(57)【要約】【課題】均一なサイズを有する量子ドットを含む半導体光素子の製造方法を提供する。【解決手段】バッファ層、クラッド層、バリア層、活性層、バリア層、クラッド層およびコンタクト層を基板上に順次積層したサンプルの温度を１分で室温から熱処理温度（＝７００〜９５０℃）まで昇温し、サンプルを熱処理温度（＝７００〜９５０℃）で１分間、熱処理し、その後、サンプルを室温まで冷却する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の温度で量子ドットを含む活性層を形成する第１のステップと、
前記活性層の温度を前記量子ドットの存在を確保可能である基準昇温レート以上の昇温レートで前記第１の温度よりも高い第２の温度へ昇温する第２のステップと、
前記量子ドットおよび前記キャップ層を前記第２の温度で熱処理する第３のステップとを備える半導体光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１のステップは、
前記基板上に前記第１の温度で前記量子ドットを形成する第１のサブステップと、
前記量子ドットを覆うキャップ層を前記第１の温度で形成する第２のサブステップと、
前記第１および第２のサブステップを複数回繰り返し実行する第３のサブステップとを含む、請求項１に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１のサブステップにおいて、インジウム砒素からなる量子ドットが形成され、
前記第２のサブステップにおいて、ガリウム砒素からなるキャップ層が形成される、請求項２に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１のサブステップにおいて、インジウム砒素からなる量子ドットが形成され、
前記第２のサブステップにおいて、インジウムガリウム砒素からなるキャップ層が形成される、請求項２に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
前記第３のステップにおける熱処理時間は、前記第２のステップにおいて、前記活性層の温度を前記第２の温度へ昇温するのに必要な時間に略等しい、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体光素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術に代表される半導体製造技術の進展によって、集積度の向上に加えて、量子サイズ効果を利用した量子ドットレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｌａｓｅｒ）、および単一電子トランジスタ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のデバイスが提案されている。
【０００３】
特に、電子のド・ブロイ波長と同程度の寸法（大きさ）を有する量子ドットは、その中に電子を０次元的に閉じ込め、電子のエネルギー準位を離散化、即ち、状態密度をデルタ関数とすることが可能となる。量子ドットは、このような電子の閉じ込め効果（量子サイズ効果）が多岐に渡り顕在化されるため、従来の枠を超越した性能を有するデバイスの基本構造として脚光を浴びている。
【０００４】
このような量子ドットを形成する方法として、Ｓ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｙ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モード成長法と呼ばれる自己形成方法が広く知られている（非特許文献１）。通常、薄膜を基板上に形成する場合、その双方の格子定数が一致する基板と薄膜とを用いる必要がある。これは、格子定数が大きく相違すると、エピタキシャル成長時に歪力が生じるため、欠損が生じて薄膜の平面構造が不均一になるためである。
【０００５】
Ｓ−Ｋモード成長法は、上述した薄膜形成における原則とは逆に、格子定数が大きく異なる材料、例えば、基板よりも格子定数が大きい薄膜をエピタキシャル成長させ、エピタキシャル成長時に生じる歪力を積極的に利用して、基板に量子ドットを自己成長させようとする方法である。
【０００６】
Ｓ−Ｋモード成長法を利用して、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板の表面に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法により砒素（Ａｓ）分子とインジウム（Ｉｎ）分子とを連続的に供給することにより、均一性に優れた量子ドットを形成することができる。
【０００７】
このような方法により、ＩｎＡｓからなる量子ドットをＧａＡｓからなるキャップ層で覆った量子ドットを活性層に用いた量子ドットレーザが作製されている。そして、この量子ドットレーザは、その発振波長が１．１μｍ〜１．２μｍの範囲である。
【０００８】
一方、インジウムリン（ＩｎＰ）からなる基板上に、インジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）を用いて量子井戸を形成し、その形成した量子井戸を活性層とした量子井戸半導体レーザが知られている。そして、この量子井戸半導体レーザは、その発振波長が１．３μｍまたは１．５μｍである。この１．３μｍまたは１．５μｍの発振波長は、光ファイバーを用いた光通信にとって長距離通信が可能な発振波長である。
【非特許文献１】ディー・レオナルド（D. Leonard）他４名著，「応用物理学論文集vol.63（Applied Physics Letters Volume 63）」，  １９９３年１２月６日，ｐｐ．３２０３−３２０５．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の量子ドットレーザにおいては、活性層に用いる量子ドットのサイズを均一化するのが困難であるという問題がある。
