JP2005093553A - 低格子不整合系における量子ドットの形成方法および量子ドット半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを、この格子定数と低格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に形成する。
【解決手段】 ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットの格子定数に対して３％以下の格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを構成するＶ族元素の分子線を桁数にして１０^-7Ｔｏｒｒの条件において照射することによって、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを成長させて形成する。ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットが、ＩｎおよびＡｓを主たる構成元素とするＩｎＡｓ系量子ドットであり、ＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体が、Ｓｂおよび、Ａｌ、Ｇａの少なくともいずれか一方の元素を主たる構成元素とするＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とし、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体上に、温度条件が約５００℃、Ａｓ分子線を３．０×１０^-7〜７．０×１０^-7Ｔｏｒｒで照射することによって、ＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、低格子不整合系における量子ドットの形成方法および量子ドット半導体素子に関する。とくに、量子ドットがＩＩＩ−Ｖ族量子ドットであって、この格子定数と低格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを形成する方法である。

低閾値量子ドットレーザなどの高性能の光電子デバイスを実現するために、ＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）を利用することによって量子ドットを形成する方法が現在研究されている。

このようなＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）を利用する場合には、形成する量子ドットの格子定数と、量子ドットが形成される化合物半導体基板の格子定数とにおいて、比較的大きい格子不整合率を有することが要求される。例えば、従来一般的に行われているような、ＧａＡｓ基板にＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合、その両者の格子不整合率は約７．２％である。そして、この場合のフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光の強度は、波長が約１．０μｍ付近でピークを有するものとなっていた。

ＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）は、比較的大きい格子不整合に基づく圧縮歪を緩和するべく量子ドットが形成されるものと理解されるところ、従来においては、格子不整合率がある程度大きくなければ量子ドットを形成することが困難であった。

一方、このように比較的大きい格子不整合率に基づくＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）を利用して形成された量子ドットでは、そのＰＬ発光強度のピークが比較的小さい波長へシフトするものとなっていた。具体的には量子ドットの種類によるので一概には言えないが、上記例のようにＧａＡｓ基板／ＩｎＡｓ量子ドットでは約１．０μｍ付近にピークを有するものとなっていた。これは、量子ドット内のエネルギーバンドが、比較的大きい格子不整合率を有する基板からの圧縮歪による影響を受けるからと考えられる。

しかしながら、このような比較的小さい波長でピークを有するようでは、高速度光通信に用いられる光ファイバにレーザ光を送る発光装置として用いることが困難である。なぜなら、例えばシングルモード光ファイバでは、１．３μｍ付近で波長分散が零になるように設計されており、その他光ファイバで利用可能となるためには、１．３μｍや１．５５μｍ付近でピークを有することが好ましいからである。さらには、比較的大きい格子不整合率に基づく圧縮歪によって、量子ドットの多層化が困難であった。

そして、上記のような困難の克服を、できるだけ一般的な化合物半導体の材料、即ち比較的安価で入手しやすくポピュラーな化合物半導体や元素材料で実現することが望まれる。そこで、量子ドット、それを形成する基板がともにＩＩＩ−Ｖ族の化合物とする。

勿論、量子ドットを形成するからには、できるだけ量子ドットの面密度が大きくなるのが好ましい。

そこで本発明は、量子ドットがＩＩＩ−Ｖ族量子ドットであって、この格子定数と低格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを形成する方法を提供することを課題とする。

本発明は上記課題の解決を図るため、次の手段を用いる。
即ち、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットの格子定数に対して３％以下の格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを構成するＶ族元素の分子線を桁数にして１０^-7Ｔｏｒｒの条件において照射することによって、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを成長させて形成することを特徴とする低格子不整合系における量子ドットの形成方法とするのである。

とくに、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを、ＩｎおよびＡｓを主たる構成元素とするＩｎＡｓ系量子ドットとし、ＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体を、Ｓｂおよび、Ａｌ、Ｇａの少なくともいずれか一方の元素を主たる構成元素とするＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とするものでもよい。

そしてとくに、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体上に、温度条件が約５００℃、Ａｓ分子線を３．０×１０^-7〜７．０×１０^-7Ｔｏｒｒの条件において照射することによって、ＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成するものでもよい。

また、ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＡｓ層をエピタキシャル成長させて形成し、次いで、ＡｌＡｓ層上に、ＡｌＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成し、さらに、ＡｌＳｂ層上に、Ｓｂ分子線および、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線の少なくともいずれか一方の分子線を照射することによってエピタキシャル成長して形成されたＡｌＧａＳｂ系層が、上記ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とすることでもよい。

