(57)【要約】【課題】半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御するため、化合物半導体基板上に、互いの高さが均一である複数の半導体量子ドットを形成すること。【解決手段】半導体量子ドット素子１において、化合物半導体基板２と、化合物半導体基板２上に形成された複数の半導体量子ドット３と、を備え、複数の半導体量子ドット３は、直径が化合物半導体基板２の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さく高さがほぼ一定に形成されていること、を特徴とする。【選択図】        図１
2009016562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板上に形成された複数の半導体量子ドットと、を備え、
前記複数の半導体量子ドットは、直径が前記化合物半導体基板の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さく高さがほぼ一定に形成されていること、
を特徴とする半導体量子ドット素子。
【請求項２】
前記複数の半導体量子ドットは、ほぼ一定の間隔で前記化合物半導体基板上に形成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の半導体量子ドット素子。
【請求項３】
さらに、前記複数の半導体量子ドットの周囲に、前記複数の半導体量子ドットとは異なる種類の半導体が埋め込まれていること、
を特徴とする請求項１または２に記載の半導体量子ドット素子。
【請求項４】
前記化合物半導体基板は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＩｎＧａＮのいずれかであること、
を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子。
【請求項５】
前記半導体量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＩｎＧａＮのいずれかであること、
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子。
【請求項６】
化合物半導体基板上に中間層を形成する中間層形成工程と、
前記中間層上に、前記化合物半導体基板の中心から周縁側に向かうに従って直径が徐々に小さくなる微細な複数のホールパターンを有するマスク層を作製するマスク層作製工程と、
前記マスク層をマスクとして、ドライエッチングにより前記中間層をエッチングし、前記微細な複数のホールパターンに対応する部分の前記化合物半導体基板を露出させるエッチング工程と、
前記エッチング工程により露出した部分の前記化合物半導体基板上に、複数の半導体量子ドットを選択的に自己形成する自己形成工程と、を含むこと、
を特徴とする半導体量子ドット素子の形成方法。
【請求項７】
前記マスク作製工程は、
前記中間層上に、ポリスチレンおよびポリメチルメタクリレートを用いて合成されたブロックポリマーから成るマスク層を塗布する塗布工程と、
前記マスク層を加熱し、前記ポリスチレンを層状に、前記ポリメチルメタクリレートを微粒子状に、それぞれ相分離させる相分離工程と、
前記相分離工程での前記加熱時の温度分布を利用して、相分離する前記ポリメチルメタクリレートの直径を一定の割合で変化させる直径変化工程と、
ドライエッチングにより前記マスク層をエッチングし、前記微細な複数のホールパターンを形成するホールパターン形成工程と、を含むこと、
を特徴とする請求項６に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。
【請求項８】
前記相分離工程で前記マスク層を加熱する温度を、前記化合物半導体基板の周縁部に対して中心部が１．１〜１．５倍となるように、前記化合物半導体基板の周縁側から中心に向かって徐々に変化させること、
を特徴とする請求項７に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。
【請求項９】
前記相分離工程で相分離する前記ポリメチルメタクリレート微粒子の直径が、前記化合物半導体基板の前記周縁部に対して前記中心部が１．１〜１．５倍となり、前記化合物半導体基板の周縁側から中心に向かって徐々に変化すること、
を特徴とする請求項８に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。
【請求項１０】
前記マスク層作製工程で作製される前記マスク層の前記微細な複数のホールパターンは、前記中間層上にほぼ一定の間隔で設けられること、
を特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。
【請求項１１】
前記自己形成工程後に、前記化合物半導体基板上の前記中間層を除去する中間層除去工程をさらに含むこと、
を特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。
【請求項１２】
前記中間層除去工程後に、前記複数の半導体量子ドットの周囲に、前記複数の半導体量子ドットとは異なる種類の半導体を埋め込む半導体埋め込み工程をさらに含むこと、
を特徴とする請求項１１に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。
