(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成されＧａ及びＡｌのいずれか一方または双方とＡｓとを含む第１の半導体からなる第１の中間層の上に形成され、前記第１の半導体と格子定数が異なり且つ前記第１の半導体よりバンドギャップが狭いＩｎを含む第２の半導体からなる量子ドットと、前記第２の半導体よりバンドギャップが広いＧａ及びＡｌのいずれか一方または双方とＡｓとを含む第３の半導体からなり且つ前記量子ドットを埋め込む第２の中間層とを備えた量子ドット層が複数積層されてなる量子ドット層を備えた
半導体光装置の製造方法であって、
前記第１の中間層を成長する第１の工程と、
前記第１の中間層の上に、前記量子ドットを成長する第２の工程と、
前記量子ドットの頂部が突出するように、該量子ドットを、前記第２の中間層で埋め込む第３の工程からなる第１層目の前記量子ドット層を形成する第１層目形成工程を有し、
更に、
前記第２の中間層の上に、前記量子ドットを成長する第４の工程と、
前記第４の工程で成長した前記量子ドットの頂部が突出するように、該量子ドットを、前記第２の中間層で埋め込む第５の工程からなる第２層目以降の前記量子ドット層を形成する一つ又は複数の積層工程を有し、
前記第２層目以降の前記量子ドットの成長温度が、前記第１層目の前記量子ドットの成長温度より高く、
且つ、前記第２層目以降の前記量子ドットを成長するための前記第２の半導体の原料供給量が、前記第１層目の前記量子ドットを成長するための前記第２の半導体の原料供給量より多いことを
特徴とする半導体光装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光装置の製造方法において、
前記第２層目以降の前記量子ドットを成長するために供給する原料の供給速度が、前記第１層目の前記量子ドットを成長するために供給する原料の供給速度より遅いことを
特徴とする半導体光装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体光装置の製造方法において、
前記第１層目の前記量子ドットを成長するために供給する原料が、前記第２の半導体がドット化するために必要な臨界原料供給量より多く、且つ前記臨界原料供給量の１．２倍より少ないことを
特徴とする半導体光装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体光装置の製造方法において、
前記第１層目の前記量子ドットの成長温度が、４３０℃以上で且つ４９０℃より低いことを特徴とする半導体光装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体光装置の製造方法において、
前記第２の半導体が、ＩｎＡｓからなることを特徴とする
半導体光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット構造を備えた半導体光装置の製造方法に関し、特に、サイズの大きな量子ドットが高密度に形成された量子ドット構造からなる半導体光装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体受光装置や半導体レーザ装置等の実用化されている半導体光装置は、殆どが、半導体の価電子帯と伝導帯の間における電子の遷移すなわちバンド間遷移を利用したものであり、その動作波長は可視光から近赤外領域に限られている。
【０００３】
一方、赤外線（２．５μｍ〜２５μｍ）で動作する半導体光装置としては、量子井戸又は量子ドットに形成される量子準位間の遷移、即ちサブバンド間遷移を利用した半導体光装置の研究開発が活発化している。特に、サブバンド間遷移を利用した受光装置は、熱源の探知や暗視装置用のセンサとして重要である。これは、量子ドットにおけるサブバンド間遷移エネルギーが、バンド間遷移では到達困難な、赤外線の波長帯域に及ぶからである。
【０００４】
サブバンド間遷移を利用した受光装置としては、当初、量子井戸に形成されるサブバンド間遷移を利用した量子井戸赤外線光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：以下、ＱＷＩＰと呼ぶ）が開発された。
【０００５】
ＱＷＩＰの光電変換層は量子井戸によって構成されているが、量子井戸構造では、選択則により、垂直入射光に対するサブバンド間遷移が禁止されている。しかし、センサ用の受光装置では、入射光は、量子井戸からなる光電変換層に垂直に入射せざるを得ない。このため、ＱＷＩＰでは、素子の一部に回折格子等を設けて、垂直入射光の進行方向を変えなければならい（特許文献１）。
【０００６】
そこで、量子井戸構造に代わりに量子ドット構造により光電変換層を構成する量子ドット赤外線光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｄｏｔ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：以下、ＱＤＩＰと呼ぶ）が開発された。
【０００７】
図１９は、ＱＤＩＰ２の構成を説明する要部断面図である。
【０００８】
図１９に示すように、ＱＤＩＰ２では、半絶縁性のＧａＡｓ基板４の上に、ｎ型ＧａＡｓよりなる下側電極層６と、量子ドット構造からなる光電変換層８と、ｎ型ＧａＡｓよりなる上部電極層１０が順次形成されている。
【０００９】
