(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己組織化量子ドットが形成された量子ドット層の複数が基板上に積層形成された積層体を有し、
ａsub ：基板の格子定数
ａc ：量子ドット層間の層間半導体層の格子定数
ａe ：ウエッティング層を構成する半導体材料そのものの格子定数
とした場合に
ａc ＜ａsub ＜ａe 或いはａe ＜ａsub ＜ａc 
であることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己組織化量子ドットが生成された層を多層化してなる積層体を用いる光半導体装置の改良に関する。
【０００２】
現在、自己組織化量子ドット層は、例えば半導体レーザの活性層に用いられ、低しきい値電流でレーザ発振させるのに有効な手段とされているが、量子ドットの大きさが揃わないなどの点が問題とされているので、本発明は、それを解決する一手段を開示する。
【０００３】
【従来の技術】
例えば、半導体レーザは、過去２０年程の間に着実に高性能化されてきたことは衆目の一致するところであり、その原動力となったのは、半導体レーザの発光部分として用いられている活性層の構成が進歩したことにある。
【０００４】
１９８０年代初期には、活性層として、厚さが１００〔ｎｍ〕以上もあるバルク材料が用いられていたが、１９８０年代半ばから、厚さ１０〔ｎｍ〕の薄膜からなる量子井戸構造が用いられ、量子効果を利用するようになった。
【０００５】
１９９０年代に入ると、量子井戸に意図的に歪みを導入した歪み量子井戸構造が実現され、これ等の技術進歩に依って、レーザ発振のしきい値電流は、１００〔ｍＡ〕から１〔ｍＡ〕程度、即ち、約２桁も低減された。
【０００６】
近年、更なる低しきい値電流化を達成する為、活性層を半導体量子ドットで構成する試みが盛んになりつつあり、そのような開発及び研究が可能になってきたのは、量子ドットをなす結晶を自己形成させる旨の新しい結晶成長技術が発見されて、実用になる量子ドットを比較的容易に成長させ得ることが理由になっている。
【０００７】
量子ドットは、キャリヤを３次元的に狭い領域に閉じ込め、そのエネルギを完全に量子化する為に用いられるものであり、この性質を半導体レーザの活性層に利用することで、レーザ発振に寄与しない余分なキャリヤを低減させ、効率良く光学利得を発生させることが可能となるので、その結果、低しきい値電流化を達成することができるのである。
【０００８】
量子ドットを作成する技術として、微傾斜基板上のステップを利用する方法、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用する方法、形状基板（段差基板）上の成長を利用する方法などが知られている。
【０００９】
然しながら、前記各方法で作成した量子ドットは、
（１）  結晶品質が悪い
（２）  サイズが大きく充分な量子効果が得られない
（３）  密度が低い
などの欠点があり、その為、期待したような高性能の半導体レーザを実現することはできなかった。
【００１０】
然しながら、自己組織化に依る量子ドットの形成方法に依れば、半導体レーザの活性層として充分に実用可能な量子ドットを作成できるようになった。
【００１１】
図７は量子ドットの自己組織化について定性的に説明する為の工程要所に於ける光半導体装置を表す要部切断側面図である。
【００１２】
図７（Ａ）参照
７−（１）
ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法或いはＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ）法を適用することに依り、半導体基板１上に、その半導体とは格子不整合の半導体からなるウエッティング層（濡れ層）２を形成する。
【００１３】
ウエッティング層２が１分子層或いは２分子層程度であれば、図示されているように、２次元的にエピタキシャル成長が起こる。
【００１４】
図７（Ｂ）参照
７−（２）
ウエッティング層２は歪んでいるので、層内には歪みエネルギが蓄積された状態にあり、ここで、更に結晶を厚く堆積させた場合、歪みエネルギが増大して、図示されているようにクラスタ状の島３が生成される。
【００１５】
このクラスタ状の島３は極めて小さいものであって、充分に量子ドットとしての特性を備えている。
【００１６】
前記したような自己組織化量子ドットを多数含んでいる量子ドット層を活性層として用いることで半導体レーザを高性能化しようとする試みがなされている。
