JP2000196193A - Semiconductor device and its manufacture - Google Patents

Semiconductor device and its manufacture

Info

Publication number
JP2000196193A
JP2000196193A JP10370631A JP37063198A JP2000196193A JP 2000196193 A JP2000196193 A JP 2000196193A JP 10370631 A JP10370631 A JP 10370631A JP 37063198 A JP37063198 A JP 37063198A JP 2000196193 A JP2000196193 A JP 2000196193A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor device
quantum dots
layer
buffer layer
lattice constant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10370631A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Taketeru Mukai
剛輝 向井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP10370631A priority Critical patent/JP2000196193A/en
Priority to US09/469,237 priority patent/US6507042B1/en
Publication of JP2000196193A publication Critical patent/JP2000196193A/en
Priority to US10/285,448 priority patent/US6815242B2/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the structure of a semiconductor device having a quantum dot for controlling the luminous wavelength of the quantum dot, and its manufacturing method. SOLUTION: A semiconductor device is composed of a semiconductor substrate 10, a buffer layer 12 that is formed on the semiconductor substrate 10 while a lattice constant near the surface differs from that near the interface with the semiconductor substrate 10, and a quantum dot that is formed on the buffer layer 12 while a luminous wavelength is stipulated by a lattice constant near the surface of the buffer layer 12.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に係り、特に、量子ドットを有する半導体装
置及びその製造方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having quantum dots and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体プロセスの進歩に伴い、ナノスケ
ールの膜形成技術、微細加工技術が半導体素子の作成に
利用されるようになっている。このような膜形成技術や
微細加工技術の進歩に伴い、半導体集積回路の集積度を
向上が図られるとともに、量子力学的効果を利用した素
子、例えばHBT(ヘテロバイポーラトランジスタ:He
tero Bipolar Transistor)や量子井戸レーザなども実
用化されるに至っている。
2. Description of the Related Art With the progress of semiconductor processes, nano-scale film formation technology and fine processing technology have been used for manufacturing semiconductor devices. With the progress of such film formation technology and microfabrication technology, the degree of integration of a semiconductor integrated circuit has been improved, and an element utilizing a quantum mechanical effect, for example, an HBT (hetero bipolar transistor: He
Tero Bipolar Transistors) and quantum well lasers have also been put to practical use.

【0003】近年、量子力学的効果を利用する究極的な
材料として量子ドットが注目されている。量子ドットと
は、キャリアに3次元的な量子閉じ込めを与えるほど極
めて微細なポテンシャルの箱のことである。量子ドット
は、デルタ関数的な状態密度を有するものであり、一つ
の量子ドットの基底準位にはキャリアが2つしか入るこ
とができない。
In recent years, quantum dots have been attracting attention as the ultimate material utilizing the quantum mechanical effect. Quantum dots are potential boxes that are extremely fine enough to give three-dimensional quantum confinement to carriers. A quantum dot has a state density of a delta function, and only two carriers can enter the ground level of one quantum dot.

【0004】量子ドットのこのような特性を利用するも
のの一つとして、量子ドットを半導体レーザの活性領域
に用いることが提案されている。すなわち、量子井戸構
造の半導体レーザでは、発振しきい値やしきい値の温度
特性について特性改善の限度が指摘されているが、量子
ドットを活性層に適用することにより、電子・正孔と光
との相互作用を極限まで効率化することが可能となり、
発振しきい値やしきい値の温度特性の改善を図ることが
可能となる。この他、ブルーチャープ変調器や波長変換
素子、また、単電子トランジスタやホールバーニング効
果を応用した量子ドットメモリが提案されており、量子
ドットにより次世代素子を作成する研究が盛んに行われ
ている。
As one of the methods utilizing such characteristics of the quantum dot, it has been proposed to use the quantum dot for an active region of a semiconductor laser. That is, in the semiconductor laser having the quantum well structure, the limit of the characteristic improvement in the oscillation threshold and the temperature characteristic of the threshold has been pointed out. However, by applying the quantum dots to the active layer, electrons, holes, and light are reduced. And the interaction with
The oscillation threshold and the temperature characteristics of the threshold can be improved. In addition, quantum dot memories using blue chirp modulators and wavelength conversion elements, single electron transistors and hole burning effects have been proposed, and research on creating next-generation elements using quantum dots has been actively conducted. .

【0005】このような量子ドットを形成するための技
術として、微細加工技術を用いたものがある。例えば、
電子線を用いたリソグラフィーによる方法、マスクパタ
ーン上にエッチングされた4面体穴の底に量子ドット構
造を作成する方法、微細傾斜基板上における成長初期の
横方向成長を利用する方法、STM(走査トンネル顕微
鏡:Scanning Tunneling Microscope)技術を応用した
原子マニピュレーションを用いた方法などが提案されて
いる。これらの方法は、人為的に加工するという共通の
特徴故に、量子ドットを形成する位置を任意に制御でき
るという利点を有している。しかしながら、個数密度は
微細加工技術の精度限界を超えることができず、同様に
均一性に関しても極めて低いものであった。
As a technique for forming such a quantum dot, there is a technique using a fine processing technique. For example,
Lithography using an electron beam, a method of forming a quantum dot structure at the bottom of a tetrahedral hole etched on a mask pattern, a method of utilizing the initial lateral growth on a fine inclined substrate, an STM (scanning tunnel) A method using atomic manipulation that applies a microscope (Scanning Tunneling Microscope) technology has been proposed. These methods have an advantage that the position at which the quantum dot is formed can be arbitrarily controlled because of the common feature of artificial processing. However, the number density cannot exceed the precision limit of the fine processing technology, and the uniformity was also extremely low.

【0006】量子ドットを作成するためのブレークスル
ーとなる新しい技術として、量子ドットを自己形成する
技術が近年見い出されている。これは、格子不整合の半
導体をある条件で気相エピタキシャル成長することで、
3次元の微細構造(量子ドット)が自己形成される現象
を用いたものである。この方法は、微細加工に比べて実
施するのが極めて容易であり、しかも、得られる量子ド
ットは人為的な加工技術の精度限界を超えて極めて均一
性が高く、高個数密度で、高品質である。このような自
己形成量子ドットを用いて、例えば半導体レーザなどの
デバイスが実際に報告されるようになり、量子ドット素
子の可能性が現実のものとなっている。
[0006] As a new technology that is a breakthrough for producing quantum dots, a technology for self-forming quantum dots has recently been found. This is because a lattice-mismatched semiconductor is grown by vapor phase epitaxy under certain conditions.
This uses a phenomenon in which a three-dimensional fine structure (quantum dot) is self-formed. This method is extremely easy to implement compared to microfabrication, and the resulting quantum dots have extremely high uniformity beyond the precision limits of artificial processing techniques, high number density, and high quality. is there. Devices such as semiconductor lasers have actually been reported using such self-formed quantum dots, and the possibility of quantum dot elements has become a reality.

【0007】量子ドットの自己形成については、いくつ
かの形成モードが知られている。最もよく知られている
形成モードは、Stranski-Krastanovモード(以下、「S
−Kモード」と呼ぶ。)と呼ばれるモードである。これ
は、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始
当初は2次元成長(膜成長)するが、膜の弾性限界を超
えてた段階で3次元成長するモードである。このモード
の実現が自己形成モードの中で最も容易であり、一般的
に用いられている。このモードによれば、高い個数密度
で量子ドットを形成することができる。
[0007] Several modes of formation of quantum dots are known. The most well-known formation mode is the Stranski-Krastanov mode (hereinafter “S
-K mode ". ) Mode. This is a mode in which a semiconductor crystal to be epitaxially grown grows two-dimensionally (film growth) at the beginning of the growth, but grows three-dimensionally when the elastic limit of the film is exceeded. This mode is the easiest of the self-forming modes and is commonly used. According to this mode, quantum dots can be formed with a high number density.