【００１０】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、均一なサイズを有する量子ドットを含む半導体光素子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】
【００１１】
この発明によれば、半導体光素子の製造方法は、基板上に第１の温度で量子ドットを含む活性層を形成する第１のステップと、活性層の温度を量子ドットの存在を確保可能である基準昇温レート以上の昇温レートで第１の温度よりも高い第２の温度へ昇温する第２のステップと、量子ドットおよびキャップ層を第２の温度で熱処理する第３のステップとを備える。
【００１２】
好ましくは、第１のステップは、基板上に第１の温度で量子ドットを形成する第１のサブステップと、量子ドットを覆うキャップ層を第１の温度で形成する第２のサブステップと、第１および第２のサブステップを複数回繰り返し実行する第３のサブステップとを含む。
【００１３】
好ましくは、第１のサブステップにおいて、インジウム砒素からなる量子ドットが形成される。また、第２のサブステップにおいて、ガリウム砒素からなるキャップ層が形成される。
【００１４】
好ましくは、第１のサブステップにおいて、インジウム砒素からなる量子ドットが形成される。また、第２のサブステップにおいて、インジウムガリウム砒素からなるキャップ層が形成される。
【００１５】
好ましくは、第３のステップにおける熱処理時間は、第２のステップにおいて、活性層の温度を第２の温度へ昇温するのに必要な時間に略等しい。
【発明の効果】
【００１６】
この発明においては、量子ドットの存在を確保可能である基準昇温レート以上の昇温レートでサンプルの温度を熱処理温度まで昇温し、サンプルを熱処理する。その結果、量子ドットの存在を確保したまま、量子ドットとキャップ層との間で原子の拡散が生じ、量子ドットが再構成される。そして、フォトルミネッセンスのピークの半値幅が減少する。
【００１７】
従って、この発明によれば、均一なサイズを有する量子ドットを含む半導体光素子を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１９】
図１は、この発明の実施の形態による半導体光素子の断面構造図である。この発明の実施の形態による半導体光素子１０は、負極電極１と、基板２と、バッファ層３と、クラッド層４，８と、バリア層５，７と、活性層６と、コンタクト層９と、正極電極１１とを備える。
【００２０】
負極電極１は、基板２の一主面に形成される。バッファ層３は、負極電極１と反対側の基板２の一主面に形成される。クラッド層４は、バッファ層３上にバッファ層３に接して形成される。
【００２１】
バリア層５は、クラッド層４上にクラッド層４に接して形成される。活性層６は、バリア層５上にバリア層５に接して形成される。バリア層７は、活性層６上に活性層６に接して形成される。クラッド層８は、バリア層７上にバリア層７に接して形成される。コンタクト層９は、クラッド層８上にクラッド層８に接して形成される。正極電極１１は、コンタクト層９上にコンタクト層９に接して形成される。
【００２２】
負極電極１は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる。基板２は、シリコン（Ｓｉ）がドープされた（１００）面を有するＧａＡｓからなる。バッファ層３は、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＡｓからなる。クラッド層４は、１×１０１７ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓからなる。
【００２３】
バリア層５，７の各々は、ノンドープのＧａＡｓからなる。クラッド層８は、５×１０１７ｃｍ−３のベリリウム（Ｂｅ）がドープされたｐ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓからなる。コンタクト層９は、２×１０１９ｃｍ−３よりも多くのＢｅがドープされたｐ型ＧａＡｓからなる。正極電極１１は、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕからなる。
【００２４】
バッファ層３の膜厚は、２００ｎｍであり、クラッド層４の膜厚は、５００ｎｍであり、バリア層５，７の各々の膜厚は、７５ｎｍであり、クラッド層８の膜厚は、２５０ｎｍであり、コンタクト層９の膜厚は、２０ｎｍである。
【００２５】
負極電極１の膜厚は、全体で０．６μｍである。そして、負極電極１を構成するＡｕＧｅの膜厚は、０．１５μｍであり、Ｎｉの膜厚は、０．０５μｍであり、Ａｕの膜厚は、０．４μｍである。正極電極１１の膜厚は、全体で０．３２μｍである。そして、正極電極１１を構成するＡｕの膜厚は、０．０１μｍであり、Ｚｎの膜厚は、０．０１μｍであり、Ａｕの膜厚は０．３μｍである。
【００２６】
図２は、図１に示す活性層６の拡大断面図である。活性層６は、６個の量子ドット層６１からなる。そして、６個の量子ドット層６１は、順次積層される。
【００２７】
６個の量子ドット層６１の各々は、量子ドット６１１と、キャップ層６１２とからなる。キャップ層６１２は、量子ドット６１１を覆う。量子ドット６１１は、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）からなり、３０〜４２ｎｍの範囲のサイズを有する。キャップ層６１２は、ＧａＡｓからなる。
【００２８】
ＩｎＡｓのバンドギャップは、０．３６ｅＶであり、ＧａＡｓのバンドギャップは、１．４２ｅＶである。
【００２９】
