JP2001085665A

JP2001085665A - 量子ドットを用いた半導体素子

Info

Publication number: JP2001085665A
Application number: JP25671299A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Sugawara; 充菅原; Taketeru Mukai; 剛輝向井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、温度変化に対して発光周波数の温度
変化を小さく抑えるとともに、高温においても高い発光
効率を有する高品質の量子ドットを用いた半導体素子を
提供することを目的とする。【構成】本発明では、第1の格子定数を有する半導体基
板表面に、第2の格子定数を有する半導体からなる量子
ドットを形成し、次いで前記量子ドットの表面に第3の
格子定数を有する半導体緩衝層を形成し、次いで前記半
導体緩衝層の表面に第４の格子定数を有する半導体歪緩
和層を形成した構造とし、各格子定数の関係を、前記第
1の格子定数と前記第２の格子定数が異なる値であり、
かつ前記第3の格子定数が前記第1の格子定数と同じか、
又は前記第４の格子定数の中間の値であり、更に前記第
４の格子定数が前記第１の格子定数と前記第２の格子定
数の中間の値であるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、量子ドットを用い
た半導体素子に関する。

【０００２】近年では、半導体製造プロセスの進歩に伴
い、ナノスケールの成長技術及び微細加工技術が利用さ
れており、この成長技術及び微細加工技術を用いること
により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微
細な構造をもつ半導体素子を形成することができる。現
在、この量子力学的効果を利用した半導体素子として、
例えばＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏ−ｂｉｐｏｌａｒＴｒａｎ
ｓｉｓｔｏｒ）や量子井戸レーザ等が実用化されてい
る。

【０００３】そして、これらと並んで、量子力学的効果
を利用する究極の材料として量子ドットを用いた半導体
素子が大いに注目されている。例えば、半導体レーザに
おいて、発振しきい値やそのしきい値の温度依存性につ
いては前記量子井戸レーザでは特性改善の限界が指摘さ
れており、この問題を解決する方法のひとつとして、半
導体レーザの活性領域に量子ドットを用いることが提案
されている。

【０００４】量子ドット構造とは、前記成長技術及び微
細加工技術を用いることにより、キャリアに３次元的な
量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形
成したものである。これにより量子ドット内のキャリア
のエネルギー準位が離散的になるので、活性領域に量子
ドットを用いた半導体レーザでは、発光を引き起こす電
子と正孔の再結合に寄与するエネルギー準位を限定する
ことができ、量子井戸レーザなどに比べて極限まで周波
数のそろった光を発光させることができるという大きな
メリットがある。

【０００５】この他にも、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るなど、量子ドットを
次世代の新しい半導体素子に応用するための研究開発が
盛んに行われている。

【０００６】

【従来の技術】これまで、量子ドット構造を形成するた
めの技術としては、微細加工技術開発の延長線上に位置
する、人為的な加工技術をより高度化したものが試みら
れたきた。すなわち、電子線リソグラフフィによる方
法、ピラミッド型結晶の頂点を量子ドット構造とする方
法、エッチングされた四面体穴の底に量子ドット構造を
形成する方法、微傾斜基板上におけるステップ端に量子
ドット構造を形成する方法及びＳＴＭ技術を応用した原
子マニピュレーションの方法などが行われてきた。

【０００７】しかしながら、これらの方法はいずれも人
為的に加工するという特徴をもつため、形成時に加工し
た面において必然的に量子ドットに結晶欠陥が生じてし
まうという欠点があった。

【０００８】これに対し、近年現れた新しい技術とし
て、量子ドットを自己形成させる方法がある。この方法
は、ある特定の条件下で半導体基板上に基板とは格子不
整合の半導体を気相エピタキシャル成長させる方法であ
り、その結果、成長中にある膜厚を超えると、２次元膜
ではなく、３次元的な微細構造が基板上に島状分布をす
るようになり、量子ドット構造が自己形成される。