【0008】また、他の形成モードとしては、Volmer-W
ebberモードと呼ばれるモードが知られている。このモ
ードは、初期の2次元成長なしではじめから3次元成長
するモードである。このモードは一般にS−Kモードよ
り低温で起こるといわれているが、品質のよいドットを
得るのが難しく、実際には研究はほとんど行われていな
い。
Further, as another forming mode, Volmer-W
A mode called an ebber mode is known. In this mode, three-dimensional growth is performed from the beginning without initial two-dimensional growth. This mode is generally said to occur at a lower temperature than the SK mode, but it is difficult to obtain high quality dots, and practically little research has been done.

【0009】また、自己形成モードを利用した新しい量
子ドット作成方法として、近接積層法が注目されてい
る。近接積層法とは、既に述べた方法で作成する3次元
構造をキャリアがトンネルできる程度以下の薄い中間層
を介して成長方向に数個積層し、それらをひとまとまり
として背の高い量子ドットを形成する方法である。この
方法によれば、均一性の高い量子ドットを形成すること
ができる。
As a new method for producing quantum dots using the self-assembly mode, the proximity lamination method has attracted attention. Proximity lamination is a process in which several three-dimensional structures created by the method described above are laminated in the growth direction via a thin intermediate layer that is small enough to allow carriers to tunnel, and these are united to form tall quantum dots. How to According to this method, quantum dots with high uniformity can be formed.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】このように、量子ドッ
トを形成する技術については様々な方法が見いだされて
いる。しかしながら、量子ドットをデバイスに適用する
ことを考慮すると、量子ドットのエネルギー制御を行う
ことが不可欠である。例えば、光通信用のレーザ光源と
して量子ドットを用いた半導体レーザを適用することを
考慮すると、発光波長が1.3μm(0.95eV)或
いは1.55μm(0.8eV)のレーザを作成しなけ
ればならないが、GaAs基板上に形成されたInAs
或いはInGaAsの量子ドットの場合にはそのバンド
ギャップエネルギーは約1.1〜1.3eV程度であ
り、この量子ドットを光通信に使用することはできなか
った。
As described above, various methods have been found for techniques for forming quantum dots. However, considering the application of quantum dots to devices, it is essential to control the energy of the quantum dots. For example, in consideration of applying a semiconductor laser using quantum dots as a laser light source for optical communication, a laser having an emission wavelength of 1.3 μm (0.95 eV) or 1.55 μm (0.8 eV) must be created. Must be formed of InAs formed on a GaAs substrate.
Alternatively, in the case of an InGaAs quantum dot, its band gap energy is about 1.1 to 1.3 eV, and this quantum dot could not be used for optical communication.

【0011】また、近接積層法により形成した量子ドッ
トの場合にも、単独のS−Kモードの場合と同様、Ga
As基板上にInAs或いはInGaAsの量子ドット
を形成した場合で1.1〜1.3eV程度であり、光通
信に使用することはできなかった。本発明の目的は、量
子ドットの発光波長を制御しうる半導体装置の構造及び
その製造方法を提供することにある。
Also, in the case of a quantum dot formed by the close-stacking method, as in the case of a single SK mode, Ga
In the case where quantum dots of InAs or InGaAs were formed on an As substrate, it was about 1.1 to 1.3 eV, and could not be used for optical communication. An object of the present invention is to provide a structure of a semiconductor device capable of controlling the emission wavelength of a quantum dot and a method of manufacturing the same.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体基板
と、前記半導体基板上に形成され、表面近傍における格
子定数が前記半導体基板との界面近傍における格子定数
とは異なるバッファ層と、前記バッファ層上に形成され
た量子ドット層とを有することを特徴とする半導体装置
によって達成される。
The object of the present invention is to provide a semiconductor substrate, a buffer layer formed on the semiconductor substrate, and having a lattice constant near a surface different from a lattice constant near an interface with the semiconductor substrate; And a quantum dot layer formed on the layer.

【0013】また、上記の半導体装置において、前記量
子ドット層は、発光波長が前記バッファ層の前記表面近
傍における格子定数によって規定されているようにして
もよい。また、上記の半導体装置において、前記バッフ
ァ層の表面近傍における格子定数は、前記半導体基板と
の界面近傍における格子定数よりも大きくなるようにし
てもよい。
In the above-mentioned semiconductor device, the quantum dot layer may have an emission wavelength defined by a lattice constant near the surface of the buffer layer. In the above-described semiconductor device, a lattice constant near the surface of the buffer layer may be larger than a lattice constant near an interface with the semiconductor substrate.

【0014】また、上記の半導体装置において、前記量
子ドットは、S−Kモードによって自己形成された3次
元成長島により構成してもよい。また、上記の半導体装
置において、前記量子ドットは、中間層を挟んで複数積
層されているようにしてもよい。また、上記の半導体装
置において、前記中間層の膜厚は、前記量子ドットの高
さよりも薄くなるようにしてもよい。
In the above-mentioned semiconductor device, the quantum dots may be constituted by three-dimensionally grown islands self-formed in SK mode. In the above-described semiconductor device, the quantum dots may be stacked in plural with an intermediate layer interposed therebetween. In the above-described semiconductor device, the thickness of the intermediate layer may be smaller than the height of the quantum dots.

【0015】また、上記の半導体装置において、前記量
子ドットを、InAs又はInGaAsによって構成す
るようにしてもよい。また、上記の半導体装置におい
て、前記半導体基板はGaAs基板であり、前記バッフ
ァ層はInGaAs層であるようにしてもよい。また、
上記の半導体装置において、前記量子ドットにより、半
導体レーザの活性層を構成してもよい。
In the above-mentioned semiconductor device, the quantum dots may be made of InAs or InGaAs. In the above-described semiconductor device, the semiconductor substrate may be a GaAs substrate, and the buffer layer may be an InGaAs layer. Also,
In the above semiconductor device, the quantum dot may constitute an active layer of a semiconductor laser.

【0016】また、上記目的は、半導体基板上に、表面
近傍における格子定数が前記半導体基板との界面近傍に
おける格子定数とは異なるバッファ層を形成する工程
と、前記バッファ層上に、発光波長が前記バッファ層の
前記表面近傍における格子定数によって規定された量子
ドットを形成する工程とを有することを特徴とする半導
体装置の製造方法によっても達される。
The object of the present invention is to form a buffer layer having a lattice constant near the surface different from the lattice constant near the interface with the semiconductor substrate on the semiconductor substrate; Forming a quantum dot defined by a lattice constant near the surface of the buffer layer.

【0017】また、上記の半導体装置の製造方法におい
て、前記量子ドットを形成する工程では、S−Kモード
により3次元成長島よりなる前記量子ドットを自己形成
するようにしてもよい。また、上記の半導体装置の製造
方法において、前記量子ドットを形成する工程では、膜
中にドット状に凝集して形成された前記量子ドットを形
成するようにしてもよい。
In the method of manufacturing a semiconductor device described above, in the step of forming the quantum dot, the quantum dot formed of a three-dimensionally grown island may be self-formed in an SK mode. In the method of manufacturing a semiconductor device described above, in the step of forming the quantum dots, the quantum dots formed by agglomerating into a dot shape in a film may be formed.