量子ドット６１１は、ＩｎＡｓが２．４モノレイヤー（１モノレイヤー：略０．５ｎｍ）で結晶成長されて形成される。キャップ層６１２の膜厚は、３５ｎｍである。
【００３０】
図３は、半導体光素子１０のクラッド層４、バリア層５、活性層６、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布を示す図である。クラッド層４，８は、Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓから成るので、屈折率が最も小さい。バリア層５，７は、ＧａＡｓからなるので、クラッド層４，８よりも大きい屈折率を有する。活性層６は、ＩｎＡｓおよびＧａＡｓから成るので、最も大きい屈折率を有する。
【００３１】
このように、クラッド層４、バリア層５、活性層６、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布は、活性層６を中心にして対称になる。その結果、活性層６において誘導放出により発生した光は、両側に設けられたバリア層５，７およびクラッド層４，８によって光学的に閉じ込められ、レーザ発振のためのしきい値が低下する。
【００３２】
図４は、量子ドット層６１におけるエネルギーバンド図である。図４において、キャップ層６１２→量子ドット６１１→キャップ層６１２へ向かう方向は、図１に示す断面図において、基板２に垂直な方向ではなく、基板２の面内方向ＤＲ１である。
【００３３】
ＧａＡｓ（キャップ層６１２）の伝導帯Ｅｃ１と価電子帯Ｅｖ１とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ１に相当し、ＩｎＡｓ（量子ドット６１１）の伝導帯Ｅｃ２と価電子帯Ｅｖ２とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ２に相当する。
【００３４】
そして、キャップ層６１２を構成するＧａＡｓは、Ｅｇ１＝１．４２ｅＶのバンドギャップを有し、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓは、Ｅｇ２＝０．３６ｅＶのバンドギャップを有する。量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓの伝導帯Ｅｃ２は、キャップ層６１２の伝導帯Ｅｃ１よりもエネルギー的に低く、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓの価電子帯Ｅｖ２は、キャップ層６１２の価電子帯Ｅｖ１よりもエネルギー的に低い。
【００３５】
そうすると、キャップ層６１２（＝ＧａＡｓ）の伝導帯Ｅｃ１に存在する電子は、エネルギー的により安定な量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動し、キャップ層６１２（＝ＧａＡｓ）の価電子帯Ｅｖ１に存在する正孔は、エネルギー的により安定な量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動する。
【００３６】
そして、エネルギー差ΔＥｃが伝導帯側に存在し、エネルギー差ΔＥｖが価電子帯側に存在するので、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動した電子および正孔は、熱励起によって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）からキャップ層６１２（＝ＧａＡｓ）へ移動することができず、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）中に閉じ込められる。
【００３７】
その結果、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の伝導帯Ｅｃ２側には、電子のサブ準位Ｅｓｕｂ１が形成され、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の価電子帯Ｅｖ２側には、正孔のサブ準位Ｅｓｕｂ２が形成される。
【００３８】
サブ準位Ｅｓｕｂ１およびサブ準位Ｅｓｕｂ２は、それぞれ、次の式（１）および式（２）によって表される。
【００３９】
【数１】
2009146978.tif 000003
【００４０】
【数２】
2009146978.tif 000004
【００４１】
サブ準位Ｅｓｕｂ１に存在する電子は、サブ準位Ｅｓｕｂ２に存在する正孔と再結合し、サブ準位Ｅｓｕｂ１とサブ準位Ｅｓｕｂ２とのエネルギー差に相当するエネルギーｈνを有する光を発する。そして、再結合によって発生した光により誘導放射が生じ、最終的にレーザ発振に至る。
【００４２】
式（１）および式（２）から明らかなように、サブ準位Ｅｓｕｂ１，Ｅｓｕｂ２は、量子ドット６１１のサイズｄによって決定されるので、複数の量子ドット６１１のサイズｄがばらつけば、各量子ドット６１１におけるサブ準位Ｅｓｕｂ１，Ｅｓｕｂ２もばらつき、量子ドット６１１中で発光する光の波長λは、ばらつく。
【００４３】
そこで、この発明においては、量子ドット６１１のサイズを均一化することによって、均一な発振波長を有する半導体光素子１０を製造することにしたものである。
【００４４】
図５から図７は、それぞれ、図１に示す半導体光素子１０の製造工程を示す第１から第３の工程図である。
【００４５】
半導体光素子１０を構成するバッファ層３、クラッド層４，８、バリア層５，７、活性層６およびコンタクト層９は、ＭＢＥにより形成される。まず、Ｓｉがドープされた（１００）面を有するＧａＡｓからなる基板２が真空チャンバへ導入され、真空チャンバは、約１．３３×１０−８Ｐａまで真空排気される。
【００４６】