また、下部電極層６と上部電極層１０には、夫々の電極層を外部回路（図示せず）に電気的に接続するための配線１２，１４が設けられている。この外部回路によって下部電極層６と上部電極層１０の間に負電圧が印加され、入射光１６によって量子ドットの基底準位から励起準位に励起された電子が、光電変換層８から引き出され光電流となる。
【００１０】
図２０は、ＱＤＩＰの光電変換層８の構成を説明するための断面図である。
【００１１】
光電変換層８は、高抵抗ＧａＡｓ（不純物をドーピングしないで成長したＧａＡｓ；以下、ｉ−ＧａＡｓと称する）からなる中間層１８によって、ＩｎＡｓ微細粒子（又は、ＩｎＧａＡｓ微粒子）からなる量子ドット２０が埋め込まれた量子ドット層２２が複数積層された量子ドット構造２３によって構成されている。尚、量子ドット２０及び中間層１８は、夫々三次元量子井戸及びその障壁層として機能する。
【００１２】
ここで量子ドット２０は、基板との間に格子不整合を有する半導体結晶を、ある膜厚（臨界膜厚）以上にエピタキシャル成長した時に成長膜が三次元的に凝集して多数の微粒子となる所謂Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード（以下、ＳＫモードと呼ぶ）によって形成される。すなわち、ＱＤＩＰの光電変換層は、自己組織化量子ドットによって構成される。
【特許文献１】特開２０００−３２３７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
（１）量子ドット密度の向上
量子ドット赤外線光検出器は、垂直入射光に対して動作可能という点だけでなく、量子効率が高いという点でも量子井戸赤外線光検出器より優れている。しかし、実用化のためには、更なる量子効率の向上が求められている。
【００１４】
量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の量子効率を上げるためには、量子ドット密度を高めることが重要である。具体的には、１×１０１１個／ｃｍ２以上の量子ドット密度が求められている。
【００１５】
図１は、ＩｎＡｓからなる量子ドットの密度と、その成長温度の関係を説明する図である。尚、下地となる中間層はＧａＡｓである（以下に説明する図１，２，４〜９においても、量子ドットはＩｎＡｓからなり、下地となる中間層はＧａＡｓである。）。
【００１６】
図１の横軸は、成長温度を表している。一方、縦軸は、量子ドットの密度を表している。
【００１７】
図１に図示する関係は、ＩｎＡｓの原料供給速度（均一にＩｎＡｓ膜が成長した場合の成長速度）が０．１原子層／秒で、且つ原料供給量（均一にＩｎＡｓ膜が成長した場合の膜厚）が２．３原子層である場合の関係である。
【００１８】
また、図１の関係を測定した試料は、分子線エピタキシャル法で成長した試料である。また、量子ドットの密度は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定した。尚、下記図２乃至図９に図示する関係も、分子線エピタキシャル法によって成長した試料を原子間力顕微鏡によって測定して得た結果である。
【００１９】
図１に示すように、成長温度を低くすれば、量子ドットの密度は高くなる。例えば、図１に示した例では、成長温度が４６０℃の場合、量子ドット密度は、１．１×１０１１個／ｃｍ２である。この密度は、ＱＤＩＰの高効率化のための要求１×１０１１個／ｃｍ２以上を満たしている。
【００２０】
一方、ＱＤＩＰが赤外線に対して応答するためには、光電変換層を構成する量子ドットが一定の大きさを有している必要がある。例えば、ＱＤＩＰを赤外線センサとして好適な波長（３μｍ以上）で動作させるためには、量子ドットの高さが約５ｎｍ以上で、その直径が約２０ｎｍ以上でなければならない。
【００２１】
尚、図１に示す成長温度と量子ドット密度の関係は、原料供給速度を速くすると、上側にシフトする。すなわち、原料供給速度が速くなると、量子ドット密度は増加する。
【００２２】
図２は、ＩｎＡｓからなる量子ドットのサイズとその成長温度の関係を説明する図である。ここで、横軸は、成長温度を表している。また、左縦軸は、量子ドットの直径を表している。一方、右縦軸は、量子ドットの高さを表している。尚、図２に図示する関係は、図１の関係を求めた試料と同じ条件で成長した試料を測定して得たものである。
【００２３】
図２に図示するように、量子ドットのサイズは、成長温度が低くなると小さくなる。
【００２４】
今、量子ドット密度を高くするため、通常の成長温度４９０〜５００℃より低い、４６０℃で量子ドットを成長したとする。すると、図２に示す例では、量子ドットの高さ及び直径が、夫々２．５μｍ及び２６μｍとなる。従って、量子ドットの高さが、上述した好ましい高さを下回ってしまう。
【００２５】
従って、このようなサイズの減少を補償する何らかの手立てを講じなければならない。そのためには、原料（例えば、Ｉｎ分子線及びＡｓ分子線）の供給量を増やすことが、最も効果的である。
【００２６】
（２）巨大量子ドット
しかし、原料供給量を増やすと、成長中の量子ドットが結合しやすくなり、巨大なドット（以下、巨大量子ドットと呼ぶ）が形成されやすくなる。
【００２７】
図３は、巨大量子ドット２４が形成された量子ドット層２２の構造を説明する断面図である。
【００２８】
図３に示すように、巨大量子ドット２４が形成されると、中間層１８の表面には突起部２６が形成される。
【００２９】
このような中間層１８を下地として量子ドットを成長すると、格子歪の変異点である突起部２６を核として、量子ドット２７が、いち速く成長を開始する（図４参照）。尚、図４は、突起部上への量子ドットの成長を説明する断面図である。