【0018】また、上記の半導体装置の製造方法におい
て、前記量子ドットを形成する工程では、中間層を挟ん
で複数の量子ドットを積層するようにしてもよい。ま
た、上記の半導体装置の製造方法において、前記バッフ
ァ層を形成する工程では、前記量子ドットの発光波長が
所望の波長となるように、前記表面近傍における格子定
数を制御するようにしてもよい。
In the method of manufacturing a semiconductor device, in the step of forming the quantum dots, a plurality of quantum dots may be stacked with an intermediate layer interposed therebetween. In the method of manufacturing a semiconductor device described above, in the step of forming the buffer layer, a lattice constant in the vicinity of the surface may be controlled so that an emission wavelength of the quantum dot has a desired wavelength.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】[本発明の原理]はじめに、本発
明の原理について図1乃至図3を用いて説明する。図1
は従来の半導体装置の構造及び製造方法を示す概略断面
図、図2は本発明の半導体装置の原理を示す概略断面
図、図3は本発明の半導体装置におけるバッファ層のI
n組成と量子ドットの発光波長との関係を示すグラフで
ある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [Principle of the Present Invention] First, the principle of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure and manufacturing method of a conventional semiconductor device, FIG. 2 is a schematic sectional view showing the principle of the semiconductor device of the present invention, and FIG.
5 is a graph showing the relationship between the n composition and the emission wavelength of a quantum dot.

【0020】本発明の原理を説明するにあたり、ここで
は、GaAs基板上にInAsからなる量子ドットを形
成する場合を例に挙げる。但し、本発明は他の材料系で
あっても同様に適用することができる。従来の半導体装
置の製造方法では、図1に示すように、GaAs基板上
にGaAsバッファ層を形成し、次いで、数原子層のI
nAsを供給することにより、GaAsバッファ層上に
InAsからなる量子ドットを自己形成していた。Ga
Asバッファ層上に数原子層のInAsを供給すると、
InAsとGaAsとの格子定数が異なるため、薄いI
nAsはGaAsバッファ層上に均一に分布するよりも
InAs或いは基板のGaAsから一部Gaを取り込ん
だInGaAsが集団を作って凝集した方がエネルギー
的に安定になる。このため、GaAsバッファ層上に
は、InAsからなる量子ドットが形成される。
In describing the principle of the present invention, a case where quantum dots made of InAs are formed on a GaAs substrate will be described as an example. However, the present invention can be similarly applied to other material systems. In a conventional method for manufacturing a semiconductor device, as shown in FIG. 1, a GaAs buffer layer is formed on a GaAs substrate, and then several atomic layers of I
By supplying nAs, quantum dots made of InAs were self-formed on the GaAs buffer layer. Ga
When several atomic layers of InAs are supplied on the As buffer layer,
Since the lattice constants of InAs and GaAs are different, a thin I
In terms of energy, nAs is more energy stable when InAs or InGaAs in which some Ga is taken in from GaAs of the substrate are formed and aggregated, rather than being uniformly distributed on the GaAs buffer layer. Therefore, quantum dots made of InAs are formed on the GaAs buffer layer.

【0021】ここで、長い発光波長を有する量子ドット
を得るためには、成長条件を調整して量子ドットのサイ
ズを大きくし、或いは、量子ドットを近接積層すること
によって実効的に量子ドットのサイズを大きくすること
が有効である。その一方、量子ドットのサイズを大きく
することは量子ドットのエネルギー準位間隔を狭めるこ
ととなり、基底準位のみにキャリアを集中させてレーザ
或いは非線形素子の性能を向上させるという量子ドット
本来の趣旨から逸脱する虞もある。このため、上記従来
の半導体装置の製造方法により量子ドットを形成する場
合、その発光波長は室温で1.1〜1.2μm程度の範
囲に制御するのが限界であった。
Here, in order to obtain a quantum dot having a long emission wavelength, the growth condition is adjusted to increase the size of the quantum dot, or the quantum dots are effectively stacked by laminating the quantum dots in close proximity. It is effective to increase. On the other hand, increasing the size of the quantum dot narrows the energy level interval of the quantum dot, and from the original purpose of the quantum dot, which concentrates carriers only at the ground level and improves the performance of the laser or nonlinear element. There is a risk of deviation. For this reason, when forming a quantum dot by the above-mentioned conventional method of manufacturing a semiconductor device, it has been a limit to control the emission wavelength within a range of about 1.1 to 1.2 μm at room temperature.

【0022】このような背景において本願発明者が鋭意
検討を行った結果、量子ドットのサイズや組成は下地層
との格子不整合による表面エネルギーの差によって決定
され、下地層との格子不整合の量を制御することにより
量子ドットの発光波長(エネルギーバンドギャップ)を
制御できることが初めて明らかとなった。格子不整合の
量は、基板と量子ドットとの間に、基板と格子定数の異
なるバッファ層を形成することにより制御することがで
きる。例えば、上記の例では、図2に示すように、Ga
Asバッファ層の代わりに、GaAsよりも格子定数の
大きいInGaAsよりなるInGaAsバッファ層1
2を設け、InGaAsバッファ層12の組成を適宜制
御することにより、格子不整合の量を制御することがで
きる。
As a result of the inventor's intensive studies in such a background, the size and composition of the quantum dots are determined by the difference in surface energy due to the lattice mismatch with the underlayer, and the lattice mismatch with the underlayer is determined. It has been clarified for the first time that the emission wavelength (energy band gap) of a quantum dot can be controlled by controlling the amount. The amount of lattice mismatch can be controlled by forming a buffer layer having a different lattice constant from the substrate between the substrate and the quantum dots. For example, in the above example, as shown in FIG.
An InGaAs buffer layer 1 made of InGaAs having a lattice constant larger than that of GaAs instead of the As buffer layer
2, the amount of lattice mismatch can be controlled by appropriately controlling the composition of the InGaAs buffer layer 12.

【0023】InGaAsバッファ層12を設ける効果
は、バッファ層12表面における面内格子定数を増加す
ることにある。すなわち、歪緩和の臨界膜厚以上のIn
GaAsバッファ層12をGaAs基板10上に堆積す
ることにより、転位発生による歪量の緩和が生じ、これ
に伴ってバッファ層12表面における面内格子定数が増
加する(図2参照)。一方、GaAs基板上にGaAs
バッファ層を堆積した場合には歪や格子定数の変化は生
じない(図1参照)。
The effect of providing the InGaAs buffer layer 12 is to increase the in-plane lattice constant on the surface of the buffer layer 12. That is, the In film having a thickness greater than the critical film thickness for strain relaxation is used.
By depositing the GaAs buffer layer 12 on the GaAs substrate 10, the amount of strain caused by the generation of dislocations is reduced, and the in-plane lattice constant on the surface of the buffer layer 12 increases (see FIG. 2). On the other hand, GaAs is
When a buffer layer is deposited, no distortion or change in lattice constant occurs (see FIG. 1).

【0024】したがって、InGaAsバッファ層12
を堆積することにより、バッファ層12表面における面
内格子定数を制御することができ、この結果、量子ドッ
ト14の発光波長を制御することが可能となる。図3
は、InGaAsバッファ層上に、MOVPE装置を用
い、InAsとGaAsとを原子層レベルで交互に供給
することによりInGaAs量子ドットを含む量子ドッ
ト層を形成した試料における、InGaAsバッファ層
のIn組成と量子ドットの発光波長との関係を示したも
のである。図示するように、InGaAsバッファ層の
In組成を増加するにつれて量子ドットの発光波長を増
加しており、InGaAsバッファ層を設けることによ
り従来の量子ドットよりも発光波長を長波長側にシフト
できることが判った。また、図示はしないが、InGa
Asバッファ層上に通常のS−Kモードにより量子ドッ
トを形成した場合にも同様の結果が得られた。
Therefore, the InGaAs buffer layer 12
By depositing, the in-plane lattice constant on the surface of the buffer layer 12 can be controlled, and as a result, the emission wavelength of the quantum dots 14 can be controlled. FIG.
In a sample in which a quantum dot layer including InGaAs quantum dots is formed on an InGaAs buffer layer by alternately supplying InAs and GaAs at the atomic layer level using a MOVPE apparatus, the In composition of the InGaAs buffer layer and the quantum This shows the relationship with the emission wavelength of the dot. As shown in the figure, the emission wavelength of the quantum dot increases as the In composition of the InGaAs buffer layer increases, and it can be seen that the emission wavelength can be shifted to a longer wavelength side than the conventional quantum dot by providing the InGaAs buffer layer. Was. Although not shown, InGa
Similar results were obtained when quantum dots were formed on the As buffer layer in the normal SK mode.