そして、基板２の温度は、５４０℃の範囲に設定され、１．１７×１０−３Ｐａの圧力において、Ｇａ、ＡｓおよびＳｉが固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｓｉからそれぞれ基板２の一主面に照射され、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＡｓが基板２上に２００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｎ型ＧａＡｓの成長速度は、５５０ｎｍ／時間である。これにより、基板２上にバッファ層３が形成される（図５の（ａ）参照）。
【００４７】
その後、１．１７×１０−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＳｉが固体Ａｌ、固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｓｉからそれぞれバッファ層３の表面に照射され、１×１０１７ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓがバッファ層３上に５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｎ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓの成長速度は、７６４ｎｍ／時間である。
【００４８】
ｎ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓがバッファ層３上に５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長されると、ＡｌおよびＳｉの照射がシャッタにより停止され、１．１７×１０−３Ｐａの圧力において、ノンドープのＧａＡｓが７５ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ノンドープのＧａＡｓの成長速度は、５５０ｎｍ／時間である。
【００４９】
これにより、クラッド層４およびバリア層５がバッファ層３上に順次堆積される（図５の（ｂ）参照）。
【００５０】
その後、後に詳述する方法によって、活性層６がバリア層５上に形成される（図５の（ｃ）参照）。
【００５１】
そして、活性層６が形成されると、１．１７×１０−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓが固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ活性層６の表面に照射され、ノンドープのＧａＡｓが活性層６上に７５ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ノンドープのＧａＡｓの成長速度は、５５０ｎｍ／時間である。これにより、バリア層７が活性層６上に形成される。
【００５２】
その後、１．１７×１０−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅが固体Ａｌ、固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体ベリリウム（Ｂｅ）からそれぞれバリア層７の表面に照射され、５×１０１７ｃｍ−３のＢｅがドープされたｐ型Ａｌ０．２８Ｇｓ０．７２Ａｓがバリア層７上に２５０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。これにより、クラッド層８がバリア層７上に形成される。この場合、ｐ型Ａｌ０．２８Ｇｓ０．７２Ａｓの成長速度は、７６４ｎｍ／時間である。
【００５３】
引続いて、１．１７×１０−３Ｐａの圧力において、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅが固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｂｅからそれぞれクラッド層８の表面に照射され、２×１０１９ｃｍ−３よりも多いＢｅがドープされたｐ型ＧａＡｓがクラッド層８上に２０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｐ型ＧａＡｓの成長速度は、５５０ｎｍ／時間である。これにより、コンタクト層９がクラッド層８上に形成される（図６の（ｄ）参照）。
【００５４】
そして、基板２／バッファ層３／クラッド層４／バリア層５／活性層６／バッファ層７／クラッド層８／コンタクト層９からなるサンプルは、後述する方法によって、熱処理される（図６の（ｅ）参照）。
【００５５】
その後、基板２の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなる負極電極１が形成され、コンタクト層９の上にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕよりなる正極電極１１が形成される。
【００５６】
これによって、半導体光素子１０が完成する（図７の（ｆ）参照）。
【００５７】
図８は、図５の（ｃ）に示す工程において行なわれる活性層６の形成過程を示す工程図である。
【００５８】
図５の（ｂ）に示す工程によってバリア層５が形成されると、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、ＡｓおよびＩｎがそれぞれ固体Ａｓおよび固体Ｉｎから連続的にバリア層５の表面に照射され、ＩｎＡｓ膜６００が１．７モノレイヤーまで堆積される（図８の（ｃ１）参照）。
【００５９】
この１．７モノレイヤーは、ＩｎＡｓが下地であるバリア層５のＧａＡｓの格子定数（０．５６ｎｍ）と整合するように均一に２軸性結晶歪を受けた状態で２次元的に成長する臨界膜厚（Ｔｃ）である。
【００６０】