【０００９】この方法では、極めて均一性の高い高個数
密度の量子ドットを容易に形成することができ、しかも
人為的な加工を一切行わないので形成の際に結晶欠陥を
生じることがなく、高品質の量子ドットを形成すること
ができる。現在、この量子ドットの自己形成法を用い
て、例えば量子ドットを用いた半導体レーザを形成した
例が実際に報告されるようになっている。

【００１０】以上のように量子ドットの形成技術は目覚
しい進歩を遂げたが、この量子ドットを実際のデバイ
ス、特に半導体レーザに用いて実用化する際には更に、
いくつかの問題点がある。そのひとつに、以下に述べる
ように発光周波数の温度依存性が挙げられる。

【００１１】図５に従来の量子ドットを用いた半導体素
子の第1の構造を示す。図中、２１はＧａＡｓ基板、２
２は自己形成ＩｎＡｓ量子ドット、２３はＧａＡｓ被覆
層、２５はＩｎＡｓウェッティング層を表す。従来の量
子ドットを用いた半導体素子の第1の構造の場合には、
半導体基板２１としてＧａＡｓ結晶基板を用い、その表
面上にＩｎ及びＡｓの原子を、ＧａＡｓ基板に対する格
子不整合の組成で供給する。

【００１２】これにより、成長初期では2次元的な薄膜
が形成されるが、膜弾性限界を超えた後は３次元の島状
成長が起こり、ＩｎＡｓからなる量子ドット２２が自己
形成される。また、このとき、それぞれのＩｎＡｓドッ
ト２２の間の領域のＧａＡｓ基板２１表面には、ＩｎＡ
ｓドット２２の高さよりも薄い膜厚を有する、ＩｎＡｓ
からなるウェッティング層２５が形成される。そして、
このＩｎＡｓ量子ドット２２の表面上にＧａＡｓ膜を形
成し、ＩｎＡｓ量子ドットをＧａＡｓ被覆層２３で埋め
込んでいる。

【００１３】図５に示した従来の第1の構造の場合、Ｉ
ｎＡｓドット２２の格子定数はＧａＡｓ基板２１の格子
定数よりも非常に大きく、量子ドット２２とその被覆層
２３の間で格子定数が大きく異なっているため、ＩｎＡ
ｓドット２２の内部には大きな格子歪が生じている。一
方、ＩｎＡｓドット２２の線熱膨張係数はＧａＡｓ基板
２１の線熱膨張係数よりも小さいので、温度が上昇した
場合、ＩｎＡｓドット２２内の格子歪は大きく緩和され
る方向に向かう。

【００１４】従って、温度変化に伴いＩｎＡｓドット２
２内の格子歪の量は大きく変化し、これに対応してＩｎ
Ａｓドット内のエネルギーギャップも温度変化に伴い大
きく変化するので、発光周波数が温度変化に伴い大きく
変化していくことになる。

【００１５】これに対し、本願出願人は本願よりも以前
に、特願平１０−３７１０６１号の特許出願（以下特許
出願１と称する。）において、以下に述べるように前記
問題点を解決する発明を行っている。

【００１６】図６に前記特許出願１における、従来の量
子ドットを用いた半導体素子の第2の構造を示す。図
中、図５で示したものと同一のものは同一の記号で示し
てあり、２４はＩｎＧａＡｓ歪緩和層を表す。

【００１７】図６に示した従来の第2の構造の場合、図
５に示した第1の構造に比べてＩｎＡｓドット２２とＧ
ａＡｓ被覆層２３の間に、ＩｎＡｓとＧａＡｓの中間の
格子定数を有するＩｎＧａＡｓ歪緩和層２４が形成され
ている。このため、ＩｎＡｓドット２２に加えられる格
子歪は図５に示した第1の構造の場合に比べて大きく緩
和されるので、図６に示した第2の構造における格子歪
の絶対量は図５に示した第1の構造の場合よりもかなり
小さくなっている。