さらには、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長させて形成し、さらにＧａＡｓバッファ層上に、ＡｌＡｓ層をエピタキシャル成長させて形成するようにしてもよい。

ＩｎＡｓ系量子ドットが形成されたＡｌＧａＳｂ系化合物半導体表面を、ＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆するものでもよい。

さらに、被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成することを繰り返すことで、ＩｎＡｓ系量子ドットを多層化して形成するようにしてもよい。

また、被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＡｌＳｂバリア層をエピタキシャル成長させて形成し、ＡｌＳｂ層の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成することを繰り返すようにしてもよい。

上記の低格子不整合系における形成方法によって形成されたＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを用いた量子ドット半導体素子は、通信波長帯の発光装置として利用することが可能である。とくに、汎用基板上に形成されたＡｌＧａＳｂ系層上に形成されるＩｎＡｓ系量子ドットの場合に、通信用光ファイバの発光半導体素子として有用となる。

上記のように被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＡｌＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成し、ＡｌＳｂ層上に、ＧａＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成してなる量子ドット半導体素子は、光通信にとって良好な発光波長を有するものとなる。

本発明によれば、量子ドットがＩＩＩ−Ｖ族量子ドットであって、この格子定数と低格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを高面密度に形成することができる。とくに、ＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、これと低格子不整合率の格子定数のＩｎＡｓ系量子ドットを高面密度に形成でき、さらに、光通信用として有効な波長の発光が得られるので、本発明の量子ドット半導体素子は、光通信用発光装置として利用できるようになる。

第１図ないし第２図を基に、本発明の実施形態を詳述する。なお、本発明は、以下の説明に限定されるものではなく適宜設計変更可能である。また、下記に記載する実施形態が必ず最良であるとは限らない。なぜなら、化合物半導体の種類やその結晶面のミラー指数、量子ドットとなる化合物を構成する元素の種類、化合物半導体と量子ドットのそれぞれの格子定数の相違の程度などによって、温度条件や元素の照射時間等を適宜変更するのが好ましいからである。

まず、本発明の低格子不整合系における量子ドットの形成方法は、必ずしもＭＢＥ法のみによってしかなしえないものではなく、各種の化学気相成長法（例えばＭＯＣＶＤ法）によってもなしうるものである。しかしながら、化合物半導体上で量子ドットを結晶成長させるには、薄膜の１分子層レベルの成長が精密に制御可能なＭＢＥ法によることが好ましい。

チャンバー（１）内に化合物半導体である基板（２）を設置する（図１参照）。基板（２）の形状に特別の限定はないが、平坦なおよそ平面状であることが好適である。

基板（２）の化合物半導体は、格別の限定は無いもののＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とするのが好ましい。より具体的には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などが挙げられる。ここでは、基板（２）を、ＧａＡｓ半導体とする。ＧａＡｓ基板は、比較的入手容易な安価な半導体基板だからである。

また、本発明において形成する量子ドットは、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットであり、それを構成する構成元素に格別の限定は無く、例えばＩＩＩ族元素であればガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）などから選ばれる１つ以上の元素であり、Ｖ族元素であれば燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などから選ばれる１つ以上の元素である。つまり、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｌＳｂなどである。ここではとくにＩｎＡｓ系量子ドットとする。そして、ＩｎＡｓ系量子ドットを形成する化合物半導体は、ここではとくにＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とする。

ところで、ＩｎＡｓ系量子ドットとは、ＩｎおよびＡｓを主たる構成元素とする量子ドットのことであり、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とは、Ｓｂおよび、Ａｌ、Ｇａの中から少なくともいずれか一方の元素を主たる構成元素とする化合物半導体のことをいう。ＩｎＡｓ系量子ドットの具体例としては、上記のＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂなどである。また、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体の具体例としては、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどである。

ＩｎＡｓ系量子ドットとＡｌＧａＳｂ系化合物半導体との格子不整合率は、ＩｎＡｓ系量子ドットとＡｌＧａＳｂ系化合物半導体それぞれを構成する元素の組成比にもよるが、ＩｎＡｓ系量子ドットがＩｎＡｓの場合の格子定数と、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体がＡｌＧａＳｂの場合の格子定数との不整合率は、わずか約１．３％である。ＳＫ成長モードの本質が、量子ドット／化合物半導体系の格子不整合に基づく圧縮歪の緩和にあると考えられるところ、格子定数の不整合率が例えばほぼ同じような場合は格別、本発明の形成方法の効果は、量子ドット／化合物半導体系の格子不整合率が３％以下、より詳細には、０．８％〜３％のものに対して顕著である。

