(57)【要約】【課題】  温度特性の向上を図ることが可能な量子ドットレーザ素子に適用される半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  半導体基板(11)の上に、ＩｎとＡｓとを含む量子ドット(14Q)を形成する。量子ドットを被覆するように、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含み、量子ドットよりも電子親和力の小さな化合物半導体からなるバリア層(14B)を、Ａｌ原料としてトリエチルアルミニウムを用いた有機金属化学気相成長により形成する。【選択図】  図６
2009141032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に、ＩｎとＡｓとを含む量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを被覆するように、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含み、前記量子ドットよりも電子親和力の小さな化合物半導体からなるバリア層を、Ａｌ原料としてトリエチルアルミニウムを用いた有機金属化学気相成長により形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記バリア層が、Ａｌ、Ｉｎ、及びＡｓを含む混晶半導体で形成され、Ａｌの組成比が０よりも大きく０．４８以下であり、該バリア層の成長温度が５１０℃〜５３０℃の範囲内である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記バリア層が、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＡｓを含む混晶半導体で形成され、Ａｌの組成比が０よりも大きく０．２１以下であり、該バリア層の成長温度が４８０℃〜５３０℃の範囲内である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記量子ドットを形成した後、前記バリア層を形成する前に、さらに、
Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＡｓを含む混晶半導体で形成される補助バリア層を、Ａｌの組成比が前記バリア層のＡｌの組成比よりも小さくなり、該バリア層の成長温度よりも低い条件で、前記量子ドットを被覆するように、Ａｌ原料としてトリエチルアルミニウムを用いた有機金属化学気相成長により形成する工程を含む請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記補助バリア層は、平坦面上において厚さが４ｎｍ〜５ｎｍの範囲内になる条件で形成する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体基板の上に配置され、化合物半導体で形成された下地バリア層と、
前記下地バリア層の上に形成されたＩｎとＡｓとを含む量子ドットと、
前記量子ドットを被覆する補助バリア層と、
前記補助バリア層の上に形成されたバリア層と
を有し、
前記補助バリア層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＡｓを含む混晶半導体で形成されており、前記バリア層は、Ａｌ、Ｉｎ、及びＡｓを含む混晶半導体で形成されており、該補助バリア層のＡｌの組成比が、該バリア層のＡｌの組成比よりも小さい半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを含み、この量子ドットをバリア層で被覆する半導体装置の製造方法、及びその方法で製造される半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
活性層媒質に量子ドットを用いた量子ドットレーザ素子（例えば、特許文献１）は、発光スペクトルの線幅が狭いという特徴を有する。このため、光ファイバ通信における１．５５μｍ帯長距離伝送への適用が期待されている。下記の非特許文献１に、ＩｎＡｓＳｂ量子ドットをＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるバリア層で埋め込み、多層化したレーザ構造が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−８４０４２号公報