【請求項１３】
前記中間層は、ＡｌＧａＡｓ、ＳｉＮ、または、ＡｌＧａＮ等の半導体、または、ＳｉＯ２等の金属酸化物により形成されること、
を特徴とする請求項６〜１２のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。
【請求項１４】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子を利用した半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体量子ドット素子、半導体量子ドット素子の形成方法および半導体量子ドット素子を利用した半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子ドットは量子ドットレーザを中心に開発が進められている。量子ドットは、電子を３次元的に狭いポテンシャルエネルギー内に閉じ込めるために、電子のエネルギー準位が離散化し、状態密度はデルタ関数的になる。半導体レーザの活性層に量子ドットを用いると、信号変調時の低チャープ化や、温度に対する依存性が小さくなることが報告されている。量子ドットは、光増幅器、光検出器、非線形光学素子等の光通信分野をはじめ、高効率ディスプレイ、単一光子発生素子等、さまざまな応用分野での展開が期待されている。
【０００３】
ＩｎＡｓ量子ドットは、近年ではＧａＡｓ基板上において１．５μｍ帯まで発光し、長波長化が可能となっており、光通信の分野において注目を集めている。半導体量子ドットの作製方法としては、格子不整合材料を用いて作製するＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長モードによる自己形成技術が簡便な方法として挙げられる（特許文献１）。また、量子ドットをデバイスへ応用する際、高効率化、大面積化等の観点からドットのサイズ、密度、位置を制御することが重要になる。現在、半導体量子ドットのサイズ、密度、位置制御を行う方法として、ブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いる方法（非特許文献１）や、電子線描画リソグラフィを用いる方法（非特許文献２）等がある。
【０００４】
Ｓ−Ｋ成長モードを利用した半導体量子ドットの作製は、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の化合物半導体基板に、Ｉｎ、Ｇａ等のIII族元素と、Ａｓ、Ｎ等のＶ族元素とを同時に供給することにより行われる。そして成長の開始当初は、ＩｎＡｓまたはＧａＮが格子不整合による弾性限界を超えないので２次元的に成長が行われ、ＩｎＡｓまたはＧａＮの濡れ層（Ｗｅｔｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）が成長する。さらに成長を続けると、ＩｎＡｓまたはＧａＮの厚さが弾性限界を超えた時点で濡れ層の表面に、ＩｎＡｓまたはＧａＮ量子ドットがナノメートルオーダーで成長する。
【０００５】
ブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いた半導体量子ドットの作製方法を簡単に説明する。初めに、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の化合物半導体基板に、例えば、ＳｉＯ２またはＳｉＮ等の絶縁体からなる中間層を、ＣＶＤ（化学気相成長）やスピンコーティングの技術を用いて、数十ｎｍの厚さまで堆積する。そしてその上に、ＰＳ（ポリスチレン）−ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を溶解した溶液であるブロックポリマー層を、スピンコーティングにより形成する。
【０００６】
次に、ブロックポリマー層をアニールすることにより、ブロックポリマー層は、ＰＳマトリックス中に複数のＰＭＭＡ微粒子が相分離したブロックコポリマー層に変化する。そして、酸素ガスを用いて、形成したブロックコポリマー層をエッチングすると、ＰＳ内部の複数のＰＭＭＡ微粒子が選択的にエッチングされることにより、ブロックコポリマー層は、ＰＭＭＡ微粒子と同じサイズの複数のホールパターンを有するＰＳ多孔質層となる。このようにして得られた多孔質層をエッチングマスクとして、中間層をフッ化物ガスによりエッチングすることにより、中間層には数十ｎｍのホールパターンが複数形成される。
【０００７】
以上の工程を経ることにより、ＰＭＭＡ微粒子と同じサイズの複数のホールパターンを有する中間層を上面に持つ化合物半導体基板が作製される。この化合物半導体基板を用いて、上述したＳ−Ｋ成長モードと同様の方法で半導体量子ドットの成長を行うと、半導体量子ドットがホール内部で選択的に成長する。その後、残りの中間層を除去し、成長した半導体量子ドットの周囲をＧａＡｓ等の半導体で埋め込み、半導体量子ドットレーザ等へ応用する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２６９８８６号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ、２０００年、ｖｏｌｕｍｅ  ７６、ｐ．１６８９