そして、ＩｎＡｓが２．４モノレイヤーまで結晶成長すると、ＩｎＡｓ膜６００の全面に歪が生じるよりも、グレインを局所的に発生させる方が結晶学的に安定化する。従って、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するまで、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に連続的に照射される。
【００６１】
そうすると、グレイン６１０がＩｎＡｓ膜６００の表面に形成される（図８の（ｃ２）参照）。
【００６２】
その後、固体Ｉｎに取付けられたシャッタを開閉して、ＩｎＡｓ換算で２．４モノレイヤーになるまでＩｎのバリア層５の表面への供給／停止を繰返す。
【００６３】
そうすると、固体Ｉｎに取付けられたシャッタが開いているとき、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に供給されるため、ＩｎＡｓ膜６００の表面に発生したグレイン６１０が成長し、固体Ｉｎに取付けられたシャッタが閉じているとき、Ａｓのみがバリア層５の表面に供給されるので、グレイン６１０は成長しない。
【００６４】
この場合、Ｉｎのバリア層５の表面への供給を停止する停止時間をＩｎをバリア層５の表面に供給する供給時間よりも長くする。その結果、バリア層５の表面に照射されたＩｎがグレイン６１０に到達する確率が高くなり、グレイン６１０は、大きく成長する。そして、最終的に、量子ドット６１１がバリア層５上に形成される（図８の（ｃ３）参照）。この場合、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の成長速度は、０．１１８モノレイヤー／秒である。
【００６５】
このように、量子ドット６１１は、ＡｓおよびＩｎの連続供給と、Ｉｎの間欠供給とにより形成される。
【００６６】
量子ドット６１１がバリア層５上に形成されると、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ量子ドット６１１の表面に供給され、ＧａＡｓが３５ｎｍの膜厚に結晶成長される。これによって、キャップ層６１２が量子ドット６１１を覆うように形成される（図８の（ｃ４）参照）。
【００６７】
以後、図８に示す工程（ｃ１）〜（ｃ４）を５回繰返して活性層６が形成される。
【００６８】
図９は、図６の（ｅ）に示す熱処理における温度プロファイルを示す図である。なお、図９に示す温度プロファイルは、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）による熱処理の温度プロファイルである。
【００６９】
図６の（ｅ）において、基板２／バッファ層３／クラッド層４／バリア層５／活性層６／バリア層７／クラッド層８／コンタクト層９からなるサンプルは、図９に示す温度プロファイルを用いて熱処理される。
【００７０】
すなわち、サンプルの温度は、室温から７００〜９５０℃まで１分で昇温され、その後、１分間、７００〜９５０℃に保持され、その後、急激に冷却される。この場合、サンプルの実際の温度は、１８〜２６秒の遅延時間を伴って７００〜９５０℃に達し、熱処理が終了した後、７０〜７６秒で７００〜９５０℃から５３０℃まで降温され、４０分の遅延時間を伴って７００〜９５０℃から室温まで降温される。
【００７１】
このように、この発明においては、７００〜９５０℃におけるサンプルの熱処理時間を、サンプルの温度を室温から７００〜９５０℃まで昇温させるのに要する時間に略等しく設定して熱処理が行なわれる。
【００７２】
また、この発明においては、サンプルの作成温度（＝５４０℃）よりも高い熱処理温度（＝７００〜９５０℃）に設定してサンプルの熱処理が行なわれる。
【００７３】
図１０は、ＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）強度と波長との関係を示す図である。図１０において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ１〜ｋ７は、それぞれ、熱処理をしないサンプルのＰＬ強度、７００℃で熱処理したサンプルのＰＬ強度、７５０℃で熱処理したサンプルのＰＬ強度、８００℃で熱処理したサンプルのＰＬ強度、８５０℃で熱処理したサンプルのＰＬ強度、９００℃で熱処理したサンプルのＰＬ強度、および９５０℃で熱処理したサンプルのＰＬ強度を示す。
【００７４】
熱処理を行なわない場合、フォトルミネッセンスのピーク波長は、約１０７０ｎｍであるが（図１０の曲線ｋ１参照）、熱処理温度を７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃、９００℃および９５０℃と上昇すると、フォトルミネッセンスのピーク波長は、短波長側へシフトし、９５０℃で熱処理を行なったサンプルにおいて、約８５０ｎｍのピーク波長が得られた（図１０の曲線ｋ２〜ｋ７参照）。
【００７５】
このように、ＲＴＡによる熱処理の温度を７００℃から９５０℃へ上昇することによって、フォトルミネッセンスのピーク波長が短波長側へ大きくシフトする。
【００７６】
図１１は、図１０に示す曲線ｋ７の拡大図である。図１０において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。なお、図１１に示すＰＬ強度は、励起光のパワーが１２．５ｍＷであるときのＰＬ強度である。
【００７７】
図１０に示す曲線ｋ７は、曲線ｋ７１と曲線ｋ７２とに分解できる。そして、曲線ｋ７１は、約８４８ｎｍのピーク波長を有し、曲線ｋ２は、約８４０ｎｍのピーク波長を有する。
【００７８】
従って、９５０℃で熱処理したサンプルのフォトルミネッセンスは、２つのピーク波長を有する。
【００７９】
この約８４０ｎｍのピークは、基底状態に起因したフォトルミネッセンスのピークから約１２ｍｅＶだけ高エネルギー側へシフトしている。このことは、９５０℃という高い温度で熱処理した場合にも、量子ドットが存在していることを意味する。