【００３０】
量子ドット２７は、周囲に存在する原料原子（例えば、Ｉｎ原子及びＡｓ原子）を捕獲して急速に成長する。このため突起部２６の周辺では、原料原子が不足し、ＳＫモードによる正常な量子ドットの成長が妨げられる。
【００３１】
このため、巨大量子ドット２４が発生すると、その上側に成長する量子ドット層で、量子ドット密度が低下し、更に量子ドットのサイズも縮小する。
【００３２】
巨大量子ドット２４は、量子ドット層２２の表面に突起部２６を形成するだけでなく、転位等の格子欠陥２８も生成する（図３参照）。この格子欠陥２８は、巨大量子ドット２４を貫き、突起部２６に到達する。格子欠陥２８は、更に、突起部２６の上に形成される量子ドット２７の内部にも侵入し、その表面に達する（図４参照）。
【００３３】
格子欠陥２８が形成されることによって、結晶のエネルギーは全体として安定化する。従って、突起部上の量子ドット２７の表面に達した格子欠陥２８は、周囲に存在する原料原子を捕獲して、結晶エネルギーを安定化しようとする。このため、量子ドット２７の成長が促進される一方、突起部２６の周辺では、原料原子が益々不足して、ＳＫモードによる正常な量子ドットの成長が妨げられる。
【００３４】
すなわち、突起部上に発生した量子ドット２７は格子欠陥２８によって成長を加速し、同一量子ドット層内において、量子ドット密度の低下やドットサイズの縮小を加速する。
【００３５】
しかも、量子ドット２７自体が巨大量子ドットと化し、次の量子ドット層において巨大量子ドット発生の核となる。すなわち、巨大量子ドット２４が一度発生によると、その影響（巨大量子ドットの再生、周辺領域における量子ドット密度の低下・ドットサイズの縮小）は、上の層へと連鎖して行く。従って、積層された複数の量子ドット層２２からなる量子ドット構造全体において、量子ドット密度の低下・ドットサイズの縮小が顕在化する。
【００３６】
このような量子ドット密度の低下が発生すると、光電変換の核となる量子ドット数が減少するため、ＱＤＩＰの量子効率が低下する。一方、量子ドットサイズの縮小は、サブバンド間のエネルギー差を拡大させ、ＱＤＩＰの動作波長を狂わせる。更に、格子欠陥２８は、暗電流を増加させ、雑音増加等のデバイス特性の劣化の原因となる。
【００３７】
すなわち、巨大量子ドット２４の出現は、ＱＤＩＰの製造上、回避しなければならない現象である。
【００３８】
図５は、自己組織化量子ドットすなわちＳＫモードで成長した量子ドットの高さと直径の相関を説明する図である。横軸は、規格化された量子ドットの高さである。一方、縦軸は、規格された量子ドットの直径である。量子ドットの成長方法は、分子線エピタキシャル法である。その成長温度は、４９０℃である。また、ＩｎＡｓの原料供給速度は０．２原子層／秒であり、原料供給量は２．３原子層（ＩｎＡｓの１原子層＝０．３ｎｍ）である。
【００３９】
図５に示すように、自己組織化量子ドットは、大多数の量子ドットが所属する第１のグループ２８と、巨大化した量子ドットからなら第２のグループ３０に分かれる。
【００４０】
この第２のグループ３０に属する量子ドットが、巨大量子ドットである。図５に示した例では、巨大量子ドットの直径及び高さは、共に、第１のグループ２８に属する通常の量子ドットの約１．５倍である。また、その出現頻度は、通常の量子ドットの約０．５％であった。
【００４１】
尚、図５の横軸及び縦軸は、第１のグループ２８に属する通常の量子ドットの高さ及び直径の平均値で規格化されている。
【００４２】
上述したように、低温（例えば、４６０℃）で高密度に形成した量子ドットを大きく成長させるためには、原料供給量を増やすことが効果的である。
【００４３】
図６は、原料供給と巨大量子ドットの出現頻度（量子ドットの総数に対する巨大量子ドットの割合）の関係を説明する図である。横軸は、原料供給量である。縦軸は、巨大量子ドットの出現頻度（巨大量子ドットの割合）である。尚、横軸の単位は、原子層（ＭＬ）である。
【００４４】
ここで、量子ドットの成長温度は４８５℃である。また、原料供給速度は、０．１原子層／秒である。
【００４５】
図６から明らかなように、原料供給量が２．１原子層までは巨大量子ドットの発生は殆ど見られないが、２．３原子層を閾値として、巨大量子ドットの出現頻度は急激に増大する。
【００４６】
図１に示した関係は、成長温度を低くすることにより量子ドットを高密度化できることを示しているが、図１の関係が得られた時の原料供給量は２．３原子層である。今、低温成長（例えば、４６０℃）によって得られる高密度且つ小型化した量子ドットを、大型化しようとして原料供給量を増やすと、原料供給量が上記閾値（２．３原子層）を超えることになる。このような原料供給量の増大は、巨大量子ドットの急増を招来する（図６参照）。
【００４７】
上述したように巨大量子ドットが増えると、その後に成長する各量子ドット層で量子ドット密度が低下し、しかも、そのサイズが小型化する。従って、このような量子ドット層からなる量子ドット構造をＱＤＩＰの光電変換層とすると、量子効率が低下する。しかも、サブバンド間のエネルギー差が広がるので、ＱＤＩＰの動作波長に狂いが生じる。更に、転位等の格子欠陥が発生して光電変換層の暗電流が増加するので、雑音の増加等デバイス特性が劣化する。
【００４８】
（３）コラムナ量子ドットによるサイズ拡大
低温成長により小型化した量子ドットのサイズを大きくする方法としては、原料供給量を増やす以外にも、コラムナ量子ドットを形成することが考えられる。
