JP2000196198A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 量子ドットを有する半導体装置及びその製造
方法に関し、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。 【解決手段】 少なくとも３元素を含む化合物半導体基
板１０と、化合物半導体基板１０上に形成され、発光波
長が化合物半導体基板１０の格子定数によって規定され
た量子ドット１４とにより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【０００９】また、自己形成モードを利用した新しいド
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。

【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。

【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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、少なくとも
３元素を含む化合物半導体基板と、前記化合物半導体基
板上に形成され、発光波長が前記化合物半導体基板の格
子定数によって規定された量子ドットとを有することを
特徴とする半導体装置によって達成される。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。

【００１３】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。また、上記の半導体装置において、前
記化合物半導体基板を、ＩｎＧａＡｓ基板によって構成
するようにしてもよい。

【００１４】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、前記化合物半導体層と前記量子ドット層との間に、
バッファ層を更に有するようにしてもよい。また、上記
の半導体装置において、前記量子ドットにより、半導体
レーザの活性層を構成するようにしてもよい。

【００１５】また、上記目的は、少なくとも３元素を含
む化合物半導体基板上に、発光波長が前記化合物半導体
基板の構成元素の組成によって制御された量子ドットを
形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造
方法によっても達成される。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。

【００１６】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。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。

【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の前に、前記化合物
半導体基板上にバッファ層を形成する工程を更に有する
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、前記化合物半導体基板は、ＩｎＧａＡｓ基板
を適用することができる。

【００１８】また、上記の半導体装置の製造方法におい
て、前記量子ドットは、ＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓによ
って構成してもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】［本発明の原理］はじめに、本発
明の原理について説明する。従来の半導体装置の製造方
法では、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓバッファ層を形成
し、次いで、数原子層のＩｎＡｓ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。ＧａＡｓ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ＩｎＡｓ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Ｇａ
Ａｓ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。

【００２０】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。

【００２１】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、半導体基板の組成によって制御することができ
る。例えば、半導体基板として、ＧａＡｓ基板を用いる
代わりにＩｎＡｓとＧａＡｓの混晶である３元系のＩｎ
ＧａＡｓ基板を用いることにより、この基板のＩｎ組成
を制御することによって格子不整合の量を変動させるこ
とができる。

【００２２】下地基板をＧａＡｓ基板からＩｎＧａＡｓ
基板に代えた場合、ＩｎＧａＡｓ基板の格子定数と量子
ドット本来の格子定数との差は、ＧａＡｓ基板上に量子
ドットを形成した場合の格子定数差とほぼ同じになるこ
とが推測される。したがって、ＩｎＧａＡｓ基板上に量
子ドットを形成することにより、ＧａＡｓ基板上に量子
ドットを形成する場合よりも、発光波長を長波長側にシ
フトできることが見込まれる。また、Ｉｎ組成を増やす
につれて発光波長を更に長波長側にシフトできると考え
られる。

【００２３】ＧａＡｓ基板上にＳ−Ｋモードで量子ドッ
トを形成した場合、得られる量子ドットの発光波長は
１．１μｍ程度であるから、基板のＩｎ組成を０．０５
〜０．２程度に設定することにより、発光波長は１．３
μｍ程度になると考えられる。また、Ｉｎ組成を更に増
加すれば、１．５５μｍ帯の発光をも可能となると考え
られる。

【００２４】図１は、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ基板上に量子
ドットを形成した場合及びＧａＡｓ基板上に量子ドット
を形成した場合の４．２ＫにおけるＰＬ発光スペクトル
を示すグラフである。図示するように、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8
Ａｓ基板を用いた試料は、ＧａＡｓ基板を用いた場合の
約１．１μｍよりも０．１μｍ長波長である１．２μｍ
において発光した。また、この試料の室温における発光
波長は約１．３μｍであった。このように、基板として
ＩｎＧａＡｓ基板を用いることにより、ＧａＡｓ基板を
用いる場合よりも量子ドットの発光波長を長波長化する
ことができることが判った。