【００１８】従って、温度変化に対する格子歪の変化量
も、図６に示した第2の構造の場合には図５に示した第1
の構造に比べて小さくなるので、ＩｎＡｓドット２２内
のエネルギーギャップの温度変化を小さく抑えることが
でき、発光周波数の温度変化も小さく抑えることができ
る。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
許出願１における、図６に示した量子ドットを用いた半
導体素子の第２の構造では、半導体レーザの発光強度が
小さく、実用上充分とはいえないという問題点がある。
加えて、通常、高温（例えば、２００Ｋ以上）では発光
強度が極めて小さくなり、半導体レーザが発光しなくな
るという問題点もある。このような状態では、室温以上
で動作させる現実の半導体レーザ素子としては適用不可
能である。

【００２０】本発明は前記問題点を鑑みてなされたもの
で、温度変化に対して量子ドット内部のエネルギーバン
ドギャップの変化を小さく抑え、発光周波数の温度変化
を小さく抑えるとともに、高温においても高い発光効率
を有する高品質の量子ドットを用いた半導体素子を提供
することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図であり、本発明の量子ドットを用いた半導体素子を示
す。図中、１は半導体基板、２は量子ドット、３は半導
体緩衝層、４は半導体歪緩和層、５は半導体被覆層、６
は半導体ウェッティング層を表す。

【００２２】前述の問題点は、前記量子ドット２２表面
に形成された前記ＩｎＧａＡｓ歪緩和層２４が前記Ｇａ
Ａｓ基板２１とは格子定数が異なっていることに起因し
て、ＩｎＧａＡｓ歪緩和層２４の中の、各量子ドット２
２の間のＩｎＡｓウェッティング層２５表面に形成され
た、ＩｎＧａＡｓ歪緩和層２４とＧａＡｓ基板２１が近
接している領域において、結晶欠陥が生じやすいためで
あると推測される。そして、ＩｎＧａＡｓ歪緩和層２４
にこのような結晶欠陥が生じている場合、この結晶欠陥
にキャリアがトラップされてしまい、発光に寄与するキ
ャリアの数が減少してしまうため、発光強度が小さくな
ってしまうものと推測される。

【００２３】更に、高温になるに従ってキャリアの熱運
動が活発になり、キャリアは各量子ドットの間を激しく
動き回るようになることに起因して、高温になるほどこ
の結晶欠陥にキャリアがトラップされる確率は高くな
る。このため、高温になるに従って発光に寄与するキャ
リア数が減少するため発光効率は徐々に悪くなってい
き、ついにはある温度（図６に示した第2の構造では約
２００Ｋ）において発光しなくなってしまうものと推測
される。

【００２４】そこで、図１に示すように、本発明の量子
ドットを用いた半導体素子では、図６に示した従来の第
２の構造に加えて、量子ドット２と半導体歪緩和層４の
間に、表面に量子ドット２が形成される半導体基板１の
格子定数に等しいか、又は前記半導体基板１の格子定数
と前記半導体歪緩和層４の格子定数の中間の値をもつ格
子定数を有する半導体緩衝層３を、前記量子ドット２の
高さ以下の膜厚で形成した構造となっている。

【００２５】言い換えれば、本発明では、第1の格子定
数を有する半導体基板１表面に、第2の格子定数を有す
る半導体からなる複数の量子ドット２を形成し、次いで
前記複数の量子ドット２の表面に第3の格子定数を有す
る半導体緩衝層３を形成し、次いで前記半導体緩衝層３
の表面に第４の格子定数を有する半導体歪緩和層４を形
成した構造としており、各層の格子定数の関係を、前記
第1の格子定数と前記第２の格子定数が異なるように
し、かつ前記第3の格子定数が前記第1の格子定数と同じ
か、又は前記第1の格子定数と前記第４の格子定数の中
間の値になるようにし、更に前記第４の格子定数が前記
第１の格子定数と前記第２の格子定数の中間の値になる
ようにしている。

【００２６】この構造により、半導体基板１と、複数の
量子ドット２表面に形成された半導体緩衝層３の間の格
子定数の差を小さく抑えることができるので、各量子ド
ット２の間の半導体ウェッティング層６表面に形成され
た、前記半導体基板１に近接している半導体領域におい
て、結晶欠陥が発生するのを抑制することができる。