【００４９】
コラムナ量子ドットは、薄い中間層を介して積層された柱状の量子ドット群からなる三次元量子井戸である。中間層が薄いため、トンネル効果により、電子の波動関数がコラムナ量子ドット全体に広がり量子準位が形成される。すなわち、コラムナ量子ドットを形成することによって、量子ドットの高さを実質的に増加させることが可能になる。
【００５０】
従って、小型化した量子ドットの高さをコラムナ量子ドットの形成によって実質的に増加させることによって、量子ドットの小型化によって広がったサブバンド間のエネルギー差を狭くすることが可能になる。
【００５１】
尚、一般的に用いられるコラムナ量子ドット（すなわち量子ドットの積層構造）は、量子ドットとの格子不整合によって生じた歪みが薄い中間層を貫いてその表面に現れ、その歪みを核として次の層の量子ドットが繰り返し成長することによって形成される。
【００５２】
図７は、コラムナ量子ドットを形成する各段の量子ドットの直径及び高さと、コラムナ量子ドットの段数の関係を説明する図である。縦軸は、コラムナ量子ドットの各段を形成する量子ドットの直径(左縦軸)と高さ（右縦軸）である。横軸は、各段がコラムナ量子ドットの何段目であるかを示す段数である。
【００５３】
図７に図示する関係は、成長温度が５００℃、ＩｎＡｓの原料供給速度が０．２２原子層／秒であり且つ原料供給量が２．１原子層で、中間層厚さ３ｎｍで埋め込む場合における、量子ドットの直径及び高さと段数の関係である。
【００５４】
成長温度は５００℃と高く設定されているが、原料供給速度が０．２２原子層／秒と速いので、量子ドットの密度は６×１０１０個／ｃｍ−２と比較的高くなっている。すなわち、成長温度は、速い原料供給速度によって等価的に低くなっている。そして、各段の量子ドットの成長に供する原料供給量は、巨大量子ドットが急増する閾値すなわち２．３原子層以下の２．１原子層に設定されている。
【００５５】
図７から明らかなように、各段の量子ドットの直径及び高さは、段数によらず略一定である。各段の量子ドットの高さは３〜４ｎｍと低いが、６段重ねることによって実質的な高さは約２０ｎｍに達する。
【００５６】
図８は、コラムナ量子ドットを形成する各段の量子ドットの密度と、コラムナ量子ドットの段数の関係を説明する図である。横軸は、各段がコラムナ量子ドットの何段目であるかを示す段数である。縦軸は、コラムナ量子ドットの各段を形成する量子ドットの密度である。尚、図８の関係を求めるために用いた試料は、図７の関係を求めるために用いた試料と同じ条件で成長した。
【００５７】
量子ドット密度は、１段目より２段目の方が高くなっている。この事実は、２段目の成長では、１段目で量子ドットが成長しなかった位置にも量子ドットが形成されたことを示唆している。
【００５８】
図９は、巨大量子ドットの割合（出現頻度）とコラムナ量子ドットの段数の関係を説明する図である。尚、図９の関係を求めるために用いた試料は、図７の関係を求めるために用いた試料と同じ条件で成長した。
【００５９】
図９に示すように、原料供給量（２．１原子層）を巨大量子ドットが急増する閾値（２．３原子層）以下に設定したにも拘わらず、コラムナ量子ドットの段数が増加するにつれて、巨大量子ドットの割合は、除々に増加し、４段目を過ぎると急激に増加する。
【００６０】
コラムナ量子ドットでは、原料供給量を増やすことなく量子ドットの高さを実質的に高くすることが可能であるが、上述したように段数が増えると巨大量子ドットが急増する。
【００６１】
すなわち、サイズの大きな量子ドットを高密度に形成しようとして、コラムナ量子ドットを形成しても、巨大量子ドットは発生してしまう。その結果、格子欠陥２６が発生して暗電流が増加し、雑音の増加等デバイス特性は劣化する。
【００６２】
（４）課  題
そこで、本発明の目的は、巨大量子ドットの発生を抑制しつつ、量子ドットの密度とサイズの増大を可能とする、半導体光装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００６３】
（第１の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面は、半導体基板上に形成された第１の半導体からなる第１の中間層の上に形成され、前記第１の半導体と格子定数が異なり且つ前記第１の半導体よりバンドギャップが狭いドット状の第２の半導体からなる量子ドットと、前記第２の半導体よりバンドギャップが広い第３の半導体からなり且つ前記量子ドットを埋め込む第２の中間層とを備えた量子ドット層が複数積層されてなる量子ドット層を備えた半導体光装置の製造方法であって、前記第１の中間層を成長する第１の工程と、前記第１の中間層の上に、前記量子ドットを成長する第２の工程と、前記量子ドットの頂部が突出するように、該量子ドットを、前記第２の中間層で埋め込む第３の工程からなる第１層目の前記量子ドット層を形成する第１層目形成工程を有し、更に、前記第２の中間層の上に、前記量子ドットを成長する第４の工程と、前記第４の工程で成長した前記量子ドットの頂部が突出するように、該量子ドットを、前記第２の中間層で埋め込む第５の工程からなる第２層目以降の前記量子ドット層を形成する一つ又は複数の積層工程を有し、前記第２層目以降の前記量子ドットの成長温度が、前記第１層目の前記量子ドットの成長温度より高く、且つ、前記第２層目以降の前記量子ドットを成長するための前記第２の半導体の原料供給量が、前記第１層目の前記量子ドットを成長するための前記第２の半導体の原料供給量より多いことを特徴とする。