【００８０】
上述したように、ＲＴＡによる熱処理を行なうことによって、フォトルミネッセンスのピーク波長は、短波長側へシフトするが、これは、量子ドット６１１の存在を確保しながら、量子ドット６１１とキャップ層６１２との間でＧａ等の原子が拡散し、量子ドット６１１が再構成されるからである。より具体的には、量子ドット６１１は、ＩｎＡｓからなり、キャップ層６１２は、ＧａＡｓからなるので、熱処理によって、キャップ層６１２中のＧａが量子ドット６１１中へ拡散し、量子ドット６１１がＩｎＧａＡｓによって再構成される。その結果、量子ドット６１１のバンドギャップが大きくなり、フォトルミネッセンスのピーク波長が短波長側へシフトする。
【００８１】
図１２は、図１０に示す曲線ｋ７の他の拡大図である。図１２において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ８１〜ｋ８７は、それぞれ、励起光のパワーが１００Ｉ、５０Ｉ、２５Ｉ、１３Ｉ、５Ｉ、３Ｉおよび１ＩであるときのＰＬ強度を示す。そして、１００Ｉ、５０Ｉ、２５Ｉ、１３Ｉ、５Ｉ、３Ｉおよび１Ｉの励起光パワーは、それぞれ、２５ｍＷ、１２．５ｍＷ、６．２５ｍＷ、３．２５ｍＷ、１．２５ｍＷ、０．７５ｍＷおよび０．０１ｍＷのパワーに相当する。
【００８２】
９５０℃でＲＴＡ処理したサンプルのＰＬ強度は、励起光のパワーが１Ｉ、３Ｉ、５Ｉおよび１３Ｉと低い場合には、約８４７ｎｍのみにピークを有する（曲線ｋ８４〜ｋ８７参照）。この約８４７ｎｍのピークは、基底状態からの発光である。
【００８３】
そして、９５０℃でＲＴＡ処理したサンプルのＰＬ強度は、２５Ｉ、５０Ｉおよび１００Ｉの励起光のパワーにおいて、２つのピークを有する（曲線ｋ８１〜ｋ８３参照）。
【００８４】
図１２において、矢印によって示す高エネルギー側のピークは、励起光のパワーが２５Ｉ、５０Ｉおよび１００Ｉと強くなるに従って強くなる。これは、サンプルを９５０℃の高温でＲＴＡ処理しても、量子ドットが存在していることを意味する。
【００８５】
このように、量子ドットを含むサンプルは、量子井戸を含むサンプルと異なる光学特性を示す。これは、状態密度関数の違いによるものであり、量子ドットにおける励起準位は、キャリアによって占有され、ＰＬ強度における追加のピークになるが、量子井戸においては、サブバンドエッジ間に存在する連続的な準位のために量子ドットのような効果は観測されない。
【００８６】
図１３は、この発明の実施の形態による他の半導体光素子の断面構造図である。この発明による実施の形態による半導体光素子は、図１３に示す半導体光素子１０Ａであってもよい。
【００８７】
半導体光素子１０Ａは、図１に示す半導体光素子１０の活性層６を活性層６Ａに代えたものであり、その他は、半導体光素子１０と同じである。活性層６Ａは、バリア層５，７間にバリア層５，７に接して形成される。
【００８８】
図１４は、図１３に示す活性層６Ａの拡大断面図である。活性層６Ａは、６個の量子ドット層６１Ａと、５個の間隙層６２とからなる。そして、６個の量子ドット層６１Ａおよび５個の間隙層６２は、交互に積層される。
【００８９】
６個の量子ドット層６１Ａの各々は、量子ドット６１１と、キャップ層６１２Ａとからなる。キャップ層６１２Ａは、量子ドット６１１を覆う。キャップ層６１２Ａは、インジウムガリウム砒素（ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ，ｙ＝０．０１〜０．６）からなる。
【００９０】
ＩｎＡｓのバンドギャップは、０．３６ｅＶであり、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓのバンドギャップは、インジウムＩｎの含有量ｙ＝０．０１〜０．６に対して１．４１３〜０．７８５６ｅＶの範囲である。
【００９１】
キャップ層６１２Ａの膜厚は、６ｎｍである。
【００９２】
５個の間隙層６２の各々は、ＧａＡｓからなり、３５ｎｍの膜厚を有する。
【００９３】
半導体光素子１０Ａにおけるクラッド層４、バリア層５、活性層６Ａ、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布は、図３に示す屈折率の分布と同じである。
【００９４】
また、半導体光素子１０Ａは、図５から図７に示す工程（ａ）〜（ｆ）に従って製造される。
【００９５】
図１５は、図５の（ｃ）において行なわれる活性層の他の形成過程を示す工程図である。図１４に示す活性層６Ａは、図１５に示す工程（ｃ１）〜（ｃ３），（ｃ５），（ｃ６）に従って形成される。
【００９６】
上述した工程（ｃ１）〜（ｃ３）が順次実行された後、１．１７×１０−３Ｐａの圧力において、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｉｎ、固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ量子ドット６１１の表面に供給され、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓが６ｎｍの膜厚に結晶成長される。これによって、キャップ層６１２Ａが量子ドット６１１を覆うように形成される（図１５の（ｃ５）参照）。
【００９７】
その後、１．１７×１０−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれキャップ層６１２Ａの表面に供給され、ＧａＡｓが３５ｎｍの膜厚に結晶成長される。これによって、間隙層６２が形成される（図１５の（ｃ６）参照）。
【００９８】
以後、図１５に示す工程（ｃ１）〜（ｃ３），（ｃ５），（ｃ６）を５回繰返して活性層６Ａが形成される。
【００９９】