【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２及び図３を用いて説明
する。図２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３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。

【００２６】はじめに、本実施形態による半導体装置の
構造について図２を用いて説明する。ＩｎＧａＡｓ基板
１０上には、基板と格子定数が一致したＩｎＧａＡｓよ
りなるバッファ層１２が形成されている。バッファ層１
２上には、ＩｎＡｓよりなる量子ドット１４が形成され
ている。量子ドット１４上には、ＩｎＧａＡｓよりなる
クラッド層２０が形成されている。

【００２７】このように、基板としてＩｎＧａＡｓ基板
１０を用い、その上層に量子ドットを形成することによ
り、ＧａＡｓ基板上に量子ドットを形成した場合と比較
して、量子ドットの発光波長を長波長化することができ
た。すなわち、ＧａＡｓ基板上に量子ドットを形成した
場合、量子ドットの発光波長は約１．１μｍであった
が、ＩｎＧａＡｓ基板１０及びＩｎＧａＡｓバッファ層
１２のＩｎ組成を０．１〜０．２程度に設定することに
より、量子ドット１４のＩｎ組成がシフトし、量子ドッ
ト１４の発光波長を約１．３μｍに制御することができ
た。また、ＩｎＧａＡｓ基板１０及びＩｎＧａＡｓバッ
ファ層１２のＩｎ組成を０．２５〜０．３程度に設定す
ることにより、量子ドット１４の発光波長を約１．５５
μｍに制御することができた。

【００２８】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３を用いて説明する。まず、ＩｎＧａＡ
ｓ基板１０上に、例えばＭＯＶＰＥ法により、膜厚１０
０ｎｍのＩｎＧａＡｓよりなるバッファ層１２を形成す
る（図３（ａ））。基板温度は例えば６３０℃とし、Ｉ
ｎＧａＡｓ基板１０のＩｎ組成は例えば０．０５〜０．
２とする。また、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２のＩｎ組
成はＩｎＧａＡｓ基板１０の組成と同じ組成である０．
０５〜０．２とする。

【００２９】次いで、バッファ層１２上に、例えばＭＯ
ＶＰＥ法により、ＩｎＡｓよりなる量子ドット１４を形
成する（図３（ｂ））。例えば、基板温度を５００℃と
して、約２原子層相当のＩｎＡｓを供給し、Ｓ−Ｋモー
ドによって量子ドット１４を自己形成する。次いで、例
えばＭＯＶＰＥ法により、膜厚約１００ｎｍのＩｎＧａ
Ａｓよりなるクラッド層２０を形成する（図３
（ｃ））。基板温度は例えば６３０℃とし、クラッド層
２０のＩｎ組成はＩｎＧａＡｓ基板１０の組成と同じ組
成である０．０５〜０．２とする。

【００３０】このようにしてＩｎＧａＡｓ基板１０上に
量子ドットを形成することにより、基板のＩｎ組成が約
０．１〜０．２のときに発光波長が１．３μｍの量子ド
ットを、基板のＩｎ組成が約０．３のときに発光波長が
１．５５μｍの量子ドットを形成することができた。こ
のように、本実施形態によれば、ＩｎＧａＡｓ基板１０
上に量子ドット１４を形成するので、ＧａＡｓ基板上に
量子ドットを形成する場合よりも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る。

【００３１】［第２実施形態］本発明の第２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を用いて
説明する。本実施形態による半導体装置は、図４に示す
ように、第１実施形態による半導体装置において、量子
ドット１４がＩｎＧａＡｓよりなる中間層１６を介して
ＩｎＧａＡｓバッファ層１２上に多重積層されているこ
とに特徴がある。