【００６４】
第１の側面によれば、巨大量子ドットの形成を抑制しつつ、量子ドットの密度とサイズを増大させた、光半導体装置の製造が可能になる。
【００６５】
（第２の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第２の側面は、第１の側面において、前記第２層目以降の前記量子ドットを成長するために供給する原料の供給速度が、前記第１層目の前記量子ドットを成長するために供給する原料の供給速度より遅いことを特徴とする。
【００６６】
第２の側面によれば、巨大量子ドットの形成を抑制しつつ、量子ドットの密度とサイズを増大させた、光半導体装置の製造が容易になる。
【００６７】
（第３の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第３の側面は、第１又は第２の側面において、前記第１層目の前記量子ドットを成長するための原料供給量が、前記第２の半導体がドット化するために必要な臨界原料供給量より多く、且つ前記臨界原料供給量の１．２倍より少ないことを特徴とする。
【００６８】
第２の側面によれば、巨大量子ドットの形成を抑制しつつ、量子ドットの密度とサイズを増大させた、光半導体装置の製造が更に容易になる。
【００６９】
（第４の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第４の側面は、第１乃至第３の側面の何れかにおいて、前記第１層目の前記量子ドットの成長温度が、４３０℃以上で且つ４９０℃より低いことを特徴とする。
【００７０】
第２の側面によれば、巨大量子ドットの形成を抑制しつつ、量子ドットの密度とサイズを増大させた、光半導体装置の製造が最も容易になる。
【００７１】
（第５の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第５の側面は、第１乃至第４の側面の何れかにおいて、前記第２の半導体が、ＩｎＡｓからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００７２】
本発明では、低温で量子ドットを高密度に形成した後、量子ドットより低く形成した中間層の表面に量子ドットの頂上を突出させ、そこに第２層目以降の量子ドットを選択的に成長させるので、高密度で且つ巨大量子ドットの発生を伴わない量子ドット層の形成が可能になる。更に、第２層目以降の量子ドットの成長では、第１層目より成長温度を高くすると共に大量の原料を供給するので、量子ドットのサイズが大きくなる。
【００７３】
従って、本発明によれば、巨大量子ドットの形成を抑制しつつ、量子ドットの密度とサイズを増大させた、光半導体装置の製造が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７４】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００７５】
本実施の形態は、巨大量子ドットの形成を抑制しつつ、量子ドットの密度とサイズの増大を可能とする、量子ドット赤外線光検出（ＱＤＩＰ）の製造方法に係るものである。
【００７６】
（１）ＱＤＩＰの構成
本実施の形態に係るＱＤＩＰ３２の全体的構成は、図１９を参照して説明した従来のＱＤＩＰ２の構成と略同じである。
【００７７】
すなわち、図１９に示すように、ＱＤＩＰ３２では、半絶縁性のＧａＡｓ基板４の上に、ｎ型ＧａＡｓよりなる下側電極層６と、光電変換層８と、ｎ型ＧａＡｓよりなる上部電極層１０が順次形成されている。
【００７８】
また、下部電極層６と上部電極層１０には、夫々の電極層を外部回路（図示せず）に電気的に接続するための配線１２，１４が設けられている。この外部回路によって、下部電極層６と上部電極層１０の間に負電圧が印加され、入射光１６によるサブバンド間遷移によって励起された電子が、光電変換層８から引き出され光電流となる。
【００７９】
図１０は、本実施の形態に係るＱＤＩＰ３２を構成する半導体積層構造３４を説明する要部断面図である。
【００８０】
半導体積層構造３４では、半絶縁性のＧａＡｓ基板４の上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層３６と、ｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）よりなる下側電極層６と、光電変換層８と、ｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）よりなる上部電極層１０が順次形成されている。
【００８１】
ここで、光電変換層８は、半導体基板（例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板４：格子定数０．５６５ｎｍ）に略格子整合した第１の半導体（例えば、ｉ−ＧａＡｓ）からなる第１の中間層（中間層３８,４０）の上に形成され、前記第１の半導体（例えば、ｉ−ＧａＡｓ）と格子定数が異なり且つ前記第１の半導体（例えば、ｉ−ＧａＡｓ）よりバンドギャップが狭いドット状の第２の半導体（例えば、ＩｎＡｓ：格子定数０．６０６ｎｍ）からなる量子ドット４２と、前記半導体基板（例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板４）に略格子整合し且つ前記第２の半導体（例えば、ＩｎＡｓ）よりバンドギャップが広い第３の半導体（例えば、ｉ−ＧａＡｓ）からなり且つ前記量子ドット４２を埋め込む第２の中間層４０を備えた量子ドット層４４が複数積層されてなるコラムナ量子ドット層４６を複数（例えば、１０層）備えている。すなわち、光電変換層８は、コラムナ量子ドット層４６が複数積層した量子ドット構造によって構成されている。