【００１７】
図８は量子ドット層を活性層として用いた半導体レーザを表す要部切断側面図である。
【００１８】
図に於いて、１１はｎ型半導体基板、１２はｎ側クラッド層、１３は光閉じ込め層、１４は量子ドット活性層、１５は光閉じ込め層、１６はｐ側クラッド層、１７はキャップ層、１８はｐ側電極、１９はｎ側電極をそれぞれ示している。
【００１９】
図９は図８について説明した半導体レーザに於ける量子ドット活性層を拡大して表した要部切断側面図であり、図８に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００２０】
図に於いて、１４Ａ乃至１４Ｄは量子ドット活性層１４を構成する為の第１層目乃至第４層目の量子ドット層、２１Ａ乃至２１Ｃは第１層目乃至第３層目の層間半導体層、Ｑ１乃至Ｑ４は第１層目乃至第４層目の量子ドットをそれぞれ示している。
【００２１】
半導体レーザに於いて、レーザ発振を起こす為には、それに必要な光学利得がなければならず、その目的を達成する為、量子ドット活性層１４に於いては、図示されているように、複数の量子ドット層を積層することが行なわれている。
【００２２】
ところで、図９からも明らかであるが、量子ドット層１４Ａなどを積層形成した場合、
（１）  量子ドットＱ１・・・・は縦方向に配列された状態になる
（２）  量子ドットＱ１・・・・は積層された量子ドット層の表面側の層に含まれるものほど大きくなる
ことが知られている。
【００２３】
前記（１）として挙げた量子ドットが縦方向に並ぶ点については、さしたる問題はないが、前記（２）に挙げた量子ドットの大きさが変わる点は半導体レーザに於いては問題である。
【００２４】
即ち、各量子ドットの大きさが異なることは、それぞれの量子ドットに於ける発光エネルギが異なることを意味するので、共振器光モードへの光学利得の寄与が小さくなってしまうものであり、従って、レーザ発振のしきい値電流を低下させる目的を達成する為には、量子ドットの大きさは揃っていることが好ましい。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、自己組織化量子ドットが生成されている層を多層に積層形成した場合、層内は勿論のこと、層を異にする量子ドットとの間であっても、大きさが揃うようにする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、自己組織化量子ドット層を積層形成した場合、積層数が増加する程、含まれる量子ドットが大きくなるのかを考察した。
【００２７】
ここで、格子定数がａsub である半導体基板上にａsub に比較して大きい格子定数ａe をもつ材料を結晶成長させる場合を考える。尚、格子定数がａsub に比較して小さい材料についても全く同じ議論をすることができる。
【００２８】
図１及び図２は本発明の光半導体装置を実現させるに際して行なった実験を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【００２９】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、量子ドット層を一層成長させた状態を表していて、２１は半導体基板、２２は第１層目ウエッティング層、２３は第１層目量子ドット、２４は層間半導体層、ａ1 は第１層目量子ドット２３の頂点に於ける格子定数、ａ2 は第１層目ウエッティング層２２の表面に於ける格子定数、ａ3 は第１層目量子ドット２３の頂点上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数、ａ4 は第１層目ウエッティング層２２上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数をそれぞれ示している。
【００３０】
図１（Ａ）に見られる量子ドット層に於いて、ウエッティング層２２の表面に於ける格子定数ａ2 と量子ドット２３の頂点に於ける格子定数ａ1 とは異なっていることに注意しなければならない。
【００３１】
即ち、量子ドット２３の頂点では歪みからかなり解放されて成長材料本来の格子定数に近い大きな格子定数になっているのであるが、ウエッティング層２２は歪んでいて、表面は基板２１と同じ面内格子定数（小さい）になっている。
【００３２】
ここで、量子ドット２３の頂点に於ける格子定数ａ1 は、
ａe ＞ａ1 ＞ａsub 