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、２００４年、ｖｏｌｕｍｅ  ２６１、ｐ．４４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、Ｓ−Ｋ成長モードを利用して化合物半導体基板上に半導体量子ドットを成長させた場合、半導体量子ドットは化合物半導体基板上に高密度で形成されるが、成長工程中の化合物半導体基板の温度分布や、半導体量子ドットの原料の流量分布等の理由により、互いの半導体量子ドットのサイズ、つまり、その直径や高さはかなり不均一なものとして形成される。通常、半導体量子ドットの直径と高さとを両方均一に成長させることは難しく、化合物半導体基板全体に直径と高さとが両方均一な半導体量子ドットを成長させる場合には、さらに難しい技術を必要とする。
【００１０】
ブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いる方法や、電子線描画リソグラフィを用いる方法においても、制御できる半導体量子ドットのサイズは直径のみであり、高さに関してはこの方法で制御することはできない。このため、半導体量子ドットの高さを均一にするにはさらに新たな技術が必要となる。
【００１１】
特に、半導体量子ドットを発光素子や光スイッチに応用する場合、バンドギャップの制御が重要になる。従来の形成方法で形成される半導体量子ドットは、その直径が高さより３〜５倍大きく、さらに、半導体量子ドットの材質によっては、１０倍以上になる場合もある。このため、半導体量子ドットのバンドギャップは直径よりも高さによって制御され、直径はバンドギャップに関しては大きな影響を与えない。よって、半導体量子ドットを素子に利用する場合、広範囲な領域で、半導体量子ドットの高さをそろえることが重要な技術となる。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、化合物半導体基板上に形成された複数の半導体量子ドットの高さを均一にしてバンドギャップを広範囲に制御することできる半導体量子ドット素子、この半導体量子ドット素子の形成方法、および、この半導体量子ドット素子を利用した半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に形成された複数の半導体量子ドットと、を備え、前記複数の半導体量子ドットは、直径が前記化合物半導体基板の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さく高さがほぼ一定に形成されていること、を特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、化合物半導体基板上に中間層を形成する中間層形成工程と、前記中間層上に、前記化合物半導体基板の中心から周縁側に向かうに従って直径が徐々に小さくなる微細な複数のホールパターンを有するマスク層を作製するマスク層作製工程と、前記マスク層をマスクとして、ドライエッチングにより前記中間層をエッチングし、前記微細な複数のホールパターンに対応する部分の前記化合物半導体基板を露出させるエッチング工程と、前記エッチング工程により露出した部分の前記化合物半導体基板上に、複数の半導体量子ドットを選択的に自己形成する自己形成工程と、を含むこと、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、化合物半導体基板上に形成される複数の半導体量子ドットの高さを均一に制御できるので、半導体量子ドット素子のバンドギャップを広範囲に制御することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体量子ドット素子、半導体量子ドット素子の形成方法、および、半導体量子ドット素子を利用した半導体レーザの最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下において示す図面では、説明の便宜上、図面の各部材の縮尺を異ならせて記載してある場合がある。
【００１７】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。半導体量子ドット素子１は、化合物半導体基板２の上に、複数の半導体量子ドット３が一定の間隔で形成された構造となっている。化合物半導体基板２の中心部に形成された半導体量子ドット３の直径Ｄ１は、半導体量子ドット３の中で最も大きい。そして、半導体量子ドット３の直径は、化合物半導体基板２の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さくなり、化合物半導体基板２の周縁部に形成された半導体量子ドット３の直径Ｄ２は、半導体量子ドット３の中で最も小さくなっている。また、半導体量子ドット３の高さＨは、化合物半導体基板２の位置に関係なくほぼ一定となっている。
【００１８】
半導体量子ドット素子が上述のように形成されている理由を、従来の半導体量子ドット素子と比較して説明する。図３は、従来のブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いて作製された従来の半導体量子ドット素子の上面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ矢視断面図である。従来の半導体量子ドット素子４においては、化合物半導体基板２の上に形成された従来の半導体量子ドット５の直径ｄは、化合物半導体基板２の位置に関係なく一定となっている。一方、化合物半導体基板２の中心部に形成された従来の半導体量子ドット５の高さｈ１は、従来の半導体量子ドット５の中で最も高い。そして、従来の半導体量子ドット５の高さは、化合物半導体基板２の中心から周縁側に向かうに従って徐々に低くなり、その周縁部に形成された従来の半導体量子ドット５の高さｈ２は、従来の半導体量子ドット５の中で最も低くなっている。
