場合も、上記表現に含まれる。具体的な態様については、以下の各層の説明と実施例の具体例から明らかである。
【００２１】
図１において基板１１は、その上にダブルへテロ構造の結晶を成長することが可能なものであれば、その導電性や材料については特に限定されない。好ましいものは、導電性がある基板である。具体的には、基板上への結晶薄膜成長に適したＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、Ｓｉ、Ａｌ2Ｏ3等の結晶基板、特に閃亜鉛鉱型構造を有する結晶基板を用いるのが好ましい。その場合、基板結晶成長面は低次な面、又はそれと結晶学的に等価な面が好ましく、（１００）面が最も好ましい。
なお、本明細書において（１００）面という場合、必ずしも厳密に（１００）シャストの面である必要はなく、最大３０°程度のオフアングルを有する場合まで包含する。
【００２２】
また、基板１１は六方晶型の基板でもよく、例えばＡｌ2Ｏ3、６Ｈ−ＳｉＣ等からなる基板を用いることもできる。
【００２３】
基板１１上には、基板の欠陥をエピタキシャル成長層に持ち込まないために厚さ０．１〜２μｍ程度のバッファ層１２を形成しておくことが好ましい。
バッファー層１２は、基板上に形成しようとしている化合物半導体層が良質な薄膜として形成され得るものであれば特に限定はないが、一般には基板とその上に形成される化合物半導体層（第１導電型クラッド層）のいずれにも格子整合のよい材料が選択される。バッファー層としては、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ超格子などが挙げられる。
【００２４】
図１の態様では、活性層２０の上下には、活性層２０より屈折率の小さい層が形成されており、そのうち基板側の層は第１導電型クラッド層、他方のエピタキシャル側の層は第２導電型クラッド層として機能する。これらの屈折率の大小関係は、各層の材料組成を当業者に公知の方法にしたがって適宜選択することにより調節することができる。例えば、ＡｌxＧａ1-xＡｓ、（ＡｌxＧａ1-x）0.51Ｉｎ0.49Ｐ、ＡｌxＧａ1-xＮなどのＡｌ組成を変化させることによって屈折率を調節することができる。
【００２５】
第１導電型クラッド層１３は、活性層２０、特にマトリクス層１４よりも屈折率が小さく、かつ禁制帯幅の大きい材料で形成される。さらに、第１導電型クラッド層１３は、後述する第２導電型クラッド層１８と共に、本発明の第３の化合物半導体層として機能し得るものである。
第１導電型クラッド層１３の材料としては、例えば、第１導電型のＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＢｅＭｇＺｎＳｅ、ＭｇＺｎＳＳｅ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ等の一般的なIII−Ｖ族、II−VI族半導体を用いることができる。第１導電型クラッド層１３のキャリア濃度は、下限は１×１０17ｃｍ-3以上が好ましく、３×１０17ｃｍ-3以上がより好ましく、５×１０17ｃｍ-3以上が最も好ましい。上限は２×１０19ｃｍ-3以下が好ましく、５×１０18ｃｍ-3以下がより好ましく、３×１０18ｃｍ-3以下が最も好ましい。
なお、キャリア濃度は容量−電圧法（ＣＶ法）で測定することができ、以下の各層におけるキャリア濃度についても同様である。
【００２６】
第１導電型クラッド層１３は、単層からなるものであっても複数層からなるものであってもよく、その厚さの総和は好ましくは０．２〜４μｍ、より好ましくは１〜３μｍである。
【００２７】
図１の態様における活性層２０は、マトリクス層１４，量子ドット１５、中間層１６及びマトリクス層１７から構成される。図1の態様は、本発明の量子ドット構造体の上にさらに中間層１６及びマトリクス層１７を形成したものである。
マトリクス層１４は、本発明の第１の化合物半導体層として機能するものであり、III−Ｖ族の化合物半導体である。また、マトリクス層１７も同じ材料で構成される。マトリクス層１４，１７の種類は、III−Ｖ族の化合物半導体であれば、特に限定はない。該マトリクス層を構成する化合物半導体としては、例えば、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＳｂが挙げられる。好ましくはＧａＡｓに格子整合することができる（ＡｌxＧａ1-x）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（０≦ｘ≦１）である。ここで、ｘは０〜１の間で適宜選択することができ、例えばＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ（ｘ＝０）、Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐ（ｘ＝０．５１）又は（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（ｘ＝０．５）などが挙げられる。