であり、第１層目ウエッティング層２２の表面に於ける格子定数ａ2 は、
ａ2 ＝ａsub 
である。
【００３３】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）について説明した量子ドット層の全面に基板２１と同じ結晶からなる層間半導体層２４を成長させた状態を表していて、表出されたウエッティング層２２上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数ａ4 は基板２１の格子定数ａsub と等しいが、量子ドット２３の頂点上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数ａ3 は若干小さくはなるが基板２１の格子定数ａsub と比較して大きい格子定数になっている。
【００３４】
ここで、量子ドット２３の頂点上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数ａ3 は、
ａ1 ＞ａ3 ＞ａsub 
であり、第１層目ウエッティング層２２上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数ａ4 は、
ａ4 ＝ａ2 ＝ａsub 
である。
【００３５】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、図１について説明したように第１層目の量子ドット層を形成してから、第２層目の量子ドット層を成長させる工程を説明していて、２５は第２層目ウエッティング層、２５Ａは成長核、２６は第２層目量子ドットをそれぞれ示している。
【００３６】
ところで、図１について説明した通り、量子ドット２３の頂点上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数ａ3 は、量子ドット２３の頂点に於ける格子定数ａ1 に比較して若干小さくはなるが、基板２１の格子定数ａsub と比較した場合、即ち、第１層目ウエッティング層２２上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数ａ4 と比較すると大きい格子定数になっていて、
ａe −ａ3 ＞ａe −ａ4 
である。
【００３７】
その結果、一般的にはＩｎＡｓである成長核２５Ａは、歪みエネルギが小さくなっている量子ドット２３の頂点上に在る層間半導体層２４の部分に生成され、そして、一旦成長核２５Ａが生成されれば、そこに第２層目量子ドット２６が成長されることになり、これが、各量子ドット２３、２６・・・・が縦に並ぶ理由である。
【００３８】
さて、第２層目量子ドット２６は、下地、即ち、量子ドット２３の頂点上に在る層間半導体層２４の表面に於ける格子定数ａ3 との格子定数差が、第１層目量子ドット２３に比較して小さく、
ａe −ａ3 ＜ａe −ａsub 
であり、従って、歪みエネルギも小さいので、より大きな量子ドット２６が形成されることになるのである。
【００３９】
従って、前記したようなプロセスを繰り返すと、量子ドット層の積層が上にゆくほど大きな量子ドットが生成される。
【００４０】
この問題を解消して、量子ドットの大きさを揃える為には、ある量子ドット層を形成した後、全面に成長する層間半導体層の格子定数を小さくすれば良い筈であり、層間半導体層の格子定数をａc とした場合、
ａc ＜ａsub 
とすれば良い。
【００４１】
図３及び図４は本発明の原理を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【００４２】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、量子ドット層を一層成長させてから層間半導体層を成長させた状態を表していて、３１は半導体基板、３２は第１層目ウエッティング層、３３は第１層目量子ドット、３４は層間半導体層、３４Ａは成長核、ａ5 は量子ドット３３の頂点上に在る層間半導体層３４の格子定数、ａ6 は第１層目ウエッティング層３２上に在る層間半導体層３４の表面に於ける格子定数をそれぞれ示している。尚、図３及び図４に於いても、図１及び図２に関する説明と同様、第１層目量子ドット３３の頂点に於ける格子定数はａ1 、第１層目ウエッティング層３２に於ける格子定数はａ2 であるとする。
【００４３】
本発明では、層間半導体層３４を構成する材料の格子定数をａc とした場合、前記した通り、
ａc ＜ａsub 