【0025】以下、実施形態を示しつつ本発明を詳細に
説明する。 [第1実施形態]本発明の第1実施形態による半導体装
置及びその製造方法について図4乃至図6を用いて説明
する。図4は本実施形態による半導体装置の構造を示す
概略断面図、図5及び図6は本実施形態による半導体装
置の製造方法を示す工程断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments. [First Embodiment] The semiconductor device and the method for fabricating the same according to a first embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 5 and 6 are process sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.

【0026】はじめに、本実施形態による半導体装置の
構造について説明する。GaAs基板10上には、膜厚
約500nmのIn0.2Ga0.8Asからなるバッファ層
12が形成されている。バッファ層12上には、InA
sからなる量子ドット14と、GaAs層からなる中間
層16とが繰り返し積層されてなる量子ドット層18が
形成されている。量子ドット層18上には、InGaA
sからなるクラッド層20が形成されている。こうし
て、GaAs基板10上には、InAsからなる量子ド
ット14が形成されている。
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained. On the GaAs substrate 10, a buffer layer 12 of In 0.2 Ga 0.8 As with a thickness of about 500 nm is formed. On the buffer layer 12, InA
The quantum dot layer 18 is formed by repeatedly stacking the quantum dots 14 made of s and the intermediate layer 16 made of a GaAs layer. On the quantum dot layer 18, InGaAs
s is formed. Thus, the quantum dots 14 made of InAs are formed on the GaAs substrate 10.

【0027】このように、本実施形態による半導体装置
は、GaAs基板10と量子ドット層18との間に設け
られたバッファ層12が、GaAsよりも格子定数の大
きなIn0.2Ga0.8Asによって構成されており、且
つ、バッファ層12表面における格子定数がGaAs基
板10のそれよりも大きくなっていることに特徴があ
る。これにより、バッファ層12上に形成した量子ドッ
ト14の発光波長を長波長側にシフトすることができ
る。
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the buffer layer 12 provided between the GaAs substrate 10 and the quantum dot layer 18 is composed of In 0.2 Ga 0.8 As having a larger lattice constant than GaAs. And the lattice constant on the surface of the buffer layer 12 is larger than that of the GaAs substrate 10. Thereby, the emission wavelength of the quantum dots 14 formed on the buffer layer 12 can be shifted to the longer wavelength side.

【0028】図4に示す半導体装置について室温でフォ
トルミネッセンス測定をしたところ、量子ドットの発光
波長は約1.3μmであった。これに対し、In0.2
0.8Asバッファ層の代わりにGaAsバッファ層を
用いて量子ドットを形成した試料では、量子ドットの発
光波長は約1.2μmであった。したがって、GaAs
バッファ層の代わりにIn0.2Ga0.8Asバッファ層を
適用することにより、量子ドットの発光波長を長波長側
にシフトできることが明らかとなった。
Photoluminescence measurement of the semiconductor device shown in FIG. 4 at room temperature showed that the emission wavelength of the quantum dot was about 1.3 μm. In contrast, In 0.2 G
In the sample in which the quantum dots were formed using the GaAs buffer layer instead of the a 0.8 As buffer layer, the emission wavelength of the quantum dots was about 1.2 μm. Therefore, GaAs
It has been clarified that the emission wavelength of the quantum dot can be shifted to a longer wavelength side by using an In 0.2 Ga 0.8 As buffer layer instead of the buffer layer.

【0029】次に、本実施形態による半導体装置の製造
方法について図5及び図6を用いて説明する。まず、G
aAs基板10上に、例えばMBE法により、In0.2
Ga0.8Asからなるバッファ層12を堆積する(図5
(a))。基板温度は、例えば500℃とする。バッフ
ァ層12の膜厚は、バッファ層12表面における格子定
数をGaAs基板10の格子定数と異ならしめるに十分
な膜厚、すなわち、歪緩和の臨界膜厚以上の膜厚とする
ことが望ましい。上記組成のInGaAsの場合には、
例えば、約500nmの膜厚により表面領域の格子定数
がGaAsのそれとは異なるバッファ層12を形成する
ことができる。なお、バッファ層12の膜厚は、バッフ
ァ層12の組成に応じて適宜調整することが望ましい。
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. First, G
On the aAs substrate 10, for example, an In 0.2
A buffer layer 12 of Ga 0.8 As is deposited (FIG. 5).
(A)). The substrate temperature is, for example, 500 ° C. The thickness of the buffer layer 12 is desirably a thickness sufficient to make the lattice constant on the surface of the buffer layer 12 different from the lattice constant of the GaAs substrate 10, that is, a thickness greater than or equal to the critical thickness for strain relaxation. In the case of InGaAs having the above composition,
For example, the buffer layer 12 having a lattice constant of the surface region different from that of GaAs can be formed with a thickness of about 500 nm. Note that the thickness of the buffer layer 12 is desirably adjusted as appropriate according to the composition of the buffer layer 12.

【0030】次いで、バッファ層12上に、例えばMB
E法により、InAsからなる量子ドットをS−Kモー
ドにて自己形成する(図5(b))。例えば、成長速度
を0.1μm/h、As圧を1.2×10-5Torr、
基板温度を650℃とし、1.8ML(原子層:monola
yer)相当のInAsを供給した後、約1分程度原料の
供給を中断して3次元成長を促進する。こうして、In
0.2Ga0.8Asバッファ層上InAsよりなる量子ドッ
トを形成する。
Next, on the buffer layer 12, for example, MB
By the E method, quantum dots made of InAs are self-formed in the SK mode (FIG. 5B). For example, the growth rate is 0.1 μm / h, the As pressure is 1.2 × 10 −5 Torr,
The substrate temperature is set to 650 ° C. and 1.8 ML (atomic layer: monola
yer) After supplying a considerable amount of InAs, the supply of the raw material is interrupted for about one minute to promote three-dimensional growth. Thus, In
Quantum dots made of InAs are formed on a 0.2 Ga 0.8 As buffer layer.

【0031】なお、S−Kモードによって形成した量子
ドットは、図5(b)に示すように、ぬれ層と呼ばれる
薄い層によって互いに接続される。したがって、ぬれ層
の有無により、S−Kモードにより成長したものである
かどうかを判断することができる。次いで、このように
形成した量子ドット14上に、例えばMBE法により、
GaAsからなる中間層16を形成する(図5
(c))。例えば、成長速度を0.75μm/h、As
圧を6×10-6Torr、基板温度を510℃として3
ML相当のGaAsを供給した後、約2分程度原料の供
給を中断して成長を促進する。これにより、量子ドット
14間の領域が埋め込まれるように中間層16が形成さ
れる。
The quantum dots formed in the SK mode are connected to each other by a thin layer called a wetting layer, as shown in FIG. Therefore, it can be determined whether or not the layer has grown in the SK mode based on the presence or absence of the wetting layer. Next, on the quantum dots 14 thus formed, for example, by the MBE method,
An intermediate layer 16 made of GaAs is formed (FIG. 5).
(C)). For example, a growth rate of 0.75 μm / h, As
The pressure was set to 6 × 10 −6 Torr and the substrate temperature was set to 510 ° C.
After supplying GaAs equivalent to ML, the supply of the raw material is interrupted for about 2 minutes to promote the growth. Thereby, the intermediate layer 16 is formed so that the region between the quantum dots 14 is buried.