マトリクス層１４，１７の厚さについては特に制限はないが、半導体層として機能するためには、少なくとも１原子層以上の厚さを有することが必要とされる。マトリクス層１４，１７の厚さは、好ましくは０．５〜２００ｎｍであり、より好ましくは２〜１００ｎｍである。
ダブルへテロ構造を端面発光型レーザダイオードとして機能させる場合は、マトリクス層は光ガイド層として機能することになり、その場合マトリクス層の厚さはレーザビームの広がり角等のレーザ特性の設計の上で決定される。
【００２８】
量子ドット１５を構成する第２の化合物半導体は、マトリクス層１４を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素を有する。その種類は、量子ドットを形成し得るように、マトリクス層１４との関係を考慮して選択する。例えば、マトリクス層１４がＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ又はＡlＧａＡｓである場合には、量子ドット１５を構成する第２の化合物半導体はＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＰ又はＡｌＧａＡｓＰ等をそれぞれ選択することができる。好ましくは（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＡｓzＰ1-Z（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１）で表される化合物半導体であり、ｘ、ｙ及びｚは上記範囲内で前記マトリクス層１４に対応して適宜決定することができる。
【００２９】
量子ドット１５の密度及び大きさは、所望する波長スペクトルにあわせて適宜決定することができる。しきい値電流密度の低減化、フォトルネッセンス（ＰＬ）スペクトルの半値幅の狭窄化などの観点からは、量子ドット１６の大きさは１０〜１００ｎｍであることが好ましく、２０〜５０ｎｍであることがより好ましい。また量子ドットの単位面積あたりの個数については、５ｘ１０9〜５ｘ１０11個／ｃｍ2であることが好ましく、１ｘ１０10〜２ｘ１０11個／ｃｍ2であることがより好ましい。
【００３０】
中間層１６は、マトリクス層１４及び量子ドット１５と同様、III−Ｖ族の化合物半導体からなる。中間層１６は、形成された量子ドット１５の安定性を確保する機能を有するとともに、表面状態を平滑化することができる。
中間層１６は、量子ドット１５の形成時に供給されるＶ族元素と同一のＶ族元素を少なくとも１種含有する。中間層１６が量子ドット１５のＶ族元素と異なるＶ族元素を含有する場合には、エピタキシャル成長過程において、中間層１６のＶ族元素と量子ドット１５のＶ族元素との間で相互置換が起こり、量子ドット１５のサイズ及び密度の制御が困難となる。そこで、中間層１６のＶ族元素を量子ドット１５のＶ族元素と同一のＶ族元素を含有するようにすれば、中間層１６と量子ドット１５間におけるＶ族元素の置換は起こらず、量子ドット１５の大きさと密度を容易に制御することができるようになるため、好ましい。したがって、中間層１６としては、例えば量子ドット１５の形成時に供給されるＶ族元素がＡｓである場合には、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどで形成することが好ましい。また量子ドット１５が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＡｓzＰ1-Z又は（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＳｂzＰ1-Z（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で構成される場合には、中間層１６はＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ若しくはＡｌＧａＡｓ又はＧａＳｂ、ＧａＩｎＳｂ若しくはＡｌＧａＳｂで形成されることもでき、量子ドット１５が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＡｓzＰ1-Z（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で構成される場合には、中間層１６はＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ又はＡｌＧａＡｓが好ましい。
【００３１】