【００８２】
尚、本実施の形態では、半導体積層構造３４を、下記「（２）製造方法」で説明する方法によって製造する。
【００８３】
（２）製造方法
図１１乃至図１８は、半導体積層構造３４の製造過程を順次説明するエピタキシャル成長層の断面図である。
【００８４】
ここで、半導体積層構造３４は、分子線エピタキシャル法によって成長する。尚、各半導体層は、「（１）ＱＤＩＰの構成」において例示した半導体（例えば、ｉ−ＧａＡｓ）によって形成するものとする。
【００８５】
（ｉ）最初の中間層まで
まず、半絶縁性のＧａＡｓ基板４の上に、ＧａＡｓからなるバッファ層３６と、ｎ型のＧａＡｓ（キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）からなる下部電極６と、厚さ５０ｎｍのｉ−ＧａＡｓからなる中間層３８を順次成長する（図１１参照）。成長温度は、６００℃である（図１１参照）。
【００８６】
（ｉｉ）第１層目の量子ドット層
次に、Ａｓ分子線のみを照射した状態で、基板温度を４７０℃に降温する。この状態で、Ｉｎ分子線とＡｓ分子線を中間層３８に照射し、ＩｎＡｓ微粒子からなる量子ドット４２をＳＫモードによって成長して、第１層目の量子ドットを形成する（図１２参照）。
【００８７】
ここで、原料供給速度（均一にＩｎＡｓ膜が成長した場合の成長速度）は、０．２原子層／秒に設定する。また、原料供給量（均一にＩｎＡｓ膜が成長した場合の膜厚）は、２．０原子層とする。
【００８８】
このように成長条件を設定すると、量子ドット４２の密度は、１．５×１０１１ｃｍ−２になる。一方、量子ドット４２の高さは１．５ｎｍになり、その直径は１５ｎｍになる。
【００８９】
量子ドット４２を成長する上記工程では、成長温度は、通常の量子ドットの成長温度（４９０℃〜５００℃）より低い４７０℃に設定されている。これは、小さな量子ドットを高密度に成長するためである。
【００９０】
但し、成長温度が４３０℃より低くなると、量子ドットは成長しない。従って、第１層目の量子ドットの成長温度は、４３０℃以上で且つ４９０℃より低いことが好ましい。
【００９１】
また、原料供給量（２．０原子層）は、巨大量子ドットの形成を回避するため、巨大量子ドットを殆ど発生させない２．１原子層（臨界膜厚（１．８原子層）の１．２倍）より少なく設定されている（図６参照）。
【００９２】
但し、原料供給量（２．０原子層）は、量子ドットの形成に必要な量すなわち臨界膜厚（１．８原子層）よりは当然多くなければならない。すなわち、第１層目の量子ドット４２を成長するための原料供給量は、量子ドット４２を形成する半導体（例えば、ＩｎＡｓ）がドット化するために必要な供給量（臨海膜厚）より多く、且つドット化に必要な供給量の１．２倍より少ないことが好ましい。
【００９３】
次に、ｉ−ＧａＡｓからなる中間層４０を１ｎｍ成長する（図１３参照）。この中間層は、量子ドット４２の高さより低く成長する。すなわち、量子ドット４２を、その頂上が突出するように中間層４０によって埋め込む。
【００９４】
以上の工程により、第１層目の量子ドット層４８が形成される。
【００９５】
（ｉｉｉ）第２層目の量子ドット層
次に、第１層目の量子ドット層４８の表面にＡｓ分子線のみを照射した状態で、基板温度を４９０℃に昇温する。
【００９６】
次に、Ｉｎ分子線の照射を再開始し、第１層目の量子ドット層４８が備える中間層４０の上に、ＩｎＡｓ微粒子からなる量子ドット４２´をＳＫモードによって成長し、第２層目の量子ドット４２´を形成する（図１４参照）。
【００９７】
ここで、原料供給速度（均一にＩｎＡｓ膜が成長した場合の成長速度）を、０．１原子層／秒に減少させる。一方、原料供給量（均一にＩｎＡｓ膜が成長した場合の膜厚）は、２．５原子層に増加させる。
【００９８】
このように成長条件を設定すると、第２層目の量子ドット４２´の密度は、１．５×１０１１ｃｍ−２になる。一方、量子ドット４２´の高さは３．０ｎｍになる。また、その直径は、２５ｎｍになる。すなわち、通常の大きさの量子ドットが高密度に成長する。
【００９９】
ここで、第２層目の量子ドット４２´は、第１層目の量子ドット４２の頂上を覆うように成長する。これは、第１層目の中間層４０の表面に供給されたＩｎ原子及びＡｓ原子が、結合しても格子不整合が生じない（ＩｎＡｓからなる）量子ドット４２の頂上に優先的に付着するからである。このため、第１層目の量子ドット４２以外の場所には、第２層目の量子ドット４２´が成長しずらくなる。
【０１００】
また、成長温度が第１層目より高いので、原料原子の表面拡散距離が第１層目より延びて、供給された原料原子の殆どが、第１層目の量子ドットの頂上（又は、その上に成長した量子ドット）に到達する。
【０１０１】
従って、第１層目より多量に供給した原料原子の殆どが、第１層目の量子ドットの上に集中するため、大きな量子ドットが形成される。
【０１０２】
尚、成長温度が１０℃上昇すると、拡散長は約２倍になる。また、成長温度が２０℃上昇すると、拡散長は約３倍になる。従って、第２層目以降の成長温度は、第１層目の成長温度より、好ましくは１０℃高く、更に好ましくは２０℃高い方がよい。但し、第２層目以降の成長温度は、量子ドットを構成する半導体材料の解離温度（InAsでは、５２０℃）を超えることはできない。
【０１０３】