【0032】なお、中間層の膜厚を、量子ドット14の
高さよりも薄い程度まで薄膜化すると、成膜方向に近接
積層された複数の量子ドット14は一つの量子ドットと
して機能するようになり、すなわち、量子ドット14の
実効的なサイズが大きくなる。これにより、量子サイズ
効果が弱くなり、発光波長は長波長側にシフトすること
となる。したがって、量子ドット14を近接積層するこ
とにより、発光波長を長波長側にシフトすることが可能
となる。
When the thickness of the intermediate layer is reduced to a level smaller than the height of the quantum dots 14, the plurality of quantum dots 14 stacked close to each other in the film formation direction functions as one quantum dot. That is, the effective size of the quantum dot 14 increases. As a result, the quantum size effect is weakened, and the emission wavelength shifts to the longer wavelength side. Therefore, the emission wavelength can be shifted to a longer wavelength side by laminating the quantum dots 14 in close proximity.

【0033】次いで、上記と同様の手順により、例えば
MBE法により、0.7ML相当のInAsと3ML相
当のGaAsとを例えば8回繰り返して堆積し、量子ド
ット14が近接積層された量子ドット層18を形成する
(図6(a))。次いで、量子ドット層18上に、例え
ばMBE法により、膜厚約30nmのInGaAsより
なるクラッド層20を形成する。
Then, 0.7 ML of InAs and 3 ML of GaAs are repeatedly deposited, for example, eight times by the same procedure as above, for example, by the MBE method, and the quantum dot layer 18 in which the quantum dots 14 are closely stacked is formed. Is formed (FIG. 6A). Next, a cladding layer 20 of about 30 nm in thickness made of InGaAs is formed on the quantum dot layer 18 by, for example, the MBE method.

【0034】これにより、図4に示す半導体装置が製造
される。このように、本実施形態によれば、基板と量子
ドットとの間に、表面側の格子定数が基板の格子定数と
は異なるバッファ層を設けるので、バッファ層の組成を
制御によって量子ドットの発光波長を制御することがで
きる。また、GaAs基板上にInAs或いはInGa
Asからなる量子ドットを形成する系において、これら
の間にInGaAsバッファ層を介在させることによ
り、光通信に利用される1.3μm以上の発光波長を有
する量子ドットを形成することが可能となる。
Thus, the semiconductor device shown in FIG. 4 is manufactured. As described above, according to the present embodiment, since the buffer layer having a lattice constant on the surface side different from the lattice constant of the substrate is provided between the substrate and the quantum dots, the emission of the quantum dots is controlled by controlling the composition of the buffer layer. The wavelength can be controlled. Further, InAs or InGa is formed on a GaAs substrate.
In a system for forming quantum dots made of As, by interposing an InGaAs buffer layer between them, it is possible to form quantum dots having an emission wavelength of 1.3 μm or more used for optical communication.

【0035】[第2実施形態]本発明の第2実施形態に
よる半導体装置について図7乃至図9を用いて説明す
る。図7は本実施形態による半導体装置の構造を示す概
略断面図、図8及び図9は本実施形態による半導体装置
の製造方法を示す工程断面図である。本実施形態では、
本発明により構成される量子ドットをレーザ素子に適用
した場合について説明する。
[Second Embodiment] The semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. FIG. 7 is a schematic sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 8 and 9 are process sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment. In this embodiment,
A case in which the quantum dot according to the present invention is applied to a laser device will be described.

【0036】はじめに、本実施形態による半導体装置の
構造について図7を用いて説明する。n−GaAs基板
30上には、膜厚約500nmのn−In0.1Ga0.9
sよりなるバッファ層32が形成されている。バッファ
層32上には、膜厚約1400nmのn−In0.5Ga
0.5Pよりなるクラッド層34が形成されている。クラ
ッド層34上には、膜厚約100nmのIn0.05Ga
0.95AsよりなるSCH層36が形成されている。SC
H層36上には、InGaAs量子ドット38を含むI
nGaAs層よりなる活性層40が形成されている。活
性層40上には、膜厚約100nmのIn0.05Ga0.95
AsよりなるSCH層42が形成されている。SCH層
42上には、膜厚約1400nmのp−In0.5Ga0.5
Pよりなるクラッド層44が形成されている。クラッド
層44上には、膜厚400nmのp−In0.05Ga0.95
Asよりなるコンタクト層46が形成されている。
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. On the n-GaAs substrate 30, n-In 0.1 Ga 0.9 A having a thickness of about 500 nm is formed.
A buffer layer 32 of s is formed. On the buffer layer 32, n-In 0.5 Ga having a thickness of about 1400 nm is formed.
A cladding layer 34 of 0.5 P is formed. On the cladding layer 34, In 0.05 Ga having a thickness of about 100 nm is formed.
An SCH layer 36 of 0.95 As is formed. SC
On the H layer 36, the I layer including the InGaAs quantum dots 38
An active layer 40 made of an nGaAs layer is formed. On the active layer 40, an In 0.05 Ga 0.95 layer having a thickness of about 100 nm is formed.
The SCH layer 42 made of As is formed. On the SCH layer 42, p-In 0.5 Ga 0.5 having a thickness of about 1400 nm is formed.
A cladding layer 44 made of P is formed. On the cladding layer 44, a 400 nm-thick p-In 0.05 Ga 0.95
A contact layer 46 made of As is formed.

【0037】このように、本実施形態による半導体装置
は、半導体レーザの活性層40として量子ドット活性層
を適用しているので、電子・正孔と光との相互作用を極
限まで効率化することが可能となり、発振しきい値やし
きい値の温度特性の改善を図ることができる。また、量
子ドット活性層の発光波長は、第1実施形態のバッファ
層12に相当するバッファ層32の組成比を制御するこ
とで適宜制御することができる。すなわち、バッファ層
32を構成するInGaAs層の組成を適宜制御するこ
とにより、光通信に好適な1.3μm帯、或いは、1.
55μm帯の発光波長を有する半導体レーザを構成する
ことも可能となる。例えば、上述したIn0.1Ga0.9
sによりバッファ層32を構成することによりバッファ
層32上の面内格子定数はGaAsのそれよりも大きく
なり、このように得られた格子定数を上層の膜にも反映
することができる。したがって、バッファ層32のIn
組成を適宜制御することにより、量子ドットの発光波長
を1.3μm或いは1.55μmに制御することができ
る。
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the quantum dot active layer is applied as the active layer 40 of the semiconductor laser, the interaction between electrons / holes and light is made as efficient as possible. And the temperature characteristics of the oscillation threshold and the threshold can be improved. In addition, the emission wavelength of the quantum dot active layer can be appropriately controlled by controlling the composition ratio of the buffer layer 32 corresponding to the buffer layer 12 of the first embodiment. That is, by appropriately controlling the composition of the InGaAs layer constituting the buffer layer 32, a 1.3 μm band suitable for optical communication or 1.
It is also possible to configure a semiconductor laser having an emission wavelength in the 55 μm band. For example, the above In 0.1 Ga 0.9 A
By forming the buffer layer 32 with s, the in-plane lattice constant on the buffer layer 32 becomes larger than that of GaAs, and the lattice constant thus obtained can be reflected on the upper layer film. Therefore, the In of the buffer layer 32
By appropriately controlling the composition, the emission wavelength of the quantum dot can be controlled to 1.3 μm or 1.55 μm.