【非特許文献１】M. Matsuda et al., 12th Optoelectrinics and Communications Conference/16th International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication (OECC/IOOC2007) 13D2-3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ素子の温度が上昇すると、量子ドット内の伝導帯の電子がバリア層の伝導帯下端に相当するエネルギ準位まで励起されるため、量子ドットへの電子の閉じ込め効果が低下する。閉じ込め効果の低下は、レーザ素子の温度特性の低下の原因になる。
【０００５】
本発明の目的は、温度特性の向上を図ることが可能な量子ドットレーザ素子に適用される半導体装置の製造方法、及び半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための半導体装置の製造方法は、
半導体基板の上に、ＩｎとＡｓとを含む量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを被覆するように、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含み、前記量子ドットよりも電子親和力の小さな化合物半導体からなるバリア層を、Ａｌ原料としてトリエチルアルミニウムを用いた有機金属化学気相成長により形成する工程と
を有する。
【０００７】
また、上記課題を解決するための半導体装置は、
半導体基板の上に配置され、化合物半導体で形成された下地バリア層と、
前記下地バリア層の上に形成されたＩｎとＡｓとを含む量子ドットと、
前記量子ドットを被覆する補助バリア層と、
前記補助バリア層の上に形成されたバリア層と
を有し、
前記補助バリア層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＡｓを含む混晶半導体で形成されており、前記バリア層は、Ａｌ、Ｉｎ、及びＡｓを含む混晶半導体で形成されており、該補助バリア層のＡｌの組成比が、該バリア層のＡｌの組成比よりも小さい。
【発明の効果】
【０００８】
バリア層に、Ａｌを含む化合物半導体を用いると、量子ドットの伝導帯下端のエネルギ準位とバリア層の伝導帯下端のエネルギ準位との差（伝導帯バンドオフセット）を大きくして、電子の閉じ込め効果を高めることができる。これにより、温度特性の向上を図ることができる。Ａｌ原料としてトリエチルアルミニウムを用いると、トリメチルアルミニウムを用いる場合に比べて、低温で高品質のＡｌＧａＩｎＡｓ膜を成長させることができる。このため、バリア層の形成時に量子ドットの材料が再蒸発することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ等からなる量子ドットの伝導帯下端のエネルギ準位と、この量子ドットを被覆するバリア層の伝導帯下端のエネルギ準位との差（伝導帯バンドオフセット）を大きくすることにより、電子の閉じ込め効果を高めることができる。伝導帯バンドオフセットを大きくするためには、バリア層に、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を用いることが有効である。
【００１０】
ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる下地表面に、Stranski-Krastanovモード（ＳＫモード）と呼ばれる自己形成法により形成されたＩｎＡｓ等の量子ドットをバリア層で埋め込む際に、量子ドットを形成する材料、特に蒸気圧の高いＩｎの再蒸発を防止しなければならない。量子ドットの形成温度は、通常４５０℃〜５３０℃である。バリア層の成長温度を、量子ドットの形成温度よりも高くすると、特にＩｎが再蒸発し、量子ドットが消滅してしまう。
【００１１】
Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用い、成長温度６００℃以上の条件で、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）により高品質のＡｌＧａＩｎＡｓ膜を成長させることが可能である。ところが、成長温度が低くなると、結晶品質の高いＡｌＧａＩｎＡｓ膜を得ることが困難である。例えば、「K. Kurihara et al., Journal of Crystal Growth 271(2004) pp.341-347」に、Ａｌ原料としてＴＭＡｌを用い、成長温度５８０℃以下の条件でＭＯＣＶＤによりＡｌＧａＩｎＡｓ膜を成長させた実験結果が報告されている。この報告によると、成長温度を５８０℃以下にすると組成変調が発生し、成長温度が低くなるに従って、組成変調が発生しやすくなる。以下、低温で成長を行った場合に、組成変調が発生してしまう原因について考察する。
【００１２】
５８０℃以下の成長温度では、Ａｌ原料であるＴＭＡｌの分解が十分ではないと考えられる。このため、ＴＭＡｌが分子量の大きな状態で成長表面に残留する。分子量が大きいと、成長表面上でのマイグレーションが十分に起こらない。これにより、面内の位置によって、Ａｌの組成比にばらつきが生じてしまうと考えられる。
【００１３】
ＴＭＡｌよりも熱分解温度の低いトリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）を用いることにより、Ａｌ原料種のマイグレーションが促進され、組成変調が抑制されることが期待される。
【００１４】
図１Ａ及び図１Ｂに、成長温度５１０℃の条件で、ＭＯＣＶＤにより成長させたＡｌ０．２１Ｇａ０．２６Ｉｎ０．５３Ａｓ膜の断面ＳＥＭ写真を示す。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれＡｌ原料としてＴＭＡｌ及びＴＥＡｌを用いて成長させた試料の断面ＳＥＭ写真である。図１Ａの試料では、ＡｌＧａＩｎＡｓ膜内に濃淡が見られる。これは、組成変調が生じていることを示す。これに対し、図１Ｂの試料では、ＡｌＧａＩｎＡｓ膜内に濃淡が見られないことから、組成変調が生じていないと思われる。
【００１５】
図２〜図５を参照して、ＴＥＡｌを用いてＡｌＧａＩｎＡｓ膜及びＡｌＩｎＡｓ膜を形成する場合の、好適な成長条件について説明する。
【００１６】
図２に、評価のために作製した試料の断面図を示す。（００１）面を表面に持つＩｎＰ基板１の上に、ＧａＩｎＡｓからなるバッファ層２、ＡｌＩｎＡｓからなるバリア層３、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる被評価層４、ＡｌＩｎＡｓからなるバリア層５、及びＩｎＰからなるキャップ層６をこの順番にＭＯＣＶＤにより形成した。被評価層４以外の各層の成長温度は６３０℃である。被評価層４の成長温度、及びＡｌ組成比を変えて複数の試料を作製した。被評価層４の成長温度は、４６０℃、４８０℃、４９０℃、５００℃、及び５１０℃のいずれかとした。Ａｌ組成比は、０．１５、０．２１、及び０．２８のいずれかとした。ＩｎＰ基板に格子整合するという条件を満足させるために、いずれの場合にも、Ｉｎ組成比は０．５３とした。
【００１７】
さらに、ＩｎＰ基板に格子整合するという前記条件で、Ａｌの組成比が最大の材料であるＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓを被評価層４に用いた試料を作製した。Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓは、ＩＩＩ族元素としてＧａを含まないが、ＩｎＰ基板に格子整合するＡｌＧａＩｎＡｓ系材料のうちＧａの組成比を０にした特殊な例と考えることができる。
【００１８】
図３に、作製した試料の断面ＳＥＭ写真を示す。断面ＳＥＭ写真中の矢印ＥＬで示した範囲が、被評価層４に相当する。
【００１９】
図４に、被評価層４のＡｌ組成比を０．２１とした試料の被評価層４からのフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルを示す。比較のために、Ａｌ原料としてＴＭＡｌを用い、成長温度５４０℃の条件で形成したＡｌＧａＩｎＡｓからなる発光層を持つ比較用試料を作製した。図４に、比較用試料のＰＬスペクトルも示している。比較用試料のＰＬ強度が最大になる波長が、ＴＥＡｌを用いて作製した試料のＰＬ強度が最大になる波長と異なるのは、発光層の組成比が異なるためである。ここでは、波長ではなく、ＰＬ強度自体に着目する。
【００２０】
成長温度４８０℃以上の条件で作製した試料からは、ＰＬ発光が観察された。この強度は、ＴＭＡｌを用い、成長温度５４０℃の条件で作製した比較用試料のＰＬ強度よりも大きい。成長温度４６０℃の条件で作製した試料からは、ＰＬ発光が観察されなかった。