【００３２】このように半導体装置を構成することによ
り、量子ドット１４の面内密度を極めて高くすることが
できる。したがって、このような構造を例えば半導体レ
ーザの活性層に適用することにより、発振効率を高める
ことができる。なお、図４に示す半導体装置の製造にあ
たっては、図３に示す第１実施形態による製造方法にお
いて、バッファ層１２を形成した後、約２原子層相当の
ＩｎＡｓ量子ドット１４と、膜厚約２０ｎｍ相当のＩｎ
ＧａＡｓよりなる中間層１６とを交互に堆積し、量子ド
ット１４と中間層１６の多層構造を形成すればよい。

【００３３】このように、本実施形態によれば、ＩｎＧ
ａＡｓ基板１０上に、量子ドット１４を多重積層するの
で、量子ドット１４の面内密度を高めることができる。
これにより、この量子ドットを例えば半導体レーザに適
用することにより、レーザの発振効率を高めることがで
きる。 ［第３実施形態］本発明の第３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５及び図６を用いて説明
する。

【００３４】図５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。本実施形態による
半導体装置は、図５に示すように、第２実施形態による
半導体装置において、多重積層された量子ドット１４が
互いに接近し、一つの量子ドットとして機能するように
なったものである。すなわち、中間層１６の膜厚を量子
ドット１４の高さよりも薄い程度にまで薄くすると、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、ＩｎＧａＡｓ基板１０を用い
たこととの重畳的効果により、更に発光波長を長波長側
にシフトすることが可能となる。

【００３５】ＧａＡｓ基板上に近接積層した量子ドット
を形成した場合、量子ドットの発光波長は約１．２μｍ
となるが、ＩｎＧａＡｓ基板１０及びＩｎＧａＡｓバッ
ファ層１２のＩｎ組成を０．１〜０．２程度に設定する
ことにより、量子ドット１４の発光波長を約１．３μｍ
に制御することができた。また、ＩｎＧａＡｓ基板１０
及びＩｎＧａＡｓバッファ層１２のＩｎ組成を０．３度
に設定することにより、量子ドットの発光波長を約１．
５５μｍに制御することができた。

【００３６】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６を用いて説明する。まず、ＩｎＧａＡ
ｓ基板１０上に、例えばＭＯＶＰＥ法により、膜厚約３
００ｎｍのＩｎＧａＡｓよりなるバッファ層１２を形成
する（図６（ａ））。基板温度は例えば６３０℃とし、
ＩｎＧａＡｓ基板１０及びＩｎＧａＡｓバッファ層１２
のＩｎ組成は例えば０．０５〜０．２とする。

【００３７】次いで、バッファ層１２上に、例えばＭＯ
ＶＰＥ法により、近接積層された量子ドット層１８を形
成する（図６（ｂ））。例えば、基板温度を５００℃と
して、約２原子層相当のＩｎＡｓと、膜厚約３ｎｍ相当
のＩｎＧａＡｓを交互に堆積し、Ｓ−ＫモードによるＩ
ｎＡｓ量子ドット１４とＩｎＧａＡｓ中間層１６とを交
互に形成する。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット１４と
ＩｎＧａＡｓ中間層１６とが近接積層された量子ドット
層１８を形成する。ＩｎＧａＡｓ中間層のＩｎ組成は例
えば０．１〜０．２５とする。

【００３８】次いで、量子ドット層１８上に、例えばＭ
ＯＶＰＥ法により、ＩｎＧａＡｓよりなるクラッド層２
０を形成する（図６（ｃ））。基板温度は例えば６３０
℃とし、クラッド層２０のＩｎ組成はＩｎＧａＡｓ基板
１０の組成と同じ組成である０．０５〜０．２とする。
このようにしてＩｎＧａＡｓ基板１０上に近接積層され
た量子ドット１４を形成することにより、基板のＩｎ組
成が約０．１〜０．１５のときに発光波長が１．３μｍ
の量子ドットを、基板のＩｎ組成が約０．２５のときに
発光波長が１．５５μｍの量子ドットを形成することが
できた。