更に、第２層目の量子ドットの成長工程では、原料供給速度を第１層目より遅くする。原料供給速度の減少は、原料原子の表面拡散距離を実質的に拡大する。従って、上記成長温度の上昇との相乗効果により、量子ドットは更に大きくなる。
【０１０４】
上述したように、第２層目の量子ドット４２´は、第１層目の量子ドット４２の頂上に形成される。ここで、第１層目の量子ドット４２は、第１層目の中間層４０によって埋め込まれ固定されている。このため、第２層目の量子ドット４２´が、その成長中に移動して合体することはない。従って、第２層目の量子ドット４２´が、巨大量子ドット化することはない。
【０１０５】
このため、本実施の形態では、量子ドット４２´を大型化するために、巨大量子ドット急増の閾値２．３原子層を超えて原料（２．５原子層）を供給するが、量子ドット４２´が巨大量子ドット化することはない。
【０１０６】
更に、成長温度の上昇（４７０℃から４９０℃）及び原料供給量速度の減少（０．２原子層/秒から０．１原子層/秒）による表面拡散距離の拡大は、第１層目の量子ドット４２以外の場所への量子ドットの形成を抑制する。このため、第１層目の量子ドット４２に固定されていない量子ドットが形成されることはない。この点でも、巨大量子ドットの形成が抑制される。
【０１０７】
次に、ｉ−ＧａＡｓからなる中間層４０´を２ｎｍ成長する（図１５参照）。ここで中間層４０´の表面は、量子ドット４２´の頂上より低く成長する。すなわち、量子ドット４２´を、その頂上が突出するように中間層４０´で埋め込む。
【０１０８】
以上の工程により、第２層目の量子ドット層５０が形成される。
【０１０９】
（ｉｖ）第３層目以降の量子ドット層
その後、第２層目の量子ドット層５０と同じ工程により、第３層目の量子ドット層５２から第６層目までの量子ドット層５４を成長する（図１６参照）。
【０１１０】
次に、第６層目の量子ドット層５４の上に、ｉ−ＧａＡｓからなる厚さ５０ｎｍの中間層５６を成長する（図１７参照）。
【０１１１】
以上の工程により、量子ドット４２,４２´が積層され一体化したコラムナ量子ドット５８と、このコラムナ量子ドット５８を埋め込む複数の中間層３８，４０，５６によって上記コラムナ量子ドット層４６が形成される。
【０１１２】
ここで、コラムナ量子ドット５６の密度は、１．５×１０１１ｃｍ−２である。また、コラムナ量子ドット５６の直径は２５ｎｍであり、その高さは１２ｎｍ（＝１ｎｍ＋２ｎｍ×４＋３ｎｍ）である。また、巨大量子ドットの割合は０．１％未満である。
【０１１３】
上述した例では、第２層目以降の量子ドット層４４は、５層すなわち複数層である。しかし、第２層目以降の量子ドット層４４は、必ずしも複数である必要ななく、単数であってもよい。
【０１１４】
（ｖ）光電変換層及び上部電極層
その後、コラムナ量子ドット層４６を９層成長して、１０層のコラムナ量子ドット層４６からなる光電変換層８を形成する（図１８参照）。
【０１１５】
そして、最後に、ｎ型のＧａＡｓ（キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）からなる上部電極１０を成長し、半導体積層構造３４を完成する（図１８参照）。
【０１１６】
（ｖｉ）素子への加工
その後、半導体積層構造３４の一部をメサ状にエッチング除去して、下部電極層６を露出させる。
【０１１７】
次に、エッチングにより形成されたメサの頂上を覆う上部電極層１０及び露出した下部電極層６に、ＡｕＧｅ／Ａｕから成る電極１２，１４を設ける（図１９参照）。
【０１１８】
最後に、電極１２，１４を除く素子表面をＳｉＮまたはＳｉＯＮ保護膜で覆い、本実施の形態に係るＱＤＩＰ３２を完成する。
【０１１９】
（ｖｉｉ）特  性
上述したように、光電変換層８を構成するコラムナ量子ドット５８の密度は、１．５×１０１１ｃｍ−２になる。また、コラムナ量子ドット５８の直径は２５ｎｍであり、その高さは１２ｎｍ（＝１ｎｍ＋２ｎｍ×４＋３ｎｍ）である。
【０１２０】
従って、コラムナ量子ドット層４６に形成されるサブバンド間（基底準位と励起準位間）のエネルギー差は、波長５μｍの赤外線に相当する。
【０１２１】
すなわち、本実施の形態によって製造方法される量子ドット構造は、ＱＤＩＰの光電変換層に求められる上記要件（量子ドット密度１．０×１０１１ｃｍ−２以上、高さ５ｎｍ以上、直径２０ｎｍ以上）を満たしている。また、コラムナ量子ドット層４６に発生する巨大量子ドットの割合は、０．１％未満と実用上問題の無い範囲内である。
【０１２２】
以上説明した通り、本実施の形態に係るＱＤＩＰ３２の製造方法は、中間層３８を成長する第１の工程（図１１参照）と、第１の工程で成長した中間層３８の上に、量子ドット４２を成長する第２の工程（図１２参照）と、頂上が突出するように、量子ドット４２を、中間層４０で埋め込む第３の工程（図１３参照）からなる第１層目の量子ドット層４８を形成する第１層目形成工程を有する。
【０１２３】
更に、本実施の形態に係るＱＤＩＰの製造方法は、第１層目以降の量子ドット層（量子ドット層４８等）が備える中間層４０の上に、更に、量子ドット４２´を成長する第４の工程（図１４参照）と、第４の工程で成長した量子ドット４２´を、頂上が突出するように第２の中間層４０´で埋め込む第５の工程（図１５参照）からなる第２層目以降の量子ドット層５２,５４を形成する一つ又は複数の積層工程（図１６参照）を有する。
【０１２４】
そして、本実施の形態に係るＱＤＩＰの製造方法では、上記第１層目形成工程と上記積層工程により、コラムナ量子ドット層５８（図１７参照）を形成する。