【0038】次に、本実施形態による半導体装置の製造
方法について図8及び図9を用いて説明する。まず、n
−GaAs基板30上に、例えばMOVPE法により、
膜厚約500nmのn−In0.1Ga0.9As層と、膜厚
約1400nmのn−In0.5Ga0.5P層と、膜厚約1
00nmのIn0.05Ga0.95As層とを順次堆積する。
III族原料としては、例えば、トリメチルインジウム
(TMI)、トリメチルインジウムジメチルエチルアミ
ンアダクト(TMIDMEA)、トリエチルガリウム
(TEG)を、V族原料としては、例えば、アルシン
(AsH3)を用いることができる。また、成膜時の基
板温度は例えば500℃とする。こうして、n−GaA
s基板30上に、n−In0.1Ga0.9Asよりなるバッ
ファ層32と、n−In 0.5Ga0.5Pよりなるクラッド
層34と、In0.05Ga0.95AsよりなるSCH層36
とを形成する(図8(a))。
Next, the semiconductor device according to the present embodiment is manufactured.
The method will be described with reference to FIGS. First, n
On the GaAs substrate 30, for example, by the MOVPE method,
N-In with a thickness of about 500 nm0.1Ga0.9As layer and film thickness
About 1400 nm n-In0.5Ga0.5P layer and film thickness about 1
00 nm In0.05Ga0.95An As layer is sequentially deposited.
Group III raw materials include, for example, trimethylindium
(TMI), trimethylindium dimethylethylamine
Adduct (TMIDMEA), triethylgallium
(TEG) as a group V raw material, for example, arsine
(AsHThree) Can be used. In addition, the base during film formation
The plate temperature is, for example, 500 ° C. Thus, n-GaAs
On the s substrate 30, n-In0.1Ga0.9A bag made of As
Layer 32 and n-In 0.5Ga0.5Cladding made of P
Layer 34 and In0.05Ga0.95SCH layer 36 made of As
(FIG. 8A).

【0039】次いで、SCH層36上に、例えばMOV
PE法により、活性層40を形成する。例えば、基板温
度を500℃とし、InAsとGaAsとを原子層レベ
ルで交互に供給して成膜を行うことにより、InGaA
s量子ドット38を含むInGaAs層からなる活性層
40を形成する。InAsとGaAsとを交互に供給し
てInGaAsの成膜を行うと、膜中には、In組成が
高いInGaAsが凝集されてなる量子ドット38を形
成される。こうして、SCH層36上に、量子ドット3
8を有する活性層40を形成することができる(図8
(b))。
Next, on the SCH layer 36, for example, MOV
The active layer 40 is formed by the PE method. For example, the substrate temperature is set to 500 ° C., and InAs and GaAs are alternately supplied at the atomic layer level to form a film.
An active layer 40 made of an InGaAs layer including s quantum dots 38 is formed. When InGaAs is formed by alternately supplying InAs and GaAs, quantum dots 38 formed by aggregating InGaAs having a high In composition are formed in the film. Thus, the quantum dots 3 on the SCH layer 36
8 can be formed (FIG. 8).
(B)).

【0040】次いで、活性層40上に、例えばMOVP
E法により、膜厚約100nmのIn0.05Ga0.95As
層と、膜厚約1400nmのp−In0.5Ga0.5P層
と、膜厚400nmのp−In0.05Ga0.95As層とを
順次堆積する。成膜時の基板温度は例えば500℃とす
る。こうして、活性層40上に、In0.05Ga0.95As
よりなるSCH層42と、p−In0.5Ga0.5Pよりな
るクラッド層44と、p−In0.05Ga0.95Asよりな
るコンタクト層46とを形成する(図9)。
Next, on the active layer 40, for example, MOVP
E method, In 0.05 Ga 0.95 As with a thickness of about 100 nm
A layer, a p-In 0.5 Ga 0.5 P layer having a thickness of about 1400 nm, and a p-In 0.05 Ga 0.95 As layer having a thickness of 400 nm are sequentially deposited. The substrate temperature during film formation is, for example, 500 ° C. Thus, on the active layer 40, In 0.05 Ga 0.95 As
The SCH layer 42 made of p-In 0.5 Ga 0.5 P and the contact layer 46 made of p-In 0.05 Ga 0.95 As are formed (FIG. 9).

【0041】こうして、図7に示す半導体装置が形成さ
れる。このように、本実施形態によれば、量子ドット層
からなる活性層を有する半導体レーザにおいて、量子ド
ットの発光波長をSCH層を構成する下地膜によって制
御するので、発振しきい値やしきい値の温度特性の改善
を図ることができるとともに、発光波長を長波長化する
ことができる。これにより、光通信に好適な1.3μm
帯、或いは、1.55μm帯の発光波長を有する半導体
レーザを構成することも可能となる。
Thus, the semiconductor device shown in FIG. 7 is formed. As described above, according to the present embodiment, in the semiconductor laser having the active layer formed of the quantum dot layer, the emission wavelength of the quantum dot is controlled by the base film forming the SCH layer. Can be improved, and the emission wavelength can be made longer. Thereby, 1.3 μm suitable for optical communication
It is also possible to configure a semiconductor laser having an emission wavelength in the band or the 1.55 μm band.

【0042】[変形実施形態]本発明は、上記実施形態
に限らず種々の変形が可能である。上記実施形態では、
GaAs基板上に、InGaAsバッファ層と、InA
s或いはInGaAsよりなる量子ドットとを形成する
場合を例にして説明したが、本発明は他の材料系の半導
体装置においても同様に適用することができる。すなわ
ち、本発明は、半導体基板上にバッファ層を介して形成
された量子ドットを有する半導体装置において、バッフ
ァ層として基板とは異なる格子定数を有する半導体層を
適用するとともに、この半導体層の面内格子定数を制御
することによって量子ドットの発光波長を制御するもの
であり、上述の材料系に限定されるものではない。例え
ば、GaAs系の半導体のみならず、InP系その他の
化合物半導体、SiやGeなどの半導体であっても同様
に適用することができる。また、量子ドットを構成する
半導体層としては、InAs、InGaAs、その他の
II-VI族、III-V族化合物半導体などを適用することが
できる。バッファ層を構成する材料は、半導体基板とは
格子定数が異なるが歪緩和しつつエピタキシャル成長が
可能な半導体材料から適宜選択すればよい。また、量子
ドットを構成する材料としては、当該バッファ層上にS
−Kモードで量子ドットが自己形成される材料を適宜選
択すればよい。
[Modified Embodiment] The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. In the above embodiment,
On a GaAs substrate, an InGaAs buffer layer and an InA
Although the case of forming quantum dots of s or InGaAs has been described as an example, the present invention can be similarly applied to a semiconductor device of another material. That is, in the present invention, in a semiconductor device having quantum dots formed on a semiconductor substrate via a buffer layer, a semiconductor layer having a lattice constant different from that of the substrate is applied as a buffer layer, and the semiconductor layer has The light emission wavelength of the quantum dot is controlled by controlling the lattice constant, and is not limited to the above-described material system. For example, the present invention can be similarly applied to not only a GaAs-based semiconductor but also an InP-based or other compound semiconductor, or a semiconductor such as Si or Ge. Further, as a semiconductor layer constituting the quantum dot, InAs, InGaAs, other
A group II-VI or group III-V compound semiconductor can be used. The material forming the buffer layer may be appropriately selected from semiconductor materials having a different lattice constant from the semiconductor substrate but capable of epitaxial growth while relaxing the strain. Further, as a material forming the quantum dot, S
A material in which quantum dots are self-formed in the -K mode may be appropriately selected.

【0043】また、上記第1実施形態では、近接積層法
により量子ドットを形成したが、必ずしも近接積層する
必要はない。例えば、S−Kモードによる単層の量子ド
ット層を形成してもよいし、また、膜厚の厚い中間層を
介して量子ドットを多重積層してもよい。また、上記第
2実施形態では、本発明により構成される量子ドットを
半導体レーザの活性層に適用する例を示したが、ブルー
チャープ変調器、波長変換素子、量子ドットメモリな
ど、量子ドットを利用する様々なデバイスにおいても同
様に適用することができる。
In the first embodiment, the quantum dots are formed by the proximity lamination method, but it is not always necessary to perform the proximity lamination. For example, a single quantum dot layer in the SK mode may be formed, or multiple quantum dots may be stacked via a thick intermediate layer. Further, in the second embodiment, the example in which the quantum dot configured according to the present invention is applied to the active layer of the semiconductor laser has been described. However, a quantum dot such as a blue chirp modulator, a wavelength conversion element, or a quantum dot memory is The present invention can be similarly applied to various devices.