【００３９】このように、本実施形態によれば、ＩｎＧ
ａＡｓ基板１０上に量子ドット１４を近接積層するの
で、量子ドット１４の実効的なサイズを増加することが
でき、これにより量子ドットの発光波長を更に長波長側
にシフトすることができる。［第４実施形態］本発明の
第４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７及び図８を用いて説明する。

【００４０】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。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。ＩｎＧａＡｓ基板１０上には、ＩｎＧａＡｓより
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、量子ドット１４を膜中に含むＩｎＧａＡｓより
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、ＩｎＧａＡｓよりなるクラッド層２０が形
成されている。

【００４１】ここで、本実施形態による半導体装置は、
量子ドット層１８が、ＩｎＡｓとＧａＡｓとを交互に供
給する原子層成長の手法により形成されていることに特
徴がある。この方法は、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成の比較
的大きなドットをすることが可能であり、量子ドットの
発光波長を長波長側にシフトする有効な手法の一つであ
る。

【００４２】以下、本実施形態による半導体装置の製造
方法について説明する。まず、ＩｎＧａＡｓ基板１０上
に、例えばＭＯＶＰＥ法により、膜厚１００ｎｍのＩｎ
ＧａＡｓよりなるバッファ層１２を形成する（図８
（ａ））。基板温度は例えば６３０℃とし、ＩｎＧａＡ
ｓ基板１０のＩｎ組成は例えば０．０５〜０．２、Ｉｎ
ＧａＡｓバッファ層のＩｎ組成はＩｎＧａＡｓ基板１０
の組成と同じ組成である０．０５〜０．２とする。

【００４３】次いで、バッファ層１２上に、例えばＭＯ
ＶＰＥ法により、ＩｎＧａＡｓからなる量子ドット層１
８を形成する。例えば、基板温度を４６０℃とし、Ｉｎ
ＡｓとＧａＡｓとを原子層レベルで交互に供給して成膜
を行うことにより量子ドット層１８を形成する（図８
（ｂ））。ＩｎＡｓとＧａＡｓとを交互に供給してＩｎ
ＧａＡｓの成膜を行うと、膜中には、Ｉｎ組成が高いＩ
ｎＧａＡｓが凝集されてなる量子ドット１４を形成する
ことができる。例えば、Ｉｎ組成が約０．２〜０．３程
度のＩｎＧａＡｓ層中に、Ｉｎ組成が約０．５程度のＩ
ｎＧａＡｓ量子ドットが散在する量子ドット層を形成す
ることができる。

【００４４】次いで、量子ドット層１８上に、例えばＭ
ＯＶＰＥ法により、膜厚約１００ｎｍのＩｎＧａＡｓよ
りなるクラッド層２０を形成する。基板温度は例えば６
００℃とし、クラッド層２０のＩｎ組成はＩｎＧａＡｓ
基板１０の組成と同じ組成である０．０５〜０．２とす
る。このようにしてＩｎＧａＡｓ基板１０上に量子ドッ
ト１４を形成することにより、基板のＩｎ組成が約０．
１〜０．２のときに発光波長が１．３μｍの量子ドット
を、基板のＩｎ組成が約０．３のときに発光波長が１．
５５μｍの量子ドットを形成することができた。

【００４５】このように、本実施形態によれば、ＩｎＧ
ａＡｓ基板１０上に、ＩｎＡｓとＧａＡｓとを交互に供
給する原子層成長の手法により量子ドット層１８を形成
するので、Ｉｎ組成を多く含む発光波長の長い量子ドッ
ト１４を形成することができる。 ［第５実施形態］本発明の第５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９乃至図１１を用いて説
明する。