【００１９】
前述したように、従来の形成方法で形成される半導体量子ドットは、その直径が高さより３〜５倍大きく、さらに、半導体量子ドットの材質によっては、１０倍以上になる場合もある。この関係は、本実施の形態にかかる半導体量子ドットにおいても変わらない。従って、図１〜４における半導体量子ドットは、その直径よりも高さの方が大きく描かれているが、実際には、その高さよりも直径の方が３〜５倍大きく、さらに、半導体量子ドットの材質によっては、１０倍以上になる場合もある。このため、半導体量子ドットの直径は、バンドギャップに大きな影響を与えず、バンドギャップは、直径よりも高さによって制御される。
【００２０】
従って、本実施の形態にかかる半導体量子ドット素子は、半導体量子ドットの高さが化合物半導体基板の全面でほぼ一定に形成されるので、従来の形成方法で形成される半導体量子ドット素子に比べて、半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御することが可能となる。この結果、本実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を半導体レーザに用いると、高効率な半導体レーザの作製が可能となる。
【００２１】
（半導体量子ドット素子の形成方法）
次に、本実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の形成方法について説明する。図５−１〜図５−９は、第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図であり、図１のＡ−Ａ矢視断面部分に相当する。
【００２２】
初めに、図５−１に示すように化合物半導体基板２を準備する。化合物半導体基板２には、III−Ｖ族元素を含む半導体が使用され、具体的には、ＧａＡｓ、または、ＡｌＮが好ましいが、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＩｎＧａＮのいずれでも使用することができる。
【００２３】
そして、図５−２に示すように、化合物半導体基板２の上に、中間層６を形成する。中間層６は、ＡｌＧａＡｓ、ＳｉＮ、または、ＡｌＧａＮ等の半導体、または、ＳｉＯ２等の金属酸化物を使用し、ＣＶＤ（化学気相成長）やスピンコーティングの技術を用いて、数十ｎｍの厚さまで堆積する。
【００２４】
次に、図５−３に示すように、中間層６の上に、ブロックポリマー層７を形成する。ブロックポリマー層７は、ＰＳ−ＰＭＭＡを溶解した溶液を使用し、スピンコーティングの技術を用いて形成する。なお、ブロックポリマー層７中のＰＭＭＡに対するＰＳの分子量の比ＰＳ／ＰＭＭＡは、４〜５．２程度である。
【００２５】
次に、化合物半導体基板２、中間層６およびブロックポリマー層７から成る多層膜をアニール（熱処理）する。この場合、アニールの処理時間は８時間に設定し、アニールの処理温度は、化合物半導体基板２の中心部を１００度、周縁部を７０度に設定し、さらに、処理温度が中心から周縁側に向かうに従って徐々に下がるように設定する。このアニールにより、ブロックポリマー層７は、図５−４に示すようなＰＳマトリックス８中に複数のＰＭＭＡ微粒子９が相分離しているブロックコポリマー層１０に変化する。
【００２６】
ここで、ブロックコポリマー層１０（化合物半導体基板２）の中心部に形成されたＰＭＭＡ微粒子９の直径は、ＰＭＭＡ微粒子９の中で最も大きい。そして、ＰＭＭＡ微粒子９の直径は、ブロックコポリマー層１０（化合物半導体基板２）の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さくなり、その周縁部に形成されたＰＭＭＡ微粒子９の直径は、ＰＭＭＡ微粒子９の中で最も小さくなっている。
【００２７】
これは、化合物半導体基板２の中心部と周縁部との間で温度差を設けてアニールすることにより、ＰＭＭＡ微粒子９のサイズを異ならせてブロックコポリマー層１０中に析出させたためである。温度が高い部分では、ブロックコポリマー層１０中に析出されるＰＭＭＡ微粒子９のサイズは大きくなり、温度が低い部分では、ブロックコポリマー層１０中に析出されるＰＭＭＡ微粒子９のサイズは小さくなる。このように、ブロックポリマー層７に加える熱の温度を変化させることにより、相分離するＰＭＭＡ微粒子９のサイズを変更させることが可能である。
【００２８】
次に、ブロックコポリマー層１０の一部をエッチングにより除去する。このエッチングには酸素ガスが使用されるが、ＰＳの方がＰＭＭＡよりエッチングレートが低いため、ＰＭＭＡ微粒子９が選択的にエッチングされる。この結果、ブロックコポリマー層１０は、ＰＭＭＡ微粒子９が存在していた箇所に、ＰＭＭＡ微粒子９と同サイズ（数十ｎｍ）のホールパターン１１を有するＰＳのみで形成されたＰＳ多孔質層１２となる。図５−５は、ブロックコポリマー層１０の一部がエッチングにより除去され、ＰＳ多孔質層１２となった後の断面図である。