【００２１】
図３に示したＡｌ組成比が０．２１の試料の断面ＳＥＭ写真においても、成長温度４６０℃の条件で作製した試料の被評価層に組成変調が生じていることが観察される。これに対し、成長温度４８０℃以上の条件で作製した試料においては、被評価層に組成変調が観察されない。
【００２２】
被評価層に組成変調が発生すると、ＰＬスペクトルの長波長側の端部が、より長波長側にシフトする。図４に示した測定結果では、成長温度を低下させても、ＰＬスペクトルの長波長側の端部がシフトしていない。このため、成長温度を４８０℃まで低下させても、組成変調は生じないと考えられる。
【００２３】
なお、成長温度が低くなるに従って、最大ＰＬ強度を示す波長が長波長側にシフトしている。これは、被評価層内に欠陥が多くなり、低いエネルギ準位間のキャリアの再結合が優勢になるためと考えられる。
【００２４】
また、ＰＬ強度は、ＴＭＡｌを用いた比較用試料のＰＬ強度より大きい。このように、Ａｌ原料としてＴＭＡｌに代えてＴＥＡｌを用いると、より低温で、より高品質なＡｌＧａＩｎＡｓ膜を成長させることができる。
【００２５】
一般的に、Ａｌ組成比を小さくすると、高品質な結晶成長を行うための温度条件が緩和される。このため、Ａｌ組成比が０．１５の場合にも、成長温度４８０℃以上の条件で、組成変調の生じない高品質なＡｌＧａＩｎＡｓ膜を形成することができると考えられる。図３に示した断面ＳＥＭ写真においても、Ａｌ組成比が０．１５の試料において、成長温度４８０℃及び４９０℃で形成した試料の発光層に、組成変調は観察されなかった。
【００２６】
図５に、被評価層４のＡｌ組成比を０．２８とした試料の被評価層４からのＰＬスペクトルを示す。成長温度を５１０℃から５００℃に低下させると、ＰＬスペクトルの長波長側の端部が、より長波長側にシフトしている。これは、被評価層に組成変調が生じているためである。図３に示した断面ＳＥＭ写真においても、Ａｌ組成比が０．２８、成長温度が５００℃の試料の被評価層に、組成変調が観察される。成長温度が５１０℃の試料の被評価層には、組成変調が観察されない。
【００２７】
Ａｌ組成比を０．４８にした試料では、成長温度が５００℃以下の条件で、被評価層４に組成変調が観察された。成長温度５１０℃の条件で作製した試料の被評価層４には組成変調が観察されなかった。
【００２８】
ＡｌＧａＩｎＡｓ膜の成長温度が低下すると、膜内への炭素（Ｃ）や酸素（Ｏ）の取り込みが懸念される。成長温度５１０℃の条件で形成したＡｌ組成比０．２８の試料及びＡｌ組成比０．１５の試料の被評価層のＣ濃度とＯ濃度とを、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により評価したところ、いずれの濃度も検出限界以下であった。成長温度を低下させても、Ｃ及びＯの取り込みは十分少ないことが確認された。
【００２９】
図６Ａに、第１の実施例による半導体装置の断面図を示す。ｎ型ＩｎＰからなる（００１）面が露出した基板１１の上に、アンドープのＩｎＰからなる厚さ１００ｎｍのバッファ層１２、アンドープのＡｌ０．２８Ｇａ０．１９Ｉｎ０．５３Ａｓからなる下地バリア層１４Ａ、ＩｎＡｓからなる量子ドット層１４Ｑ、アンドープのＡｌ０．２８Ｇａ０．１９Ｉｎ０．５３Ａｓからなる厚さ４０ｎｍのバリア層１４Ｂ、アンドープのＩｎＰからなる厚さ２０ｎｍのキャップ層３０がこの順番に積層されている。次に、この半導体装置の製造方法について説明する。
【００３０】
基板１１の上に、バッファ層１２及び下地バリア層１４Ａを、成長温度６４０℃の条件でＭＯＣＶＤにより成長させる。下地バリア層１４Ａの上に、ＳＫモードによる自己形成法を用いて、ＩｎＡｓからなる複数の量子ドットを含む量子ドット層１４Ｑを形成する。量子ドット層１４Ｑは、２モノレイヤ分の原料を供給することにより、成長温度４８０℃の条件で形成される。各量子ドットの高さは４ｎｍ〜５ｎｍ程度である。量子ドット層１４Ｑを覆うように、アンドープのＡｌ０．２８Ｇａ０．１９Ｉｎ０．５３Ａｓからなるバリア層１４Ｂを、成長温度４８０℃の条件でＭＯＣＶＤにより成長させる。バリア層１４Ｂの上に、同じ温度で、ｎ型ＩｎＰからなるキャップ層３０をＭＯＣＶＤにより成長させる。
【００３１】
Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、及びＡｌ原料としてトリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）を用いる。Ｐ原料としてフォスフィン（ＰＨ３）、及びＡｓ原料としてアルシン（ＡｓＨ３）を用いる。
【００３２】
図６Ｂに、量子ドット層１４ＱからのＰＬスペクトルの測定結果を示す。波長１５００ｎｍ〜１９００ｎｍの範囲内で発光が得られていることがわかる。量子ドット層１４Ｑを被覆するバリア層１４Ｂの成長温度が、量子ドット層１４Ｑの形成温度と同じ４８０℃であるため、バリア層１４Ｂの成長時に、量子ドット層１４Ｑを形成する材料の再蒸発が起こらない。このため、量子ドットの消滅を防止することができる。
【００３３】
また、Ａｌ原料としてＴＥＡｌを用いているため、温度４８０℃程度の低温でも、高品質のバリア層１４Ｂを形成することができる。
【００３４】
図２〜図５に示した評価結果から、バリア層１４Ｂの成長温度を５１０℃以上に設定し、Ａｌ組成比を０よりも大きく、かつ０．４８以下の範囲内から選択することにより、高品質のバリア層１４Ｂが得られる。また、バリア層１４Ｂの成長温度を４８０℃以上に設定し、Ａｌ組成比を０よりも大きく、かつ０．２１以下の範囲内から選択することにより、高品質のバリア層１４Ｂが得られる。いずれの場合にも、量子ドット層１４Ｑを形成する材料の再蒸発を防止するために、バリア層１４Ｂの成長温度を５３０℃以下にすることが好ましい。
【００３５】
次に、図７Ａ〜図８を参照して、第２の実施例による量子ドットレーザ素子の製造方法について説明する。
【００３６】
図７Ａに、第２の実施例による量子ドットレーザ素子の、光の進行方向に垂直な断面図を示し、図７Ｂに、図７Ａの一点鎖線７Ｂ−７Ｂにおける断面図を示す。図７Ｂの一点鎖線７Ａ−７Ａにおける断面図が図７Ａに相当する。図８に、活性層の詳細な断面図を示す。
【００３７】
以下に説明する各半導体層の成長は、ＭＯＣＶＤにより行う。Ｉｎ原料としてＴＭＩｎを用い、Ｇａ原料としてＴＥＧａを用い、及びＡｌ原料としてＴＥＡｌを用いる。Ｐ原料としてＰＨ３を用い、Ａｓ原料としてＡｓＨ３を用いる。ｎ型ドーパントであるＳｉの原料としてＳｉＨ４を用い、ｐ型ドーパントであるＺｎの原料としてジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いる。キャリアガスとしてＨ２を用いる。
【００３８】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、（００１）面が露出したｎ型ＩｎＰからなる基板１１の上に、成長温度６３０℃で、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＩｎＰからなる厚さ３００ｎｍのバッファ層１２を成長させる。続いて、同じ成長温度で、Ｖ族原料をＡｓＨ３に切り替え、アンドープのＡｌ０．２８Ｇａ０．１９Ｉｎ０．５３Ａｓからなる厚さ３０ｎｍの下側光ガイド層１３を成長させる。その後、成長室内をＡｓＨ３雰囲気として基板温度を５１０℃まで低下させる。
【００３９】
図８に示すように、下側光ガイド層１３の形成時と同じ原料を供給して、アンドープのＡｌ０．２８Ｇａ０．１９Ｉｎ０．５３Ａｓからなる厚さ３０ｎｍの下地バリア層１４Ａを成長させる。Ｉｎ原料とＡｓ原料とを、２モノレイヤ分供給することにより、自己形成された多数の量子ドットを含む量子ドット層１４Ｑを形成する。量子ドットの各々の高さは、４ｎｍ〜５ｎｍ程度になる。Ａｌ原料とＧａ原料とを追加することにより、厚さ３０ｎｍのバリア層１４Ｂを成長させる。量子ドット層１４Ｑの形成とバリア層１４Ｂの成長とを、さらに９回繰り返す。これにより、合計１０層の量子ドット層１４Ｑが形成される。その後、成長室内をＡｓＨ３雰囲気として、基板温度を６００℃まで上昇させる。
【００４０】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、基板温度６００℃で、厚さ３０ｎｍの上側光ガイド層１５を成長させる。その上に、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のＺｎドープｐ型ＩｎＰからなる厚さ３００ｎｍのＩｎＰ層１８ａを成長させる。このＩｎＰ層１８ａは、図７Ａ及び図７Ｂに示したｐ型クラッド層１８の基板側の一部分を構成する。
【００４１】