中間層１６の禁制帯幅については特に限定されないが、量子ドット１５と比較して同等ないしは大きい禁制帯幅を有することが望ましい。中間層１６の禁制帯幅が量子ドット１５と比較して狭い禁制帯幅であると、キャリアが量子ドット１５から中間層１６へ漏出する。そして、この漏出したキャリアは、中間層１６に局在するため量子ドット１５内で再結合し、発光する割合が小さくなる。
【００３２】
中間層１６の格子定数については、マトリクス層１４上に所望の中間層を形成しうるものであれば、特に限定はない。中間層１６の結晶成長における格子不整合性を小さくするためには、中間層１６は、量子ドット１５の格子定数よりもマトリクス層１４，１７の格子定数に近い格子定数を有することが好ましい。
【００３３】
中間層１６の厚さについては、量子ドット１５に閉じ込められた電子の波動関数がマトリクス層１４，１７に十分沁み出す程度の厚さであれば特に制限はない。中間層１６の厚さが１原子層より薄くなると、Ｖ族元素の置換及びミキシングの制御が不十分となる。一方、厚くなりすぎると、量子ドット１５に閉じ込められた電子の沁み出しが不十分となる。そこで、中間層１６の厚さとしては、１原子層以上であることが必要であり、好ましくは１原子層〜１０ｎｍであり、より好ましくは１原子層〜５ｎｍであり、さらに好ましくは１原子層〜３ｎｍである。
【００３４】
図１における活性層２０は１回積層させたものであるが、本発明では活性層２０を少なくとも１回積層させたものであれば、２回以上繰り返して積層したものであってもよい。活性層２０の積層回数を増やせば、活性層としての機能が増加し、その分だけ発光波長の狭線幅化や利得の増加を期待することができる。好ましくは活性層２０を３回積層させたものであり、５回以上積層すればさらに好ましいものとなる。
【００３５】
活性層２０の上には、第２導電型クラッド層１８が形成される。第２導電型クラッド層１８は、活性層２０、特にマトリクス層１７よりも屈折率が小さく、かつ禁制帯幅が大きい材料で形成される。例えば、第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＢｅＭｇＺｎＳｅ、ＭｇＺｎＳＳｅ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ等の一般的なIII−Ｖ族、II−VI族半導体を用いることができる。第２導電型クラッド層がＡlを含むIII−Ｖ族化合物半導体で構成されている場合は、その成長可能な実質的全面をＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＮ等のＡlを含まないIII−Ｖ族化合物半導体で覆えば表面酸化を防止することができるため好ましい。
【００３６】
第２導電型クラッド層１８のキャリア濃度は、下限は１×１０17ｃｍ-3以上が好ましく、３×１０17ｃｍ-3以上がより好ましく、５×１０17ｃｍ-3以上が最も好ましい。上限は２×１０19ｃｍ-3以下が好ましく、５×１０18ｃｍ-3以下がより好ましく、３×１０18ｃｍ-3以下が最も好ましい。第２導電型クラッド層１８は単層からなるものであっても複数層からなるものであってもよく、その厚さの総和は好ましくは０．２〜４μｍ、より好ましくは１〜３μｍである。
【００３７】
第２導電型クラッド層１８の上にはコンタクト層１９を形成する。コンタクト層１９は、電極を形成する場合に接触抵抗を低くするために形成するものであり、第２導電型クラッド層１８と同一の導電型を有するものが好ましい。
このとき、コンタクト層１９の材料は、通常はクラッド層よりバンドギャップが小さい材料の中から選択し、金属電極とのオーミック性を取るため低抵抗で適当なキャリア密度を有するのが好ましい。キャリア密度の下限は、１×１０18ｃｍ-3以上が好ましく、３×１０18ｃｍ-3以上がより好ましく、５×１０18ｃｍ-3以上が最も好ましい。上限は、２×１０20ｃｍ-3以下が好ましく、５×１０19ｃｍ-3以下がより好ましく、３×１０19ｃｍ-3以下が最も好ましい。コンタクト層の厚みは、０．１〜１０μｍが好ましく、１〜８μｍがより好ましく、２〜６μｍがもっとも好ましい。
【００３８】
本発明のダブルへテロ構造では、前記したようにマトリクス層が光ガイド層として機能する場合があり、図１には示されていないが、さらに活性層２０とクラッド層の間にマトリクス層とは別の光ガイド層を有するものであってもよい。光ガイド層の材料は、マトリクス１４，１７よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さいものであり、かつ光を活性層２０へ収束できるものであれば特に限定されない。例えば、（ＡｌxＧａ1-x）0.51Ｉｎ0.49Ｐを組成材料として挙げることができる。
【００３９】
以上、図１に示される具体的な態様を参照しつつ本発明の量子ドット構造体を具体的に説明したが、請求の範囲にて特定されていない事項については目的や用途に応じて適宜改変することができる。