ＡｌＧａＳｂ化合物半導体の格子定数に対して約３％以内の低不整合率の格子定数を有するＩｎＡｓ系量子ドットであるためには、例えばＩｎＡｓＳｂの場合にＳｂの組成比を大きくとることができない。同様に、例えばＩｎＧａＡｓの場合に、Ｇａの組成比を大きくとることができない。つまり、Ｉｎ、Ａｓ以外の構成元素を置換できる割合は制限される。従って例えば、上記例では、ＩｎＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5やＩｎ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓとなる。

ＧａＡｓ半導体は、閃亜鉛鉱型結晶構造であり、結晶面はミラー指数｛１００｝とする。なお、その他の化合物半導体の基板でも、同様のミラー指数の結晶面でなければならないことはなく適宜変更可能である。

チャンバー（１）内は、高真空状態を保つようにする。このことによって、余計な不純物が基板上に混入する可能性が少なくなる。

そして、基板（２）を、所定温度にまで加温する。本実施形態例では、ＧａＡｓ半導体である基板（２）をおよそ５８０℃まで加温する。

チャンバー（１）には、複数の元素を加熱蒸発可能な坩堝（図示しない）と、蒸発した元素を分子線として射出可能な分子線照射装置が備えられている。本実施形態例では、分子線照射装置は、Ｇａ分子線照射装置（１０）、Ａｓ分子線照射装置（１１）、Ａｌ分子線照射装置（１２）、Ｓｂ分子線照射装置（１３）、Ｉｎ分子線照射装置（１４）を備える。

基板（２）が所定温度にまで加温され安定した温度状態になったところで、この基板（２）に対して、Ｇａ分子線照射装置（１０）とＡｓ分子線照射装置（１１）によってＧａ分子線とＡｓ分子線を照射する。このことによって、基板（２）上に、ＧａＡｓバッファ層（３）をエピタキシャル成長させて形成する。Ｇａ分子線とＡｓ分子線の照射量は、１秒間あたりＧａＡｓの１分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。そして、ＧａＡｓバッファ層（３）を厚さがおよそ２００ｎｍ（ナノメートル）になるまでエピタキシャル成長させて形成する。

ＧａＡｓバッファ層（３）は、基板（２）表面を平坦化する目的で行うものである。基板（２）の表面が平坦でないと、良好に後述のＡｌＡｓ層を形成させることができないからである。従って、基板（２）の表面が、ＡｌＡｓ層を形成するのに良好な程度に平坦であれば、Ｇａ分子線とＡｓ分子線を照射してＧａＡｓバッファ層を形成する工程は必要ではない。なお、平坦とはいっても、通常化合物半導体には格子欠陥が生成するので、原子の大きさ単位での完全な平坦を意味するものではなく、ＡｌＡｓ層を形成するに適した程度の平坦を意味するにとどまる。また、Ｇａ分子線とＡｓ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＧａＡｓバッファ層（３）の厚さは適宜変更可能である。

ＧａＡｓバッファ層（３）をエピタキシャル成長して形成した後、このＧａＡｓバッファ層（３）が形成された基板（２）の温度を所定温度まで低下させる。この所定温度は、本実施形態例ではＡｌＡｓ層を形成するに適した温度にするのが良く、およそ４８０℃とする。勿論、ＧａＡｓバッファ層（３）またはＧａＡｓ層の上に形成する層の種類によって、この温度は適宜変更可能である。

このように基板（２）の温度を低下させている過程においては、Ａｓ分子線を基板（２）に、とくにＧａＡｓバッファ層（３）に照射し続けるのが良い。ＧａＡｓ化合物はおよそ４５０℃以上で結晶の分解が始まるため、基板（２）、とくにＧａＡｓバッファ層（３）の表面から、分解したＡｓが抜けてしまうことを防止するのである。無論、例えば基板がＧａＮの場合には、Ｎ分子線を照射するようにすれば良い。