【００２７】このため、本発明の量子ドットを用いた半
導体素子では、高温においても結晶欠陥にトラップされ
ることにより発光に寄与するキャリアの数が減少するこ
とを抑制することができるので、高温においても半導体
レーザを高い発光効率で発光させることができるという
特有の効果を奏することができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】図２は本発明の第１の実施の形態
である量子ドットを用いた半導体素子の形成方法を説明
するための工程図である。図中、図1で示したものと同
一のものは同一の記号で示してあり、１１はＧａＡｓか
らなるバッファ層を表す。

【００２９】図２を用いて本発明の量子ドットを用いた
半導体素子の形成方法について説明する。まず、半導体
基板１としてはＧａＡｓ単結晶を用いる。結晶成長の原
料としては、３族元素の原料としてＩｎにはトリメチル
インジウム（ＴＭＩ）又は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）を、Ｇａに
はトリエチルガリウム（ＴＥＧ）又はトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）を用い、５族元素の原料としてＡｓにはア
ルシン（ＡｓＨ₃）を用いる。

【００３０】そして、一連の結晶成長中の基板温度は５
２５℃に設定し、有機金属気相エピタキシャル（ＭＯＶ
ＰＥ）成長法により、図２に示したＧａＡｓ層３、５、
１１、ＩｎＧａＡｓ層４及びＩｎＡｓ層２、６の各半導
体層を成長させていく。ＩｎＡｓからなる量子ドット２
は、上記「従来の技術」の項で述べた量子ドットの自己
形成法により形成する。

【００３１】尚、図２に示した各半導体層（ＧａＡｓ層
３、５、１１、ＩｎＧａＡｓ層４、及びＩｎＡｓ層２、
６）に関する成長方法、成長条件などについての詳細
は、ＫｏｈｋｉＭｕｋａｉｅｔａｌ．、ＳＥＭＩＣＯＮ
ＤＵＣＴＯＲＳＡＮＤＳＥＭＩＭＥＴＡＬＳＶｏｌ．６
０、Ｓｅｌｆ−ＡｓｓｅｍｂｌｅｄＩｎＧａＡｓ／Ｇａ
ＡｓＱｕａｎｔａｕｍＤｏｔｓ、Ｃｈａｐｔｅｒ３（Ａ
ＣＡＤＥＭＩＣＰＲＥＳＳ、１９９９）（以下文献1と
称する。）に記載されている。

【００３２】本発明の第１の実施の形態においても、前
記文献１に記載された成長方法、成長条件に基づいて、
ＧａＡｓ層３、５、１１、ＩｎＧａＡｓ層４、及びＩｎ
Ａｓ層２、６の成長を行っている。

【００３３】以下に、図２に示した工程に沿って本発明
の量子ドットを用いた半導体素子が形成される様子につ
いて説明を続ける。

【００３４】まず、ＧａＡｓ基板１表面にＴＥＧとＡｓ
Ｈ₃を供給することによって、ＧａＡｓ基板１表面にＧ
ａＡｓのバッファ層１１を０．５μｍの厚さに成長させ
る。（図２（ａ）を参照。）次に、前記ＧａＡｓバッフ
ァ層１１表面に０．５ＭＬ（ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）相当
のＴＭＩＤＭＥＡと０．１ＭＬ相当のＴＭＧとＡｓＨ₃
とを交互に１４サイクル繰り返して供給する。これによ
り、前記ＧａＡｓバッファ層１１の表面に、高さ１０ｎ
ｍ程度の、ＩｎＡｓからなる複数の３次元的な微細構造
が島状に分布し、極めて均一性の高く、高品質のＩｎＡ
ｓからなる複数の量子ドット２が高個数密度に形成され
る。