【００４０】
本発明を半導体レーザとして利用する場合には、例えば、情報処理用光源（通常ＡｌＧａＡｓ系（波長７８０ｎｍ近傍）、ＡｌＧａＩｎＰ系（波長６００ｎｍ帯）、通信用信号光源（通常ＧａＩｎＡｓＰあるいはＧａＩｎＡｓを活性層とする１．３μｍ帯）、レーザなどの通信用半導体レーザ装置など多用な装置として利用することもできる。また、半導体レーザとして使用する場合には、リッジ埋込型構造、セルフアライン型構造など各種の構造の半導体レーザとして使用することができる。
【００４１】
次に本発明の量子ドット構造体の形成方法について説明する。
本発明の量子ドット構造体の形成方法は、III−Ｖ族元素からなる第１の化合物半導体層中にIII−Ｖ族元素からなる第２の化合物半導体の量子ドット構造体を形成する方法であって、  前記第１の化合物半導体層の表面に前記第１の化合物半導体を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素を供給し、該供給されたＶ族元素を前記第１の化合物半導体層と反応させることにより、前記第２の化合物半導体からなる量子ドットを形成することを特徴とする。
【００４２】
本発明の量子ドット構造体の形成方法では、先ず第１の化合物半導体層の表面に該第１の化合物半導体を構成するＶ族元素とは異なるＶ族元素が供給される。供給されるＶ族元素としては、第１の化合物半導体層を構成するＶ族元素とは異なるものを適宜選択することができる。例えば第１の化合物半導体が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で構成される場合は、少なくともＰ以外のＶ族元素を含むように選択する。例えば、Ａｓ単独でもよいし、ＡｓとＰの混合物でもよい。特にＡｓを単独で用いるのが好ましい。またＶ族元素の供給方法については、最終的に量子ドット構造が形成できるものであれば特に限定されない。このような供給方法としては、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが挙げられる。
【００４３】
供給されたＶ族元素は、次いで第１の化合物半導体の表面およびその近傍に存在するＶ族元素と反応して、一部のＶ族元素間で置換が起こる。この置換反応後の化合物半導体の格子定数は、置換前の第１の化合物半導体とは異なったものとなる。このため置換後の化合物半導体と第１の化合物半導体との間において格子歪を生ずるようになり、置換後の化合物半導体、すなわち第２の化合物半導体からなる量子ドットを形成するようになる。この間、III族元素の供給は必要とされない。このように本発明の量子ドット構造体の形成方法では、量子ドットの形成時にIII族元素の供給が不要となるため、III族元素の供給速度、堆積量、Ｖ族とIII族の供給比率などの成長パラメータの精密な制御も不要となる。
【００４４】
上記Ｖ族元素間の置換反応は、反応する第１の化合物半導体を構成するＶ族元素の種類及び供給されるＶ族元素の種類、供給時間、単位時間あたりの供給量、基板温度などの各種のファクターを適宜変更することにより制御することができる。このため形成される量子ドットの大きさ、密度及び出力波長のピークなどが制御しやすくなる。具体的には、単位面積あたりの量子ドットの個数を調整する場合には、第１の化合物半導体中に５ｘ１０9〜５ｘ１０11個／ｃｍ2、より好ましくは１ｘ１０10〜２ｘ１０11個／ｃｍ2の量子ドットを形成することができる。また、量子ドットの大きさについては、好ましくは１０〜１００ｎｍ、より好ましくは、さらに好ましくは２０〜５０ｎｍの大きさに調整することができる。
【００４５】
本発明の量子ドット構造体の形成方法は、少なくとも１回行うものであれば、２回以上繰り返して行ってもよい。とくに前記活性層２０の積層回数を増やす場合には、本発明の形成方法を積層数だけ繰り返すことで活性層２０の形成が可能となる。好ましくは３回以上であり、５回以上行えばさらに好ましいものとなる。
【００４６】
本発明の半導体デバイス装置を製造する方法は特に制限されない。いかなる方法により製造されたものであっても、上記請求項１の要件を満たすものであれば本発明の範囲に含まれる。
本発明の半導体デバイス装置を製造する際には、従来から用いられている方法を適宜選択して使用することができる。
【００４７】
本発明の半導体デバイス装置の製造方法としては、図１に示す構造体においては、まず基板１１上にバッファー層１２を形成した後、第１導電型クラッド層１３を形成し、次いで、活性層２０をマトリクス層１４、量子ドット１５、中間層１６及びマトリクス層１７の順に形成し、さらに、第２導電型クラッド層１８及びコンタクト層１９を形成する工程を例示することができる。この製造方法の詳細やその他の製造方法については、以下の実施例や関連技術文献から理解することができる。