【００４６】図９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１０及び図１１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。ｎ−ＩｎＧａ
Ａｓ基板３０上には、格子定数がｎ−ＩｎＧａＡｓ基板
３０と同じになるＩｎ組成のｎ−ＩｎＧａＰよりなるク
ラッド層３２が形成されている。クラッド層３２上には
量子ドット層３４が形成されている。本実施形態にいう
量子ドット層３４は、第１乃至第４実施形態のいずれか
に記載の半導体装置におけるバッファ層１２〜クラッド
層２０に至る積層膜に相当する。量子ドット層３４上に
は、クラッド層３２を構成するｎ−ＩｎＧａＰと同じ組
成のｐ−ＩｎＧａＰよりなるクラッド層３６が形成され
ている。クラッド層３６上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓより
なるコンタクト層３８が形成されている。コンタクト層
３８及びクラッド層３６はストライプ状に加工されてお
り、レーザの横モードを安定させるリッジ構造が形成さ
れている。ストライプ状に加工されたコンタクト層３８
及びクラッド層３６上には、ストライプの頂部に開口４
０を有するシリコン酸化膜４２が形成されている。シリ
コン酸化膜４２上には、開口４０を介してコンタクト層
３８に接続されたｐ型電極４４が形成されている。ｎ−
ＩｎＧａＡｓ基板３０の裏面には、ｎ型電極４６が形成
されている。

【００４７】こうして、本実施形態による半導体装置が
構成されている。本実施形態による半導体装置では、量
子ドット層３４として、第１乃至第４実施形態のいずれ
かに記載の半導体装置におけるバッファ層１２からクラ
ッド層２０に至る積層膜を適用している。この量子ドッ
ト層３４の上下に、基板に格子整合したバンドギャップ
の大きなＩｎＧａＰ（クラッド層３２、３６）を配置す
ることで、レーザとしての縦方向の光閉じ込めを実現し
ている。このようにして半導体レーザを構成することに
より、量子ドット活性層が波長１．３μｍや１．５５μ
ｍで効率よく発光するため、この波長帯において、低し
きい値電流で効率の高いレーザを実現することができ
る。

【００４８】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１０及び図１１を用いて説明する。ま
ず、ｎ−ＩｎＧａＡｓ基板３０上に、例えばＭＯＶＰＥ
法により、膜厚約３００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＰよりなる
クラッド層３２を形成する。クラッド層３２を構成する
ｎ−ＩｎＧａＰのＩｎ組成は、ｎ−ＩｎＧａＰ層の格子
定数がｎ−ＩｎＧａＡｓ基板３０の格子定数と等しくな
るように選択する。

【００４９】次いで、クラッド層３２上に、第１乃至第
４実施形態のいずれかに記載の半導体装置の製造方法と
同様にして、バッファ層１２、量子ドット１４又は量子
ドット層１８及びクラッド層２０を形成する。こうし
て、これらの層によって構成された量子ドット層３４を
形成する。次いで、量子ドット層３４上に、例えばＭＯ
ＶＰＥ法により、膜厚約２．５μｍのｐ−ＩｎＧａＰよ
りなるクラッド層３６を形成する。クラッド層３６を構
成するｐ−ＩｎＧａＰのＩｎ組成は、クラッド層３２を
構成するｎ−ＩｎＧａＰのＩｎ組成と等しくする。

【００５０】次いで、クラッド層３６上に、例えばＭＯ
ＶＰＥ法により、膜厚約３００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓ
よりなるコンタクト層３８を形成する（図１０
（ａ））。次いで、クラッド層３６及びコンタクト層３
８を、量子ドット層３４上のクラッド層３６が５００ｎ
ｍ程度残存するようにストライプ状に加工する（図１０
（ｂ））。

【００５１】次いで、ストライプ状に加工されたコンタ
クト層３８及びクラッド層３６上に、ストライプの頂部
にストライプ状の開口４０を有するシリコン酸化膜４２
を形成する（図１１（ａ））。次いで、シリコン酸化膜
４２上に、開口４０を介してコンタクト層３８に接続さ
れたｐ型電極４４を形成し、ｎ−ＩｎＧａＡｓ基板３０
の裏面に、ｎ型電極４６を形成する（図１１（ｂ））。