【００２９】
次に、ＰＳ多孔質層１２をエッチングマスクとして、中間層６をエッチングする。このエッチングには、フッ化物ガス使用され、エッチングの結果、中間層６には、複数の数十ｎｍのホールパターン１３が形成される。そして、図５−６に示すように、化合物半導体基板２の上面の一部が、ホールパターン１３により露出した状態となる。
【００３０】
次に、図５−７に示すように、露出した部分の化合物半導体基板２上に、半導体量子ドット３を形成する。半導体量子ドット３は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）、または、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）の技術を用いることにより、選択的に成長する。半導体量子ドット３は、III−Ｖ族元素を含む半導体を使用し、例えば、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、または、ＧａＮを使用するが、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、または、ＩｎＧａＮのいずれでも使用することができる。
【００３１】
この工程で形成された半導体量子ドット３は、その直径がホールパターン１３のサイズと同じとなり、化合物半導体基板２の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さくなる。また、その高さは化合物半導体基板２の位置に関係なくほぼ一定となる。この理由を説明する。
【００３２】
通常、半導体量子ドット３の形成時には、化合物半導体基板２の温度分布や、半導体量子ドット３の原料の流量分布等の理由により、化合物半導体基板２の中央部の方が、その周縁部より半導体量子ドット３の原料が多く堆積する。よって従来例のように、化合物半導体基板２上に形成するホールパターン１３のサイズをすべて同じにすると、化合物半導体基板２の中心部に形成される従来の半導体量子ドット５の高さが高くなり、その周縁部に形成される従来の半導体量子ドット５の高さが低くなってしまう。
【００３３】
これに対し、本実施の形態では、半導体量子ドット３の原料の堆積量が多い中心部のホールパターン１３のサイズを大きくし、原料の堆積量が少ない周縁部のホールパターン１３のサイズを小さくすることにより、半導体量子ドット３の高さを化合物半導体基板２の全体でほぼ一定とすることを可能にしている。
【００３４】
例えば、従来の形成方法で、ＧａＮからなる従来の半導体量子ドット５を成長させた場合、化合物半導体基板２の中心部〜周縁部にかけて、従来の半導体量子ドット５の直径分布は、約１９．９ｎｍ〜１５．０ｎｍであり、その高さ分布は、約１．１ｎｍ〜０．７ｎｍとなる。これに対し、本実施の形態にかかる形成方法で、ＧａＮからなる半導体量子ドット３を同じ条件で成長させた場合、化合物半導体基板２の中心部〜周縁部にかけて、半導体量子ドット３の直径分布は、約１９．９ｎｍ〜１０ｎｍであり、その高さ分布は、約１．１ｎｍでほぼ一定となる。この時のＰＭＭＡ微粒子９の直径は、化合物半導体基板２の中心部で約１９．９ｎｍ、周縁部で約１０ｎｍであり、成長した半導体量子ドット３の直径と同じであることがわかる。
【００３５】
また、従来の形成方法で、ＩｎＡｓからなる従来の半導体量子ドット５を成長させた場合、化合物半導体基板２の中心部〜周縁部にかけて、従来の半導体量子ドット５の直径分布は、約４０ｎｍ〜３１ｎｍであり、その高さ分布は、約１０ｎｍ〜７ｎｍとなる。これに対し、本実施の形態にかかる形成方法で、ＩｎＡｓからなる半導体量子ドット３を同じ条件で成長させた場合、化合物半導体基板２の中心部〜周縁部にかけて、半導体量子ドット３の直径分布は、約４０ｎｍ〜２０ｎｍであり、高さ分布は、約１０ｎｍでほぼ一定となる。この時のＰＭＭＡ微粒子９の直径は、化合物半導体基板２の中心部で約４０ｎｍ、周縁部で約２０ｎｍであり、成長した半導体量子ドット３の直径と同じであることがわかる。
【００３６】
半導体量子ドット３の形成後、図５−８に示すように、中間層６の残り全てをドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去することにより、半導体量子ドット素子１が完成する。なお、図５−８の状態が、図１および図２の状態に相当する。
【００３７】
この後さらに、図５−９に示すように、半導体量子ドット３の周囲を半導体量子ドット３とは異なる種類の半導体１４で埋め込むと、半導体量子ドット３と半導体１４とからなる層が半導体量子ドット活性層１５となり、半導体量子ドットレーザ等へ応用することが可能となる。半導体１４は、例えば、ＧａＡｓまたはＡｌＮを使用するが、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＩｎＧａＮのいずれでも使用することができる。
【００３８】
本実施の形態では、化合物半導体基板２、中間層６およびブロックポリマー層７から成る多層膜をアニールし、ブロックポリマー層７をブロックコポリマー層１０に変化させる工程での処理温度については、化合物半導体基板２の中心部〜周縁部までの温度が１００度〜７０度に徐々に変化するように設定している。この処理温度が低いとＰＭＭＡ微粒子９が相分離せず、反対に、処理温度が高いとＰＭＭＡ微粒子９の形が崩れてしまうため、周縁部の温度に対して中心部の温度を１．１〜１．５倍の範囲で変化させることが望ましい。