【００４８】
【実施例】
以下に具体例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、割合、操作等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例に制限されるものではない。
【００４９】
（実施例１）
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いてＧａＩｎＰマトリクス中にＧａＩｎＡｓＰ量子ドット構造体を形成した。
原料はIII族元素としては、金属Ｇａ、Ｉｎ、及びＡｌを用いた。またＶ族元素としては、固体Ａｓ及びＰを用い、バルブドクラッカーセルによりフラックスを制御した。Ａｓ分子線はバルブドクラッカーセルにより金属ＡｓからＡｓテトラマー分子（Ａｓ4）を蒸発させ、それを９００℃程度で熱分解させ、ほとんどＡｓダイマー分子（Ａｓ2）からなるものを用いた。ＧａＡｓの表面温度はＧａＡｓ酸化膜が蒸発する温度で校正されたパイロメーターで測定した。成長速度はＲＨＥＥＤ（反射高エネルギー電子回折）振動により測定した。
【００５０】
ＭＢＥ装置内において、表面が（１００）面である厚さ３５０μｍのｎ型ＧａＡｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）基板１０１の表面の酸化膜を除去し、６５０℃でサーマルクリーニングを行った後、基板温度５８０℃で厚さ１００ｎｍ程度のｎ型ＧａＡｓ（Ｓｉドープ）バッファー層１０２を形成した。次いでその上にｎ型ＧａＡｓに格子整合する厚さ２００ｎｍのｎ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層１０３を成長速度１．５μｍ／ｈ、基板温度５００℃で形成し、さらに５０ｎｍのＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ（ノンドープ）マトリクス層１０４を成長速度１．５μｍ／ｈ、基板温度５００℃で形成した（図２（ａ））。
【００５１】
次にＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ（ノンドープ）マトリクス層１０４の表面に強度１ｘ１０-4ＰａのＡｓ分子線を４０秒間照射した。これによりＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐマトリクス層１０４表面近傍のＰ原子とＡｓ原子の置換が生じ、表面下側方向にＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐマトリクス層１０４とは異なる格子定数をもつＧａＩｎＡｓＰ層が形成され始め、格子不整合による歪によりＧａＩｎＡｓＰ量子ドット１０５が形成された（図２（ｂ））。この時のウエハー表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した像を図３に示した。図３に示すように大きさ３０ｎｍ程度、密度１．５ｘ１０10個／ｃｍ2程度のＧａＩｎＡｓＰ量子ドット１０５が形成されていることが確認された。
【００５２】
さらに量子ドット１０５上に厚さ２．７ｎｍ（１０原子層）のＧａＡｓ（ノンドープ）中間層１０６を成長速度０．５μｍ／ｈ、基板温度５００℃で成長させＧａＩｎＡｓＰ量子ドット１０５を覆った後に、厚さ５０ｎｍのＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐマトリクス層１０７を成長速度１．５μｍ／ｈ、基板温度５００℃で形成した（図２（ｃ））。次に厚さ２００ｎｍのｐ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐ（Ｂｅドープ：ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層１０８を成長速度１．５μｍ／ｈ、基板温度５００℃で形成し、最後に厚さ５ｎｍのｐ型ＧａＡｓ（Ｂｅドープ：ｎ＝５×１０18ｃｍ-3）キャップ層１０９を形成した（図２（ｄ））。
【００５３】
（実施例２）
図４は室温における上記の量子ドット構造体のフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルを示したものである。図４が示すように、本発明の量子ドット構造体の発光スペクトルは９９０ｎｍ近傍にピークをもち、ＧａＩｎＡｓＰからなる量子ドット１０５が形成されていることを確認できた。
【００５４】
（実施例３）