【００５２】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半導体基板の格子定数によって
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１．３μ
ｍ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。

【００５３】なお、上記実施形態では、典型的なファブ
リーペロー型のレーザについて説明したが、ＶＣＳＥＬ
（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と呼ばれ
る面型レーザにおいても同様に適用することができる。
また、上記実施形態では、量子ドット層３４を挟み込む
クラッド層３２、３６としてＩｎＧａＰ層を適用した
が、基板に格子整合する組成を有し、且つ、量子ドット
層３４のうち最もバンドギャップが大きな層よりも大き
なバンドギャップを有する材料であれば他の材料を適用
してもよい。例えば、ＩｎＧａＰ層の代わりに、ＩｎＧ
ａＡｌＡｓ層やＩｎＧａＡｓＰ層を適用することもでき
る。

【００５４】［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。例えば、上記実施形
態では、ＩｎＧａＡｓ基板上に量子ドットを形成する場
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、半導体基板の格子定数を適宜選択するこ
とにより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、Ｉｎ
ＧａＡｓ系の半導体のみならず、ＩｎＰ系その他の化合
物半導体であっても同様に適用することができる。な
お、３元系以上の混晶半導体基板を用いれば、組成の制
御によって格子定数を制御することが容易なため、本発
明を適用するに好適である。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。

【００５５】また、本発明の要旨は、量子ドット層を形
成する段階における基板表面の面内格子定数を適宜制御
することにあり、上述したように半導体基板の格子定数
を制御する場合のみならず、半導体基板上に形成された
歪緩和バッファ層によって基板表面の面内格子定数を制
御する場合にも同様の効果を得ることができる。例え
ば、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓバッファ層を設け、
ＩｎＧａＡｓバッファ層の表面領域の格子定数をＧａＡ
ｓの格子定数と異なるように制御することによっても、
本発明と同様の効果を得ることができる。

【００５６】また、上記第５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。な
お、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。

【００５７】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、少なくと
も３元素を含む化合物半導体基板の組成を制御し、その
化合物半導体基板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化合物半導体基板の格子定数によっ
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、ＧａＡｓ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。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＩｎＧａＡｓ基板上に量子ドットを形成した場
合及びＧａＡｓ基板上に量子ドットを形成した場合にお
けるＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。

【図２】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。

【図３】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である。

【図４】本発明の第２実施形態による半導体装置の構造
及び製造方法を示す概略断面図である。

【図５】本発明の第３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。

【図６】本発明の第３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。

【図７】本発明の第４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。

【図８】本発明の第４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。

【図９】本発明の第５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。

【図１０】本発明の第５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。

【図１１】本発明の第５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。

【符号の説明】

１０…ＩｎＧａＡｓ基板 １２…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−ＩｎＧａＡｓ基板 ３２…クラッド層 ３４…量子ドット層 ３６…クラッド層 ３８…コンタクト層 ４０…開口 ４２…シリコン酸化膜 ４４…ｐ型電極 ４６…ｎ型電極

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも３元素を含む化合物半導体基
   板と、 前記化合物半導体基板上に形成され、発光波長が前記化
   合物半導体基板の格子定数によって規定された量子ドッ
   トとを有することを特徴とする半導体装置。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【請求項４】 請求項３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。
5. 【請求項５】 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、 前記化合物半導体基板は、ＩｎＧａＡｓ基板であること
   を特徴とする半導体装置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５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. 【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、 前記化合物半導体層と前記量子ドット層との間に、バッ
   ファ層を更に有することを特徴とする半導体装置。
8. 【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. 【請求項９】 少なくとも３元素を含む化合物半導体基
   板上に、発光波長が前記化合物半導体基板の構成元素の
   組成によって制御された量子ドットを形成する工程を含
   むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項９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. 【請求項１１】 請求項９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. 【請求項１２】 請求項９乃至１１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、 前記化合物半導体基板は、ＩｎＧａＡｓ基板であること
    を特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項９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の製造方
    法。