【００３５】このとき、それぞれのＩｎＡｓドット２の
間の領域のＧａＡｓバッファ層１１表面には、ＩｎＡｓ
ドット２の高さよりも薄い膜厚を有する、ＩｎＡｓから
なるウェッティング層６が形成される。すなわち、前記
ＧａＡｓバッファ層１１は前記複数のＩｎＡｓドット２
と前記ＩｎＡｓウェッティング層６により全面が覆われ
た状態になる。（図２（ｂ）を参照。）次に、前記複数
のＩｎＡｓドット２及び前記ＩｎＡｓウェッティング層
６の表面にＴＥＧ、ＡｓＨ₃を供給することによって、
前記ＩｎＡｓドット２及び前記ＩｎＡｓウェッティング
層６の表面にＧａＡｓからなる半導体緩衝層３を３ｎｍ
程度成長させる。（図２（ｃ）を参照。）このとき、複
数のＩｎＡｓドット２は前記ＧａＡｓ緩衝層３によって
その上部及び側部から完全に覆われた状態になる。

【００３６】その後、ＴＭＩ、ＴＥＧ及びＡｓＨ₃を前
記ＧａＡｓ緩衝層３の表面に供給することによって、前
記ＧａＡｓ緩衝層３の表面にＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ（組成ｘ
＝０．３）からなる半導体歪緩和層４を１０ｎｍ程度成
長させる。

【００３７】更に、前記Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層４の
表面にＴＥＧ及びＡｓＨ₃を供給することによって、前
記Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層４の表面にＧａＡｓからな
る半導体被覆層５を３０ｎｍ程度成長させる。（図２
（ｄ）を参照。）以上の工程により、本発明の量子ドッ
トを用いた半導体素子が形成される。

【００３８】図２（ｄ）に示すように、本発明の第1の
実施の形態では、ＧａＡｓ基板１及びＧａＡｓバッファ
層１１上に形成した複数のＩｎＡｓドット２の表面を、
ＧａＡｓ基板１と格子定数の等しいＧａＡｓ緩衝層３に
より覆った構造としている。この構造では、ＧａＡｓ基
板１とＧａＡｓ緩衝層３の間の格子定数の差はないの
で、各ＩｎＡｓドット２の間のＩｎＡｓウェッティング
層６表面に形成された、ＧａＡｓ基板１に近接している
半導体領域において、結晶欠陥が発生するのを抑制する
ことができる。

【００３９】次に、本発明の量子ドットを用いた半導体
素子として、量子ドットを用いた半導体レーザを試作
し、その特性評価を、図６に示した従来の量子ドットを
用いた半導体素子の場合と比較して行った。

【００４０】図3は測定温度１７０Ｋにおける量子ドッ
トを用いた半導体レーザの発光スペクトルであり、本発
明の図２の構造の場合と従来の図６の構造の場合につい
てそれぞれ示す。図３において、横軸は波長（単位：
Å）を、縦軸は規格化された発光強度（単位：ａｒｂｉ
ｔｒａｒｙｕｎｉｔ）を表す。

【００４１】ここで、従来の図６の構造において、Ｉｎ
_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層の組成はｘ＝０．３であり、その
膜厚は１０ｎｍである。一方、本発明の図２の構造で
は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層の組成はｘ＝０．３で、
その膜厚は７ｎｍであり、ＧａＡｓ緩衝層の膜厚は３ｎ
ｍである。本発明の図２の構造では、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ
歪緩和層とＧａＡｓ緩衝層の膜厚の合計を１０ｎｍとし
ており、従来の図6の構造のＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層
の膜厚に一致させている。

【００４２】図３をみると、本発明の図２の構造の場合
は、波長λ＝１．２４×１０⁴Å付近において発光強度
の鋭いピークが見られ、従来の図６の構造の場合は、波
長λ＝１．３６×１０⁴Å付近において発光強度のピー
クが観測される。そして図３から明らかなように、これ
らのピークのおける発光強度の最大値は、ＧａＡｓ緩衝
層３を有する本発明の図2の構造の場合は、ＧａＡｓ緩
衝層を有しない従来の図６の構造の場合に比べて極めて
大きくなっている。