実施例１と同様の方法で量子ドット構造体を形成した。但し、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐマトリクス層の表面へのＡｓ分子線の照射については、Ａｓ分子線の強度は変えずに照射時間を９０秒と増加させた。このようにして形成された量子ドット構造体のＰＬスペクトルを図５に示す。図５が示すように、Ａｓ分子線の照射時間を増加した場合（４０秒→９０秒）、発光ピークは長波長側へシフトし、１０２０ｎｍ近傍に発光ピークがあることが認められた。これよりＡｓ分子線の照射時間を調整することにより量子ドット構造体の遷移エネルギーを制御できることが確認された。
【００５５】
（実施例４）
実施例１及び３と同様の方法により量子ドット構造体を形成した。但し、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐマトリクス層の表面へのＡｓ分子線の照射については、照射時間を変えずに強度を４ｘ１０-4Ｐａに増加させた。このようにして形成された量子ドット構造体のＰＬスペクトルを図６に示す。図６が示すように、発光ピークのＰＬ強度は異なっているが、ピーク波長は９９０ｎｍにあり、実施例２のピークとほぼ同じであった。これよりＡｓ分子線強度の変動（１ｘ１０-4Ｐａから４ｘ１０-4Ｐａ）によっては量子ドット構造体の波長はほとんど影響を受けないことが分かった。
以上の実施例から本発明によればＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐマトリクス層の表面にＡｓ分子線を照射するだけで量子ドット構造体を形成することができるため、従来の形成方法に比べて量子ドット構造体を簡便に制御性よく作製できることが確認された。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の量子ドット構造体は、量子ドットの大きさ、密度及び発光ピークの制御性及び安定性に優れた量子ドット構造体を提供することができる。
また、本発明の量子ドット構造体の形成方法は、III族元素を供給せずに量子ドット構造体を形成できるので、従来の方法に比べて量子ドット構造体の作製を簡便に行うことができる。また、本発明の量子ドット構造体の形成方法であれば、量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置の製造も簡易となるため、製造効率を上げることができるとともに、歩留まりも向上させることができる。
さらに本発明の量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置は、所望の発光ピークを有することが可能となる。また、半導体デバイス装置の製造において、製造時間を短縮と製造コストの低廉を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置の断面図である。
【図２】  本発明の量子ドット構造体を有する半導体デバイス装置の一実施例の製造工程を示す概略説明図である。
【図３】  実施例における本発明の量子ドット構造体をＡＦＭ顕微鏡で観察したＡＦＭ像を示す説明図である。
【図４】  実施例における本発明の量子ドット構造体からのフォトルミネッセンス（ＰＬ）を表す説明図である。
【図５】  実施例における本発明の量子ドット構造体の形成時にＡｓ分子線照射時間を変えた場合のＰＬスペクトルを表す説明図である。
【図６】  実施例における本発明の量子ドット構造体の形成時にＡｓ分子線強度を変えた場合のＰＬスペクトルを表す説明図である。
【符号の説明】
１１    基板
１２    バッファー層
１３    第１導電型クラッド層
１４    マトリクス層
１５    量子ドット
１６    中間層
１７    マトリクス層
１８    第２導電型クラッド層
１９    コンタクト層
２０    活性層
１０１    ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２    ｎ型ＧａＡｓバッファー層
１０３    ｎ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層
１０４    Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐマトリクス層
１０５    ＧａＩｎＡｓＰ量子ドット
１０６    ＧａＡｓ中間層
１０７    Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐマトリクス層
１０８    ｐ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層
１０９    ｐ型ＧａＡｓキャップ層
【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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