図１６は、図１３に示す半導体光素子１０ＡのＰＬ強度を示す図である。図１６において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ８は、ＲＴＡによる熱処理を行なわないサンプルのＰＬ強度を示し、曲線ｋ９〜ｋ１４は、それぞれ、７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃、９００℃および９５０℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルのＰＬ強度を示す。
【０１００】
ＲＴＡによる熱処理を行なわないサンプルは、フォトルミネッセンスのピーク波長が１１８７ｎｍであり（曲線ｋ８参照）、７００℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、フォトルミネッセンスのピーク波長が１１８５ｎｍであり（曲線ｋ９参照）、７５０℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、フォトルミネッセンスのピーク波長が１１２２ｎｍであり（曲線ｋ１０参照）、８００℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、フォトルミネッセンスのピーク波長が１０７７ｎｍである（曲線ｋ１１参照）。
【０１０１】
また、８５０℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、フォトルミネッセンスのピーク波長が１０１３ｎｍおよび９８４ｎｍであり（曲線ｋ１２参照）、９００℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、フォトルミネッセンスのピーク波長が９１５ｎｍおよび９０４ｎｍであり（曲線ｋ１３参照）、９５０℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、フォトルミネッセンスのピーク波長が８７０ｎｍである（曲線ｋ１４参照）。
【０１０２】
このように、ＩｎＡｓからなる量子ドット６１１をＩｎＧａＡｓからなるキャップ層６１２Ａでキャップした半導体光素子１０Ａにおいても、ＲＴＡによる熱処理の温度を７００℃から９５０℃へ上昇させることによって、フォトルミネッセンスのピーク波長は、短波長側へシフトする。
【０１０３】
なお、半導体光素子１０Ａにおいて、ＲＴＡによる熱処理によってフォトルミネッセンスのピーク波長が短波長側へシフトする理由は、半導体光素子１０において、ＲＴＡによる熱処理によってフォトルミネッセンスのピーク波長が短波長側へシフトする理由と同じである。
【０１０４】
図１７は、フォトルミネッセンスの積分強度とアニール温度との関係を示す図である。図１７において、縦軸は、フォトルミネッセンスの積分強度を表し、横軸は、アニール温度を表す。また、曲線ｋ１５は、ＧａＡｓによって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）をキャップしたサンプルにおけるフォトルミネッセンスの積分強度とアニール温度との関係を示し、曲線ｋｌ６は、ＩｎＧａＡｓによって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）をキャップしたサンプルにおけるフォトルミネッセンスの積分強度とアニール温度との関係を示す。
【０１０５】
ＧａＡｓによって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）をキャップした場合、８００℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、ＲＴＡによる熱処理を行なわないサンプルに対してフォトルミネッセンスの積分強度が２倍になる（曲線ｋ１５参照）。
【０１０６】
一方、ＩｎＧａＡｓによって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）をキャップした場合、９５０℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、ＲＴＡによる熱処理を行なわないサンプルに対してフォトルミネッセンスの積分強度が１．６倍になり、８５０℃でＲＴＡによる熱処理を行なったサンプルは、ＲＴＡによる熱処理を行なわないサンプルに対してフォトルミネッセンスの積分強度が５倍になる（曲線ｋ１６参照）。
【０１０７】
このように、ＲＴＡによる熱処理を行なうことによって、量子ドット６１１を含むサンプルのフォトルミネッセンスの積分強度は、大きくなる。
【０１０８】
図１８は、フォトルミネッセンスのピークの半値幅とアニール温度との関係を示す図である。図１８において、縦軸は、フォトルミネッセンスのピークの半値幅を表し、横軸は、アニール温度を表す。また、曲線ｋ１７は、ＧａＡｓによって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）をキャップしたサンプルにおけるフォトルミネッセンスのピークの半値幅とアニール温度との関係を示し、曲線ｋｌ８は、ＩｎＧａＡｓによって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）をキャップしたサンプルにおけるフォトルミネッセンスのピークの半値幅とアニール温度との関係を示す。
【０１０９】
量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）をＧａＡｓによってキャップしたサンプルおよび量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）をＩｎＧａＡｓによってキャップしたサンプルの両方において、フォトルミネッセンスのピークの半値幅は、７００℃のアニール温度で５８ｍｅＶであり、７５０℃のアニール温度で最も大きくなり、アニール温度を７５０℃よりも高くすることによって減少し、９５０℃のアニール温度で９ｍｅＶになる（曲線ｋ１７，ｋ１８参照）。