【００３９】
このように、第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子によれば、半導体量子ドットを形成するための中間層のホールパターンのサイズを制御することにより、化合物半導体基板上に形成される複数の半導体量子ドットの高さを均一に制御できるので、半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御することが可能となる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を半導体レーザに適用したものである。図６は、第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を使用した半導体レーザの断面図である。
【００４１】
半導体レーザ２０は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極３０、ｎ型ＧａＡｓ基板４０、ｎ型ＧａＡｓ成長層５０、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層６０、ＧａＡｓ成長層７０、ＩｎＡｓ量子ドット素子活性層８０、ＧａＡｓ成長層９０、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層１００、ｐ型ＧａＡｓ成長層１１０、ＳｉＯ２１２０、ポリイミド１３０、および、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１４０からなる。
【００４２】
ここで、ＧａＡｓ成長層７０は、第１の実施の形態における化合物半導体基板２に相当し、ＩｎＡｓ量子ドット素子活性層８０は、第１の実施の形態における半導体量子ドット活性層１５に相当する。そして、ＩｎＡｓ量子ドット素子活性層８０は、第１の実施の形態における半導体量子ドット３と同じ構造であるＩｎＡｓで形成された半導体量子ドット８１と、第１の実施の形態における半導体１４と同じ構造であるＧａＡｓまたはＡｌＮで形成された半導体８２とからなる。従って、ＧａＡｓ成長層７０とＩｎＡｓ量子ドット素子活性層８０とで構成される部分は、第１の実施の形態における半導体量子ドット素子１と半導体１４とで構成される部分に相当し、第１の実施の形態と同じ方法で作製される。
【００４３】
半導体レーザ２０は、以下の様に作製される。初めに、清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板４０上に、厚さ５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ成長層５０、厚さ１５００ｎｍのｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層６０、および、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ成長層７０を、ＭＯＣＶＤ法で順次積層する。ここで、ｎ型ＧａＡｓ成長層５０、および、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層６０のドーピング濃度は、それぞれ、２×１０１８ｃｍ−３、１×１０１９ｃｍ−３とする。
【００４４】
次に、ＧａＡｓ成長層７０上に、ＩｎＡｓ量子ドット素子活性層８０を、第１の実施の形態における半導体量子ドット素子活性層１５と同じ方法で積層する。
【００４５】
さらに、ＩｎＡｓ量子ドット素子活性層８０上に、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ成長層９０、厚さ２０００ｎｍのｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層１００、および、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ成長層１１０を、ＭＯＣＶＤ法で順次積層する。ここで、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層１００、および、ｐ型ＧａＡｓ成長層１１０のドーピング濃度は、ともに５×１０１８ｃｍ−３とする。
【００４６】
上記工程を経た後、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層１００、および、ｐ型ＧａＡｓ成長層１１０を削り、幅が３〜４０μｍのリッジを作成する。さらに、ＳｉＯ２１２０、および、ポリイミド１３０の塗布と、ストライプのパターニングの工程を行う。その後、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１４０の蒸着、加熱を行い合金化する。また、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１４０と反対側の面は、研磨した後にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極３０の蒸着、加熱を行い合金化する。最後に、完成した素子をストライプの方向と直行する方向にへきかいして共振器を作成し、半導体レーザ２０を作製する。