である材料を選択することが基本になっていて、その材料を用いた場合、量子ドット３３の頂点上に在る層間半導体層３４の表面に於ける格子定数ａ5 は、
ａ3 ＞ａ5 ＞ａsub 
であり、従って、層間半導体層３４を構成する材料の格子定数ａc の大きさを適切に選択することで、量子ドット３３の頂点上に在る層間半導体層３４の表面に於ける格子定数ａ5 を基板３１の格子定数ａsub に近づけることができ、量子ドットに於けるサイズの増加を無視することができるほどに小さくすることが可能となる。
【００４４】
この場合、第１層目ウエッティング層３２上に在る層間半導体層３４の表面に於ける格子定数ａ6 は、
ａ6 ＝ａsub 
となる。
【００４５】
図４は、図３（Ａ）及び（Ｂ）について説明した第１層目の量子ドット層を形成してから、第１層目の量子ドット層と同様にして、第２層目の量子ドット層を成長させる工程を表していて、３５は第２層目ウエッティング層、３６は第２層目量子ドット、Ｌは量子ドットの大きさをそれぞれ示している。
【００４６】
図示されている通り、第１層目量子ドット３３と第２層目量子ドット３６の大きさＬは殆ど同じであり、この状態は、量子ドット層を更に多層化しても変わりなく実現することができる。
【００４７】
前記したところから、本発明の光半導体装置では、自己組織化量子ドットが形成された量子ドット層の複数が基板上に積層形成された積層体を有し、ａsub ：基板（例えば半導体基板３１：図３参照）の格子定数、ａc ：量子ドット層間の層間半導体層（例えば層間半導体層３４：図３参照）の格子定数、ａe ：半導体材料の格子定数（ウエッティング層を構成する半導体材料そのものの格子定数）とした場合にａc ＜ａsub ＜ａe 或いはａe ＜ａsub ＜ａc であることを特徴とする。
【００４８】
前記手段を採ることに依り、自己組織化量子ドットが生成されている層を多層に積層形成した場合、層内は勿論のこと、層を異にする量子ドットとの間であっても大きさを殆ど揃えることが可能になり、量子ドット層を活性層として低しきい値電流で発振する半導体レーザを構成するのに好適である。
【００４９】
【発明の実施の形態】
図５及び図６は本発明に於ける一実施の形態である光半導体装置を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。以下、図を参照しつつ説明する。
【００５０】
図５（Ａ）参照
５−（１）
ＭＯＣＶＤ法を適用することに依り、基板４１上にウエッティング層４２、第１層目量子ドット４３を形成する。
【００５１】
ここで、各半導体部分に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
▲１▼  基板４１について
材料：ＧａＡｓ
格子定数ａsub ＝５．６５３３〔Å〕
▲２▼  ウエッティング層４２
材料：ＩｎＡｓ
格子定数ａe ＝６．０５８４〔Å〕
▲３▼  第１層目量子ドット４３について
材料：ＩｎＡｓ
頂点の格子定数ａ1 ：ａsub ＜ａ1 ＜ａe 
【００５２】
図５（Ｂ）参照
５−（２）
ＭＯＣＶＤ法を適用することに依り、第１層目量子ドット層上に層間半導体層４４を形成する。
【００５３】
層間半導体層４４に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
材料：ＧａＡｓ0.7 Ｐ0.3 
格子定数ａc ：５．５９３〔Å〕
第１層目量子ドット４３上に在る部分の表面に於ける格子定数ａ5 
：ａsub に比較して僅かに大
第１層目ウエッティング層４２上に在る部分の表面に於ける格子定数ａ6 
：≒ａsub 
従って、ａsub ＜ａ6 ＜ａ5 である。
【００５４】
図６（Ａ）参照
６−（１）
ＭＯＣＶＤ法を適用することに依り、層間半導体層４４上にウエッティング層を形成する為のソース・ガスを吹き付けると自然発生的に成長核４４Ａが生成される。
【００５５】
図６（Ｂ）参照
６−（２）
引き続きＭＯＣＶＤ法を適用することに依り、層間半導体層４４上に成膜を行なって、ウエッティング層４５、第２層目量子ドット４６を形成する。
【００５６】
ここで、各半導体部分に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
▲１▼  ウエッティング層４５について
材料：ＩｎＡｓ
格子定数ａe ＝６．０５８４〔Å〕
厚さ：１分子層〜２分子層
▲２▼  第２層目量子ドット４６について
材料：ＩｎＡｓ
頂点の格子定数ａ1 ：ａsub ＜ａ1 ＜ａe 
【００５７】