このＩｎＰ層１８ａの上に、ＳｉＯ２からなる幅１．５μｍの帯状マスクパターン（図示せず）を形成する。帯状マスクパターンをエッチングマスクとして、少なくとも基板１１の表層部までエッチングし、高さ約１．５μｍのメサを残す。メサの両側にｐ型ＩｎＰからなる埋込層１６を選択成長させ、その上にｎ型ＩｎＰからなる電流ブロック層１７を選択成長させる。この後、ＳｉＯ２からなる帯状マスクパターンを除去し、ｐ型ＩｎＰ層１８ａを露出させる。
【００４２】
ｐ型ＩｎＰ層１８ａ及び電流ブロック層１７の上に、ｐ型ＩｎＰからなる厚さ３μｍのクラッド層１８を成長させる。さらにその上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍのコンタクト層１９を成長させる。
【００４３】
基板１１の底面に、ｎ側電極２１を形成し、コンタクト層１９の上に、ｐ側電極２２を形成する。ｎ側電極２１には、例えばＴｉＰｔＡｕ合金が用いられ、ｐ側電極２２には、例えばＡｕＺｎ合金が用いられる。
【００４４】
電極の形成後、光の進行方向の長さが３００μｍになるように、基板１１を劈開し、チップに分離する。チップの一方の端面に高反射膜２３を形成し、他方の端面に低反射膜２４を形成する。
【００４５】
第２の実施例においては、量子ドット層１４Ｑを覆うバリア層１４Ｂを、量子ドット層１４Ｑの成長温度と同じ温度で成長させている。このため、量子ドットの再蒸発を防止することができる。また、Ａｌ原料としてＴＥＡｌを用いているため、比較的低温でも、高品質のバリア層１４Ｂを形成することができる。各バリア層１４Ｂの表面モフォロジも良好である。このため、良好な結晶性を維持したまま、量子ドット層１４Ｑを多層化することが可能である。
【００４６】
バリア層１４ＢのＡｌ組成比は、０よりも大きく、０．４８以下の範囲とすることができる。量子ドットへの電子の十分な閉じ込め効果を得るするために、Ａｌ組成比を０．１５以上とすることが好ましい。図２〜図５を参照して説明したように、バリア層１４ＢのＡｌ組成比を０．２１よりも大きく、かつ０．４８以下の範囲内から選択する場合には、成長温度を５１０℃〜５３０℃の範囲内とすることが好ましい。また、バリア層１４ＢのＡｌ組成比を０よりも大きく、かつ０．２１以下の範囲内から選択する場合には、成長温度を４８０℃〜５３０℃の範囲内とすることが好ましい。
【００４７】
図９に、第３の実施例による量子ドットレーザ素子の活性層１４の断面図を示す。活性層１４以外の構成は、図７Ａ及び図７Ｂに示した第２の実施例による量子ドットレーザ素子の構成と同一である。
【００４８】
第２の実施例では、上下に隣り合う２層の量子ドット層１４Ｑの間に、１層のバリア層１４Ｂが配置されていたが、第３の実施例では、量子ドット層１４Ｑとバリア相１４Ｂとの間に、さらに補助バリア層１４Ｃが配置されている。量子ドット層１４Ｑの上面に接する補助バリア層１４ＣのＡｌ組成比が、その上のバリア層１４ＢのＡｌ組成比よりも小さい。例えば、補助バリア層１４ＣのＡｌ組成比は０．２１であり、上側のバリア層１４ＢのＡｌ組成比は０．２８である。補助バリア層１４Ｃの平坦面上における厚さは、量子ドットの高さとほぼ等しく、４ｎｍ〜５ｎｍ程度である。補助バリア層１４Ｃと上側のバリア層１４Ｂとの合計の厚さは３０ｎｍである。
【００４９】
次に、第３の実施例による量子ドットレーザ素子の活性層の形成方法について説明する。
【００５０】
下地バリア層１４Ａの成長条件は、第１の実施例のものと同一である。下地バリア層１４Ａを形成した後、ＡｓＨ３雰囲気内で、基板温度を４８０℃まで低下させる。基板温度４８０℃の条件で、Ｉｎ原料とＡｓ原料とを２モノレイヤ分供給し、量子ドット層１４Ｑを形成する。同じ温度で、補助バリア層１４Ｃを成長させる。その後、ＡｓＨ３雰囲気中で基板温度を５１０℃まで上昇させる。この温度条件で、上側のバリア層１４Ｂを成長させる。量子ドット層１４Ｑ、補助バリア層１４Ｃ、及び上側のバリア層１４Ｂの形成を、さらに９回繰り返す。その後の工程は、第１の実施例による製造方法と同一である。
【００５１】
補助バリア層１４ＣのＡｌ組成比を０．２１まで小さくすることにより、その成長温度を４８０℃まで低下させることができる。これに伴い、量子ドット層１４Ｑの成長温度も４８０℃程度まで低下させることができる。量子ドット層１４Ｑが補助バリア層１４Ｃで完全に被覆された後は、基板温度を上昇させても量子ドットの再蒸発は生じない。このため、上側のバリア層１４Ｂの成長温度を高くすることができる。これに伴い、上側のバリア層１４ＢのＡｌ組成比を大きくすることが可能になる。
【００５２】