【００４７】
本実施の形態にかかる半導体レーザは、半導体量子ドットをＧａＡｓまたはＡｌＮ等の半導体層で埋め込むデバイス構造をとることで、面内における均一性の高い量子ドットによる高効率な反転分布を形成し、均一な発光および低閾値でのレーザ発振が可能となる。
【００４８】
このように、第２の実施の形態にかかる半導体レーザによれば、半導体量子ドット活性層の半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御することができるので、発光効率を高くすることが可能となる。
【００４９】
なお、第２の実施の形態では、第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を半導体レーザに適用したが、同じく、半導体量子ドットのバンドギャップを制御することで高効率化が可能となる光スイッチ、光増幅器、または、光検出器に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、半導体量子ドット素子の半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御することが要求されるあらゆる半導体量子ドットデバイスに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の上面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】従来のブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いて作製された従来の半導体量子ドット素子の上面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図５−１】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図５−２】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図５−３】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図５−４】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図５−５】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図５−６】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図５−７】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図５−８】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図５−９】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図である。
【図６】第１の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を使用した半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  半導体量子ドット素子
２  化合物半導体基板
３、８１  半導体量子ドット
４  従来の半導体量子ドット素子
５  従来の半導体量子ドット
６  中間層
７  ブロックポリマー層
８  ＰＳマトリックス
９  ＰＭＭＡ微粒子
１０  ブロックコポリマー層
１１、１３  ホールパターン
１２  ＰＳ多孔質層
１４、８２  半導体
１５  半導体量子ドット活性層
２０  半導体レーザ
３０  ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極
４０  ｎ型ＧａＡｓ基板
５０  ｎ型ＧａＡｓ成長層
６０  ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層
７０、９０  ＧａＡｓ成長層
８０  ＩｎＡｓ量子ドット素子活性層
１００  ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ成長層
１１０  ｐ型ＧａＡｓ成長層
１２０  ＳｉＯ２
１３０  ポリイミド
１４０  Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極
【図１】
2009016562.tif 000003
【図２】
2009016562.tif 000004
【図３】
2009016562.tif 000005
【図４】
2009016562.tif 000006
【図５−１】
2009016562.tif 000007
【図５−２】
2009016562.tif 000008
【図５−３】
2009016562.tif 000009
【図５−４】
2009016562.tif 000010
【図５−５】
2009016562.tif 000011
【図５−６】
2009016562.tif 000012
【図５−７】
2009016562.tif 000013
【図５−８】
2009016562.tif 000014
【図５−９】
2009016562.tif 000015
【図６】
2009016562.tif 000016