【０１１０】
このように、フォトルミネッセンスのピークの半値幅は、アニール温度を高くすることによって、５８ｍｅＶから９ｍｅＶまで減少する。
【０１１１】
このフォトルミネッセンスのピークの半値幅の減少は、アニールによって量子ドット６１１のサイズが均一化したことを意味する。
【０１１２】
図１９は、フォトルミネッセンスのピークエネルギーとアニール温度との関係を示す図である。図１９において、縦軸は、フォトルミネッセンスのピークエネルギーを表し、横軸は、アニール温度を表す。また、曲線ｋ１９は、基底状態における光放射のピークエネルギーとアニール温度との関係を示し、曲線ｋ２０は、第１励起状態における光放出のピークエネルギーとアニール温度との関係を示す。
【０１１３】
基底状態と第１励起状態とのエネルギー差は、アニール温度に依存して７５ｍｅＶから１６ｍｅＶまで幅広く分布する（曲線ｋ１９，ｋ２０参照）。これは、量子ドット６１１とキャップ層６１２，６１２Ａとの界面における原子の拡散によるものである。
【０１１４】
従って、半導体光素子１０，１０Ａは、赤外領域の光検出器または量子ドットレーザとして用いることができる。
【０１１５】
図２０は、ウェハの斜視図である。図５および図６に示す工程（ａ）〜（ｄ）に従って、バッファ層３、クラッド層４、バリア層５、活性層６，６Ａ、バリア層７、クラッド層８およびコンタクト層９を基板２０上に順次積層したウェハ２０を作成する。
【０１１６】
そして、例えば、チップ２１，２２をウェハ２０から切り出し、チップ２１を８００℃でアニールし、チップ２２を８５０℃でアニールする。その後、チップ２１，２２の裏面および表面にそれぞれ負極電極１および正極電極１１を形成する。
【０１１７】
上述したように、ＲＴＡによる熱処理温度を変えることによってフォトルミネッセンスのピーク波長が異なるので、上述した方法によって作成したチップ２１，２２は、相互に異なる特性を有する半導体光素子になる。
【０１１８】
これによって、１枚のウェハ２０から特性が異なる複数の半導体光素子を作製できる。
【０１１９】
上記においては、ＲＴＡによる熱処理を行なう場合、室温から熱処理温度（＝７００〜９５０℃）まで１分で昇温すると説明したが、この発明においては、これに限らず、ＲＴＡによる熱処理を行なう場合の昇温レートは、量子ドット６１１の存在を確保可能な昇温レート（＝基準昇温レート）以上であればよい。
【０１２０】
熱処理温度（＝７００〜９５０℃）は、量子ドット６１１の形成温度（＝５４０℃）よりも高いため、昇温レートが遅い場合、量子ドット６１１とキャップ層６１２，６１２Ａとの間でＧａ等の原子が相互に拡散し、量子ドット６１１が破壊される。従って、量子ドット６１１の存在を確保してアニールするには、ある程度の昇温レートでサンプルを昇温する必要があるからである。
【０１２１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
この発明は、均一なサイズを有する量子ドットを含む半導体光素子の製造方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】この発明の実施の形態による半導体光素子の断面構造図である。
【図２】図１に示す活性層の拡大断面図である。
【図３】半導体光素子のクラッド層、バリア層、活性層、バリア層およびクラッド層における屈折率の分布を示す図である。
【図４】量子ドット層におけるエネルギーバンド図である。
【図５】図１に示す半導体光素子の製造工程を示す第１の工程図である。
【図６】図１に示す半導体光素子の製造工程を示す第２の工程図である。
【図７】図１に示す半導体光素子の製造工程を示す第３の工程図である。
【図８】図５の（ｃ）において行なわれる活性層の形成過程を示す工程図である。
【図９】図６の（ｅ）に示す熱処理における温度プロファイルを示す図である。
【図１０】ＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）強度と波長との関係を示す図である。
【図１１】図１０に示す曲線ｋ７の拡大図である。
【図１２】図１０に示す曲線ｋ７の他の拡大図である。
【図１３】この発明の実施の形態による他の半導体光素子の断面構造図である。
【図１４】図１３に示す活性層の拡大断面図である。
【図１５】図５の（ｃ）において行なわれる活性層の他の形成過程を示す工程図である。
【図１６】図１３に示す半導体光素子のＰＬ強度を示す図である。
【図１７】フォトルミネッセンスの積分強度とアニール温度との関係を示す図である。
【図１８】フォトルミネッセンスのピークの半値幅とアニール温度との関係を示す図である。
【図１９】フォトルミネッセンスのピークエネルギーとアニール温度との関係を示す図である。
【図２０】ウェハの斜視図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１  負極電極、２  基板、３  バッファ層、４，８  クラッド層、５，７  バリア層、６，６Ａ  活性層、９  コンタクト層、１０，１０Ａ  半導体光素子、１１  正極電極、２０  ウェハ、２１，２２  チップ、６１，６１Ａ  量子ドット層、６２  間欠層、６００  ＩｎＡｓ膜、６１０  グレイン、６１１  量子ドット、６１２，６１２Ａ  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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【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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