図示のように、第１層目量子ドット４３と第２層目量子ドット４６の大きさは殆ど同じであり、この状態は、量子ドット層を更に多層化しても変わりなく実現することができた。
【００５８】
本発明では、前記実施の形態に限られることなく、他に多くの改変を実現することができる。
【００５９】
例えば、前記実施の形態では、自己組織化量子ドットが形成された量子ドット層の複数を基板上に積層形成した積層体を半導体レーザに於ける活性層として用いることを例示したが、その他、該積層体を半導体光変調器や半導体光スイッチに於ける活性層として用いることができる。
【００６０】
前記実施の形態では、基板にＧａＡｓ、量子ドットにＩｎＡｓ、量子ドット層間の層間半導体層にＧａＡｓＰを用いたが、この他、
▲１▼  前記材料系で量子ドットにＩｎＧａＡｓを用いること、
▲２▼  基板にＧａＡｓ、量子ドットにＩｎＧａＡｓ或いはＩｎＡｓ、量子ドット層間の層間半導体層にＩｎＧａＰを用いること、
▲３▼  基板にＧａＡｓ、量子ドットにＩｎＧａＡｓ或いはＩｎＡｓ、量子ドット層間の層間半導体層にＩｎＧａＡｓＰを用いること、
▲４▼  基板にＧａＡｓ、量子ドットにＩｎＧａＡｓ或いはＩｎＡｓ、量子ドット層間の層間半導体層にＡｌＡｓＰを用いること、
▲５▼  基板にＩｎＰ、量子ドットにＩｎＰＡｓ或いはＩｎＡｓ、量子ドット層間の層間半導体層にＩｎＧａＰ或いはＧａＡｓＰ或いはＩｎＧａＡｓＰ或いはＡｌＡｓＰを用いること
ができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に依る光半導体装置に於いては、自己組織化量子ドットが形成された量子ドット層の複数が基板上に積層形成された積層体を有し、ａsub ：基板の格子定数、ａc ：量子ドット層間の層間半導体層の格子定数、ａe ：半導体材料の格子定数（ウエッティング層を構成する半導体材料そのものの格子定数）とした場合にａc ＜ａsub ＜ａe 或いはａe ＜ａsub ＜ａc であることを特徴とする。
【００６２】
前記構成を採ることに依り、自己組織化量子ドットが生成されている層を多層に積層形成した場合、層内は勿論のこと、層を異にする量子ドットとの間であっても大きさを殆ど揃えることが可能になり、量子ドット層を活性層として低しきい値電流で発振する半導体レーザを構成するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体装置を実現させるに際して行なった実験を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図２】本発明の光半導体装置を実現させるに際して行なった実験を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図３】本発明の原理を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図４】本発明の原理を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図５】本発明に於ける一実施の形態である光半導体装置を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図６】本発明に於ける一実施の形態である光半導体装置を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図７】量子ドットの自己組織化について定性的に説明する為の工程要所に於ける光半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図８】量子ドット層を活性層として用いた半導体レーザを表す要部切断側面図である。
【図９】図８について説明した半導体レーザに於ける量子ドット活性層を拡大して表した要部切断側面図である。
【符号の説明】
３１  半導体基板
３２  第１層目ウエッティング層
３３  第１層目量子ドット
３４  層間半導体層
３４Ａ  成長核
ａsub   格子定数
ａe   格子定数
ａc   格子定数
ａ1 〜ａ6   格子定数
【図１】
0003829153.tif 000002
【図２】
0003829153.tif 000003
【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】
0003829153.tif 000008
【図８】
0003829153.tif 000009
【図９】
0003829153.tif 000010