【０１２５】
ここで、本実施の形態では、第２層目以降の量子ドット層が備える量子ドットの成長温度が、第１層目の量子ドット層が備える量子ドットの成長温度より高く、且つ、第２層目以降の量子ドット層が備える量子ドットを成長するための原料供給量が、第１層目の量子ドット層が備える量子ドットを成長するための原料供給量より多くなるようにする。
【０１２６】
以上のようにしてＱＤＩＰを製造すると、巨大量子ドットの発生を抑制しつつ、量子ドットの密度とサイズ（特に、高さ）を増大させた量子ドット構造を光電変換層とするＱＤＩＰを製造することができる。従って、本実施の形態によれば、高感度で且つ低雑音のＱＤＩＰを製造することができる。
【０１２７】
上述した例では、中間層がｉ―ＧａＡｓからなる単一層である場合について説明したが、中間層は多層構造であってもよい。例えば、中間層３８を、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層の２層構造にしてもよい。または、中間層３８を、ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓ層の２層構造にしてもよい。さらには、中間層３８をＧａＡｓ層に換えてＡｌＧａＡｓ層としてもよい。このような多層構造を採用することによって、サブバンド間のエネルギー差を調整して、ＱＤＩＰの応答波長を調整することができる。
【０１２８】
また、上述した例では、上記半導体積層構造３４を分子線エピタキシャル法で成長したが、有機金属成長法で成長してもよい。
【０１２９】
また、上述した例では、量子ドットはＩｎＡｓによって形成したが、ＩｎＰ，ＩｎＳｂ，ＩｎＮ等で形成してもよい。又は、量子ドットを、ＩｎＡｓも含めた、これらＩｎ化合物の多元混晶で形成してもよい。
【０１３０】
また、本実施の形態で説明した量子ドット構造の製造方法は、ＱＤＩＰ以外の光半導体素子、例えば、活性層が量子ドットからなる量子ドットレーザの製造にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】ＩｎＡｓからなる量子ドットの密度とその成長温度の関係を説明する図である。
【図２】ＩｎＡｓからなる量子ドットのサイズとその成長温度の関係を説明する図である。
【図３】巨大量子ドットの形成された量子ドット層の構造を説明する断面図である。
【図４】突起部上への量子ドットの成長を説明する断面図である。
【図５】自己組織化量子ドットの高さと直径の相関を説明する図である。
【図６】原料供給と巨大量子ドットの出現頻度（量子ドットの総数に対する巨大量子ドットの割合）の関係を説明する図である。
【図７】コラムナ量子ドットを形成する各段の量子ドットの直径及び高さと、コラムナ量子ドットの段数の関係を説明する図である。
【図８】コラムナ量子ドットを形成する各段の量子ドットの密度と、コラムナ量子ドットの段数の関係を説明する図である。
【図９】巨大量子ドットの割合（出現頻度）と、コラムナ量子ドットの段数の関係を説明する図である。
【図１０】実施の形態に係るＱＤＩＰを構成する半導体積層構造を説明する要部断面図である。
【図１１】半導体積層構造の製造過程を説明するエピタキシャル成長層の断面図である（その１）。
【図１２】半導体積層構造の製造過程を説明するエピタキシャル成長層の断面図である（その２）。
【図１３】半導体積層構造の製造過程を説明するエピタキシャル成長層の断面図である（その３）。
【図１４】半導体積層構造の製造過程を説明するエピタキシャル成長層の断面図である（その４）。
【図１５】半導体積層構造の製造過程を説明するエピタキシャル成長層の断面図である（その５）。
【図１６】半導体積層構造の製造過程を説明するエピタキシャル成長層の断面図である（その６）。
【図１７】半導体積層構造の製造過程を説明するエピタキシャル成長層の断面図である（その７）。
【図１８】半導体積層構造の製造過程を説明するエピタキシャル成長層の断面図である（その８）。
【図１９】量子ドット赤外線光検出器の構成を説明する要部断面図である。
【図２０】量子ドット赤外線光検出器を形成する光電変換層の構成を説明するため断面図である。
【符号の説明】
【０１３２】
２・・・ＱＤＩＰ      ４・・・ＧａＡｓ基板      ６・・・下側電極層
８・・・光電変換層      １０・・・上部電極層
１２，１４・・・配線      １６・・・入射光      １８・・・中間層
２０・・・量子ドット        ２２・・・量子ドット層
２３・・・量子ドット構造
２４・・・巨大量子ドット      ２６・・・突起部      
２７・・・突起部上に成長した量子ドット
２８・・・第１のグループ      ３０・・・第２のグループ
３２・・・ＱＤＩＰ（実施の形態）
３４・・・ＱＤＩＰを構成する半導体積層構造（実施の形態）
３６・・・バッファ層      ３８，４０，４０´，５６・・・中間層
４２,４２´・・・量子ドット      ４４・・・量子ドット層
４６・・・コラムナ量子ドット層      ４８・・・第１層目の量子ドット層
５０・・・第２層目の量子ドット層      ５２・・・第３層目の量子ドット層
５４・・・第６層目までの量子ドット層      ５８・・・コラムナ量子ドット
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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