【0044】本発明によって得られる上記効果は量子ド
ットの成膜方法に依存するものではないが、一般に、量
子ドットの発光波長は成膜方法によって変化するもので
ある。したがって、量子ドットの成膜方法や成膜条件
は、所望する発光波長などの特性応じて適宜選択、調整
することが望ましい。
The above effects obtained by the present invention do not depend on the method of forming the quantum dots, but generally, the emission wavelength of the quantum dots changes depending on the method of forming the films. Therefore, it is desirable to appropriately select and adjust the film formation method and the film formation conditions of the quantum dots according to characteristics such as a desired emission wavelength.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、半導体基
板上に、表面近傍における格子定数が半導体基板との界
面近傍における格子定数とは異なるバッファ層を設け、
バッファ層上に量子ドットを形成するので、量子ドット
の発光波長をバッファ層の表面近傍における格子定数に
よって規定することができる。これにより、量子ドット
の発光波長を長波長側にシフトすることができ、GaA
s基板上に形成した量子ドットでは従来実現することが
困難であった1.3μm帯或いは1.55μm帯の発光
波長を有する量子ドットを形成することが可能となる。
As described above, according to the present invention, a buffer layer having a lattice constant near the surface different from that near the interface with the semiconductor substrate is provided on the semiconductor substrate.
Since the quantum dots are formed on the buffer layer, the emission wavelength of the quantum dots can be defined by the lattice constant near the surface of the buffer layer. Thereby, the emission wavelength of the quantum dot can be shifted to the longer wavelength side, and GaAs
With the quantum dots formed on the s substrate, it is possible to form quantum dots having an emission wavelength in the 1.3 μm band or the 1.55 μm band, which have been difficult to realize conventionally.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来の半導体装置の構造及び製造方法を示す概
略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a structure and a manufacturing method of a conventional semiconductor device.

【図2】本発明の半導体装置の原理を示す概略断面図で
ある。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the principle of the semiconductor device of the present invention.

【図3】本発明の半導体装置におけるバッファ層のIn
組成と量子ドットの発光波長との関係を示すグラフであ
る。
FIG. 3 shows In of a buffer layer in the semiconductor device of the present invention.
4 is a graph showing a relationship between a composition and an emission wavelength of a quantum dot.

【図4】本発明の第1実施形態による半導体装置の構造
を示す概略断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図(その1)である。
FIG. 5 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;

【図6】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図(その2)である。
FIG. 6 is a sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;

【図7】本発明の第2実施形態による半導体装置の構造
を示す概略断面図である。
FIG. 7 is a schematic sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図(その1)である。
FIG. 8 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図(その2)である。
FIG. 9 is a process sectional view (part 2) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…GaAs基板 12…InGaAsバッファ層 14…量子ドット 16…中間層 18…量子ドット層 20…クラッド層 30…n−GaAs基板 32…バッファ層 34…クラッド層 36…SCH層 38…量子ドット 40…活性層 42…SCH層 44…クラッド層 46…コンタクト層 50…GaAs基板 52…GaAsバッファ層 54…量子ドット DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... GaAs substrate 12 ... InGaAs buffer layer 14 ... quantum dot 16 ... intermediate layer 18 ... quantum dot layer 20 ... cladding layer 30 ... n-GaAs substrate 32 ... buffer layer 34 ... cladding layer 36 ... SCH layer 38 ... quantum dot 40 ... Active layer 42 SCH layer 44 Cladding layer 46 Contact layer 50 GaAs substrate 52 GaAs buffer layer 54 Quantum dot

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成され、表面近傍における格子定
数が前記半導体基板との界面近傍における格子定数とは
異なるバッファ層と、 前記バッファ層上に形成された量子ドット層とを有する
ことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate, a buffer layer formed on the semiconductor substrate, wherein a lattice constant near a surface is different from a lattice constant near an interface with the semiconductor substrate, and a quantum dot formed on the buffer layer And a semiconductor device.
【請求項2】 請求項1記載の半導体装置において、 前記量子ドット層は、発光波長が前記バッファ層の前記
表面近傍における格子定数によって規定されていること
を特徴とする半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum dot layer has an emission wavelength defined by a lattice constant near the surface of the buffer layer.
【請求項3】 請求項1又は2記載の半導体装置におい
て、 前記バッファ層の表面近傍における格子定数は、前記半
導体基板との界面近傍における格子定数よりも大きいこ
とを特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lattice constant near a surface of the buffer layer is larger than a lattice constant near an interface with the semiconductor substrate.
【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
半導体装置において、 前記量子ドットは、S−Kモードによって自己形成され
た3次元成長島よりなることを特徴とする半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum dots are formed by a three-dimensionally grown island self-formed in an SK mode.
【請求項5】 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の
半導体装置において、 前記量子ドットは、中間層を挟んで複数積層されている
ことを特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the quantum dots are stacked with an intermediate layer interposed therebetween.
【請求項6】 請求項5記載の半導体装置において、 前記中間層の膜厚は、前記量子ドットの高さよりも薄い
ことを特徴とする半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the thickness of the intermediate layer is smaller than the height of the quantum dots.
【請求項7】 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の
半導体装置において、 前記量子ドットは、InAs又はInGaAsによって
構成されていることを特徴とする半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum dots are made of InAs or InGaAs.
【請求項8】 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の
半導体装置において、 前記半導体基板はGaAs基板であり、前記バッファ層
はInGaAs層であることを特徴とする半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor substrate is a GaAs substrate, and said buffer layer is an InGaAs layer.
【請求項9】 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の
半導体装置において、 前記量子ドットは、半導体レーザの活性層であることを
特徴とする半導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum dot is an active layer of a semiconductor laser.
【請求項10】 半導体基板上に、表面近傍における格
子定数が前記半導体基板との界面近傍における格子定数
とは異なるバッファ層を形成する工程と、 前記バッファ層上に、発光波長が前記バッファ層の前記
表面近傍における格子定数によって規定された量子ドッ
トを形成する工程とを有することを特徴とする半導体装
置の製造方法。
10. A step of forming a buffer layer on a semiconductor substrate, the lattice constant near the surface being different from the lattice constant near the interface with the semiconductor substrate; and forming, on the buffer layer, an emission wavelength of the buffer layer. Forming quantum dots defined by a lattice constant in the vicinity of the surface.
【請求項11】 請求項10記載の半導体装置の製造方
法において、 前記量子ドットを形成する工程では、S−Kモードによ
り3次元成長島よりなる前記量子ドットを自己形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein, in the step of forming the quantum dots, the quantum dots formed of three-dimensional growth islands are self-formed in an SK mode. Device manufacturing method.
【請求項12】 請求項10記載の半導体装置の製造方
法において、 前記量子ドットを形成する工程では、膜中にドット状に
凝集して形成された前記量子ドットを形成することを特
徴とする半導体装置の製造方法。
12. The semiconductor device manufacturing method according to claim 10, wherein, in the step of forming the quantum dots, the quantum dots formed in the film by being aggregated in a dot shape are formed. Device manufacturing method.
【請求項13】 請求項10乃至12のいずれか1項に
記載の半導体装置の製造方法において、 前記量子ドットを形成する工程では、中間層を挟んで複
数の量子ドットを積層することを特徴とする半導体装置
の製造方法。
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein, in the step of forming the quantum dots, a plurality of quantum dots are stacked with an intermediate layer interposed therebetween. Semiconductor device manufacturing method.
【請求項14】 請求項10乃至13のいずれか1項に
記載の半導体装置の製造方法において、 前記バッファ層を形成する工程では、前記量子ドットの
発光波長が所望の波長となるように、前記表面近傍にお
ける格子定数を制御することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein, in the step of forming the buffer layer, the emission wavelength of the quantum dots is set to a desired wavelength. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising controlling a lattice constant in the vicinity of a surface.
JP10370631A 1998-12-25 1998-12-25 Semiconductor device and its manufacture Pending JP2000196193A (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10370631A JP2000196193A (en) 1998-12-25 1998-12-25 Semiconductor device and its manufacture
US09/469,237 US6507042B1 (en) 1998-12-25 1999-12-22 Semiconductor device and method of manufacturing the same
US10/285,448 US6815242B2 (en) 1998-12-25 2002-11-01 Semiconductor device and method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10370631A JP2000196193A (en) 1998-12-25 1998-12-25 Semiconductor device and its manufacture