【００４３】すなわち、本発明の図２の構造のようにＧ
ａＡｓ緩衝層３を挿入することにより、半導体レーザの
発光強度が従来に比べて著しく大きくなったことがわか
る。この実験結果により、本発明によって、従来の構造
における、量子ドットを用いた半導体レーザの発光強度
が小さいという問題点が改善されることが確かめられ
た。

【００４４】尚、図３では、図２に示した本発明の構造
の場合、発光強度のピークの位置が従来の図６の構造の
場合に比べて低波長側にシフトしている。これは、Ｉｎ
Ａｓドットの表面を覆う物質が、従来の図6の構造の場
合はＩｎＧａＡｓ歪緩和層であったのが、図２に示すよ
うに本発明の構造の場合ではＧａＡｓ緩衝層３となった
ことに起因して、ＩｎＡｓドットが従来の図6の構造に
比べて周囲の物質（ＧａＡｓ緩衝層３）からより強く圧
縮されるようになったため、量子ドット内の格子定数が
小さくなり、その結果エネルギーバンドギャップが大き
くなったことによると考えられる。

【００４５】図４は測定温度３００Ｋまでの発光エネル
ギー、すなわち発光周波数の温度依存性を示す図であ
り、本発明の図２の構造の場合と、従来の図５及び図６
の構造の場合についてそれぞれ示す。図４において、横
軸は測定温度（単位：Ｋ）を、縦軸は半導体レーザの発
光エネルギー（単位：ｅＶ）を表し、黒丸（●）は本発
明の図２の構造のデータを、黒四角（■）は従来の図６
の構造のデータを、白四角（□）は従来の図5の構造の
データを表す。

【００４６】ここで、図３のときと同様に、従来の図６
の構造においてＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層の組成はＸ＝
０．３であり、その膜厚は１０ｎｍである。一方、本発
明の図２の構造では、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層の組成
はＸ＝０．３であり、その膜厚は７ｎｍであり、ＧａＡ
ｓ緩衝層の膜厚は３ｎｍである。すなわち、本発明の図
２の構造では、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層とＧａＡｓ緩
衝層の膜厚の合計を１０ｎｍとしており、従来の図6の
構造のＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層の膜厚に一致させてい
る。

【００４７】そして、本発明の図２及び従来の図6の構
造においてはＧａＡｓ被覆層の膜厚はいずれも、３０ｎ
ｍである。また、従来の図５の構造において、ＧａＡｓ
被覆層の膜厚を４０ｎｍとしており、本発明の図2の構
造における、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層、ＧａＡｓ緩衝
層及びＧａＡｓ被覆層の各膜厚の合計に一致されてい
る。

【００４８】図４において、５Ｋ付近から２００Ｋ付近
にわたる温度範囲における発光エネルギーの温度変化量
で比較すると、本発明の図2の構造の場合の温度変化は
およそ２５ｍｅＶ程度であるのに対し、図５に示した従
来の第1の構造の場合はおよそ６５ｍｅＶであり、本発
明の図2の構造の場合の温度変化の度合いは図５に示し
た従来の第1の構造の場合に比べてかなり小さくなって
いる。また、図６に示した従来の第２の構造の場合の温
度変化はおよそ２５ｍｅＶであり、本発明の図2の構造
の場合の温度変化の度合いは、図６に示した従来の第２
の構造の場合と比較してもほぼ同程度の小ささとなって
いる。

【００４９】すなわち、本発明の図2の構造のようにＧ
ａＡｓ緩衝層３を挿入した場合でも、図６に示した従来
の第2の構造における、発光エネルギーの温度変化の度
合いを小さい範囲に抑える効果は充分に現れていること
がわかる。この実験結果により、本発明は、図６に示し
た前記特許出願１の発明が奏する効果を失うことなく充
分に備えていることが確認できた。