補助バリア層１４ＣのＡｌ組成比を小さくすると、量子ドットと補助バリア層１４Ｃとの界面における伝導帯バンドオフセットが小さくなってしまう。このため、量子ドットへの電子の閉じ込め効果を高く維持するために、補助バリア層１４Ｃは、なるべく薄くすることが好ましい。ところが、薄くしすぎると、量子ドットの再蒸発を防止する効果が不十分になる。この相反する２つの要請を満足するために、補助バリア層１４Ｃの厚さは、平坦面上において４ｎｍ〜５ｎｍとすることが好ましい。
【００５３】
また、補助バリア層１４Ｃの成長温度を下げることが可能であるため、その下の量子ドット層１４Ｑの形成温度を下げることができる。このように、Ａｌ組成比の小さな補助バリア層１４Ｃを配置することにより、量子ドット層１４Ｑ形成時の温度条件の選択の自由度を高めることができる。
【００５４】
図１０に、第４の実施例による量子ドットレーザ素子の断面図を示す。基板１１の上に、ｎ型バッファ層１２、下側光ガイド層１３、活性層１４、上側光ガイド層１５、ｐ型クラッド層１８、及びｐ型コンタクト層１９が、この順番に積層されている。これらの材料及び形成条件は、第２の実施例による量子ドットレーザ素子の対応する層の材料及び形成条件と同一である。なお、活性層１４を、図９に示した第３の実施例による量子ドットレーザ素子の活性層１４と同じ構成としてもよい。
【００５５】
コンタクト層１９から基板１１の表層部まで達する溝が形成され、この溝内にＦｅドープＩｎＰからなる高抵抗埋込層２５が充填されている。コンタクト層１９及び高抵抗埋込層２５の上に、ｐ側電極２２が形成されている。基板１１の底面にｎ側電極２１が形成されている。
【００５６】
活性層１４は、第２または第３の実施例による製造方法と同一の方法で形成される。このため、第２または第３の実施例と同様の効果が得られる。
【００５７】
上記実施例では、ＭＯＣＶＤに用いるＡｌ原料としてＴＥＡｌを用いたが、下地バリア層１４Ａ及びそれよりも基板側の層は、量子ドット層１４Ｑの成長温度に制約されること無く高温で成長させることができる。このため、６００℃以上の成長温度でＡｌＧａＩｎＡｓを成長させる場合には、Ａｌ原料としてＴＭＡｌを用いることも可能である。
【００５８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】（１Ａ）及び（１Ｂ）は、それぞれＡｌ原料としてＴＭＡｌ及びＴＥＡｌを用いてＭＯＣＶＤにより成長させたＡｌＧａＩｎＡｓ膜の断面ＳＥＭ写真である。
【図２】ＭＯＣＶＤで成長させたＡｌＧａＩｎＡｓ膜の品質を評価するために作製した試料の断面図である。
【図３】作製した試料の断面ＳＥＭ写真である。
【図４】作製した試料のＰＬスペクトルを示すグラフである。
【図５】作製した試料のＰＬスペクトルを示すグラフである。
【図６】（６Ａ）は、第１の実施例による半導体装置の断面図であり、（６Ｂ）は、量子ドット層のＰＬスペクトルを示すグラフである。
【図７】（７Ａ）及び（７Ｂ）は、第２の実施例による量子ドットレーザ素子の断面図である。
【図８】第２の実施例による量子ドットレーザ素子の活性層の断面図である。
【図９】第３の実施例による量子ドットレーザ素子の活性層の断面図である。
【図１０】第４の実施例による量子ドットレーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  基板
２  バッファ層
３  バリア層
４  被評価層
５  バリア層
６  キャップ層
１１  基板
１２  バッファ層
１３  下側光ガイド層
１４  活性層
１４Ａ  下地バリア層
１４Ｂ  バリア層
１４Ｃ  補助バリア層
１４Ｑ  量子ドット層
１５  上側光ガイド層
１６  ｐ型埋込層
１７  ｎ型電流ブロック層
１８  ｐ型クラッド層
１９  ｐ型コンタクト層
２１  ｎ側電極
２２  ｐ側電極
２３  高反射膜
２４  低反射膜
２５  高抵抗埋込層
３０  キャップ層
【図２】
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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１】
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【図３】
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