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2000196193A true JP2000196193A (en) 2000-07-14

Family

ID=18497345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP10370631A Pending JP2000196193A (en) 1998-12-25 1998-12-25 Semiconductor device and its manufacture

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2000196193A (en)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002184970A (en) * 2000-12-15 2002-06-28 Fujitsu Ltd Semiconductor device including quantum dots, its fabricating method and semiconductor laser
GB2388957A (en) * 2002-05-24 2003-11-26 Imp College Innovations Ltd Quantum dots for extended wavelength operation
JP2006245373A (en) * 2005-03-04 2006-09-14 Fujitsu Ltd Semiconductor device
JP2007042840A (en) * 2005-08-03 2007-02-15 Fujitsu Ltd Method of manufacturing quantum dot optical semiconductor device
JP2007157975A (en) * 2005-12-05 2007-06-21 Fujitsu Ltd Manufacturing method of semiconductor device
JP2007318164A (en) * 2007-07-17 2007-12-06 Univ Of Tsukuba Semiconductor device, and method of manufacturing the same
JP2008503072A (en) * 2004-06-16 2008-01-31 エグザロス・アクチェンゲゼルシャフト Broadband light emitting device
JP2008251989A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Fujitsu Ltd Semiconductor optical element
JP2009164194A (en) * 2007-12-28 2009-07-23 Fujitsu Ltd Method of manufacturing semiconductor optical apparatus having quantum dot structure
JP2010109065A (en) * 2008-10-29 2010-05-13 National Institute Of Information & Communication Technology Nanostructure and method for manufacturing the same
JP2010199414A (en) * 2009-02-26 2010-09-09 National Institute Of Information & Communication Technology Semiconductor quantum dot and method of forming the same
JP2012209315A (en) * 2011-03-29 2012-10-25 Fujitsu Ltd Optical semiconductor device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0888345A (en) * 1994-09-16 1996-04-02 Fujitsu Ltd Semiconductor device utilizing three-dimensional quantum confinement
JPH08264893A (en) * 1995-03-20 1996-10-11 Fujitsu Ltd Semiconductor device utilizing three-dimensional quantium confinement
JPH09260634A (en) * 1996-03-19 1997-10-03 Fujitsu Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JPH09326506A (en) * 1996-04-05 1997-12-16 Fujitsu Ltd Quantum semiconductor device and manufacture thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0888345A (en) * 1994-09-16 1996-04-02 Fujitsu Ltd Semiconductor device utilizing three-dimensional quantum confinement
JPH08264893A (en) * 1995-03-20 1996-10-11 Fujitsu Ltd Semiconductor device utilizing three-dimensional quantium confinement
JPH09260634A (en) * 1996-03-19 1997-10-03 Fujitsu Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JPH09326506A (en) * 1996-04-05 1997-12-16 Fujitsu Ltd Quantum semiconductor device and manufacture thereof

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002184970A (en) * 2000-12-15 2002-06-28 Fujitsu Ltd Semiconductor device including quantum dots, its fabricating method and semiconductor laser
GB2388957A (en) * 2002-05-24 2003-11-26 Imp College Innovations Ltd Quantum dots for extended wavelength operation
WO2003100833A2 (en) * 2002-05-24 2003-12-04 Imperial College Innovations Limited Method of forming quantum dots for extended wavelength operation
WO2003100833A3 (en) * 2002-05-24 2004-11-11 Imp College Innovations Ltd Method of forming quantum dots for extended wavelength operation
JP2005534164A (en) * 2002-05-24 2005-11-10 インペリアル・カレッジ・イノベイションズ・リミテッド Method for forming quantum dots operating at extended wavelengths
US7160822B2 (en) 2002-05-24 2007-01-09 Imperial College Innovations Limited Method of forming quantum dots for extended wavelength operation
CN100375353C (en) * 2002-05-24 2008-03-12 帝国学院创新有限公司 Method of forming quantum dots for extended wavelength operation
JP2008503072A (en) * 2004-06-16 2008-01-31 エグザロス・アクチェンゲゼルシャフト Broadband light emitting device
JP2006245373A (en) * 2005-03-04 2006-09-14 Fujitsu Ltd Semiconductor device
JP2007042840A (en) * 2005-08-03 2007-02-15 Fujitsu Ltd Method of manufacturing quantum dot optical semiconductor device
JP2007157975A (en) * 2005-12-05 2007-06-21 Fujitsu Ltd Manufacturing method of semiconductor device
JP2008251989A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Fujitsu Ltd Semiconductor optical element
JP2007318164A (en) * 2007-07-17 2007-12-06 Univ Of Tsukuba Semiconductor device, and method of manufacturing the same
JP2009164194A (en) * 2007-12-28 2009-07-23 Fujitsu Ltd Method of manufacturing semiconductor optical apparatus having quantum dot structure
JP2010109065A (en) * 2008-10-29 2010-05-13 National Institute Of Information & Communication Technology Nanostructure and method for manufacturing the same
JP2010199414A (en) * 2009-02-26 2010-09-09 National Institute Of Information & Communication Technology Semiconductor quantum dot and method of forming the same
JP2012209315A (en) * 2011-03-29 2012-10-25 Fujitsu Ltd Optical semiconductor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6815242B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JPS6254988A (en) Semiconductor laser
JP2854607B2 (en) Semiconductor device and semiconductor laser device
JP2000196193A (en) Semiconductor device and its manufacture
JP4151042B2 (en) Semiconductor laser
JP4651759B2 (en) Device with quantum dots
JP2004063957A (en) Manufacturing method of semiconductor member having semiconductor quantum dot, semiconductor laser, and optical module
JP4066002B2 (en) Manufacturing method of semiconductor quantum dots
US6858519B2 (en) Atomic hydrogen as a surfactant in production of highly strained InGaAs, InGaAsN, InGaAsNSb, and/or GaAsNSb quantum wells
JP3829153B2 (en) Optical semiconductor device
JP4587456B2 (en) Optical semiconductor device
JP2000022130A (en) Manufacture of semiconductor quantum dot device
JP3692407B2 (en) Manufacturing method of semiconductor quantum dot device
JP4086465B2 (en) Quantum dot structure and method for forming the same, and semiconductor device device having the quantum dot structure
JP4075003B2 (en) Semiconductor laser and manufacturing method thereof
JPH1187689A (en) Manufacture of quantum dot
JP2980175B2 (en) Method for manufacturing quantum dot structure and method for manufacturing semiconductor light emitting device using the same
JP2005136267A (en) Semiconductor quantum dot element
JP2001085665A (en) Semiconductor device using quantum dots
JP2000196198A (en) Semiconductor device and its manufacture
JP2757258B2 (en) Superlattice element manufacturing method
JP2013093425A (en) Quantum semiconductor device and method for manufacturing the same
JP4737919B2 (en) Quantum semiconductor device
JP2643771B2 (en) Semiconductor embedded structure and manufacturing method thereof
JPH11186536A (en) Manufacture of semiconductor quantum dot element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040927

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20070817

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070828

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20071029

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20071225

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080123

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20080229

A912 Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20080321