【００５０】また、図４をみると、図６に示した従来の
第２の構造の場合には実験データは２００Ｋの温度まで
しか測定されていない。これは上記述べたように、２０
０Ｋを超えると半導体レーザが発光しなくなるため測定
できなかったことによる。一方、図２に示した本発明の
構造の場合は２００Ｋを超える温度領域にも実験データ
が存在しており、これは本発明の構造の場合の半導体レ
ーザは２００Ｋ以上の温度領域でも発光していることを
示している。

【００５１】すなわち、本発明の構造を採用することに
より、従来の構造における、２００Ｋ以上の高温におい
て量子ドットを用いた半導体レーザが発光しないという
問題点を改善することができることが確認できた。

【００５２】また、上述の本発明の第1の実施の形態に
おいては、半導体基板１にはＧａＡｓ基板を用い、その
表面にＩｎＡｓ量子ドット２を自己形成法により形成
し、その上にＧａＡｓ緩衝層３、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ
＝０．３）歪緩和層４及びＧａＡｓ被覆層５を順次形成
した場合について説明したが、本発明はこれらの実施の
形態に限定されるものではない。

【００５３】すなわち、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ歪緩和層４の
組成はｘ＝０．３に限定されるものではなく、他の組成
とすることができる。また、上記述べた半導体材料の組
み合わせのほかに、「課題を解決するための手段」にお
いて述べた格子定数の関係を有する半導体材料の組み合
わせならば、他の３−５族半導体及び２−６族半導体を
用いてもよいことはもちろんである。

【００５４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、量
子ドットを用いた半導体素子に関し、半導体基板表面に
形成された複数の量子ドットの表面を覆うように、前記
半導体基板の格子定数と等しいか又は近い格子定数を有
する半導体緩衝層を形成しているので、前記量子ドット
の間の半導体ウェッティング層表面に形成された、前記
半導体基板に近接している半導体領域において、結晶欠
陥の発生を抑制することができる。従って、本発明は、
量子ドットを用いた半導体レーザの発光強度を増大させ
ることができるとともに、高温においても半導体レーザ
を発光させることが可能となり、係る量子ドットを用い
た半導体素子の性能向上に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の原理説明図

【図2】本発明の第１の実施の形態の形成方法を説明
するための工程図

【図３】量子ドットを用いた半導体レーザの発光スペ
クトルを示す図

【図４】発光エネルギーの温度依存性を示す図

【図５】従来の量子ドットを用いた半導体素子の第1
の構造を示す図

【図６】従来の量子ドットを用いた半導体素子の第２
の構造を示す図

【符号の説明】

１半導体基板、２量子ドット、３半導体緩衝層、４半導体歪緩和層、５半導体被覆層、６半導体ウェッティング層１１ＧａＡｓからなるバッファ層、２１ＧａＡｓ基板、２２自己形成ＩｎＡｓ量子ドット、２３ＧａＡｓ被覆層、２４ＩｎＧａＡｓ歪緩和層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項1】第1の格子定数を有する半導体基板と、前記半導体基板表面に形成された、前記第1の格子定数
とは異なる第2の格子定数を有する半導体からなる複数
の量子ドットと、前記複数の量子ドットの表面を覆うように形成された、
第3の格子定数を有する半導体緩衝層と、前記半導体緩衝層の表面に形成された、第４の格子定数
を有する半導体歪緩和層とを有する量子ドットを用いた
半導体素子であって、前記第3の格子定数が前記第1の格子定数と同じか、又は
前記第1の格子定数と前記第４の格子定数の中間の値で
あり、前記第４の格子定数が前記第１の格子定数と前記第２の
格子定数の中間の値であることを特徴とする量子ドット
を用いた半導体素子。
【請求項２】前記半導体基板がＧａＡｓ基板であり、前記量子ドットがＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）から
なる量子ドットであり、前記半導体歪緩和層がＩｎ_yＧａ_1-yＡｓ（０＜ｙ＜１、
ｘ＞ｙ）層であり、前記半導体緩衝層がＩｎ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｚ＜１、ｙ
＞ｚ）層であることを特徴とする請求項１記載の量子ド
ットを用いた半導体素子。