続いて、基板（２）の温度が安定したら、Ａｓ抜け防止のためのＡｓ分子線の照射を続けたまま、Ｇａ分子線の照射を停止して、Ａｌ分子線照射装置（１２）によってＡｌ分子線を照射する。このことによって、ＧａＡｓバッファ層（３）上に、ＡｌＡｓ層（４）をエピタキシャル成長させて形成する。Ａｌ分子線とＡｓ分子線の照射量は、１秒間あたりＡｌＡｓの０．３分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。そして、ＡｌＡｓ層（４）を厚さがおよそ５ｎｍになるまでエピタキシャル成長させて形成する。Ａｌ分子線とＡｓ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＡｌＡｓ層（４）の厚さは適宜変更可能である。

続いて、およそ同じ温度状態にて、Ａｓ分子線を停止し、Ｓｂ分子線照射装置（１３）によってＳｂ分子線を照射する。この際、Ｓｂ分子線の照射が安定してから、Ａｌ分子線とＳｂ分子線を照射するのがよい。このことによって、ＡｌＡｓ層（４）上に、ＡｌＳｂ層（５）をエピタキシャル成長させて形成する。Ａｌ分子線とＳｂ分子線の照射量は、１秒間あたりＡｌＳｂの０．３５分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。そして、ＡｌＳｂ層（５）を厚さがおよそ２００ｎｍになるまでエピタキシャル成長させて形成する。Ａｌ分子線とＳｂ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＡｌＳｂ層（５）の厚さは適宜変更可能である。

そして続く過程では、基板の温度を上昇させて約５００℃とする。そして、Ａｌ分子線、Ｓｂ分子線による照射に加えて、Ｇａ分子線の照射を行う。このことによって、ＡｌＳｂ層（５）上に、ＡｌＧａＳｂ層（６）をエピタキシャル成長させて形成する。

このとき、前過程のＡｌ分子線の照射強度をそのままにするのではなく、適宜調節することによって、形成されるＡｌＧａＳｂ層（６）におけるＡｌＧａＳｂの組成比を調節することができる。逆に言えば、所望の組成比のＡｌＧａＳｂを形成できるように、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線の照射強度を調節すればよい。なお、調節によっては照射強度０、即ち分子線を照射しないとすることであってもよいが、少なくともＡｌ分子線、Ｇａ分子線のいずれか１つは照射するようにする。さらに、分子線の強度を調整している間も、Ｓｂ分子線は照射し続ける。これは高温によってＡｌＳｂ層表面が熱分解してＳｂが抜けてしまうことを防止するためである。このようして形成されるＡｌＧａＳｂを、その組成比を意識してＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ（組成比ｘは、０≦ｘ≦１）と表現することにする。Ａｌ分子線、Ｇａ分子線、Ｓｂ分子線の照射量は、１秒間あたりＡｌＧａＳｂの０．２分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。図２では、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）を厚さがおよそ２００ｎｍになるまでエピタキシャル成長させて形成した場合を示す（図では、組成比ｘ＝０である。）。Ａｌ分子線、Ｇａ分子線、Ｓｂ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）の厚さは適宜変更可能である。例えば図３には、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）の厚さが５０ｎｍの場合を示す。

以上のように、ＧａＡｓ基板（２）ないしＧａＡｓバッファ層（３）の上（直上表面という意味ではない。）に、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層を形成するのであるが、ＧａＡｓ基板（２）の直上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層を形成しないのには次のような理由がある。それは、ＧａＡｓ基板（２）ないしＧａＡｓバッファ層（３）の直上表面に、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層を形成しようとすると、界面での混晶がうまくいかず、そのため界面における結晶化のコントロールが困難になるからである。そこで、順次ＩＩＩ族、Ｖ族元素を切り換えて、できるだけ混晶の元素を合わせるようにして各層を形成し、最終的に所望のＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層を得るようにするのである。

これをより詳しく説明する。
最終的に得たいのは、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層である。ここでＩＩＩ族元素はＡｌとＧａで、Ｖ族元素はＳｂである。この各族元素の一方を同じにして格子整合のとれる化合物として、ＡｌＳｂがある。そこでＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層を、ＡｌＳｂ層上に形成するようにする。次に、ＡｌＳｂ層では、ＩＩＩ族元素はＡｌであり、Ｖ族元素はＳｂである。そこで、次はＩＩＩ族元素を同じにして、Ｖ族元素を切り換える。つまり、ＡｌＳｂと混晶の元素組成が近くて、Ｖ族元素を切り換えた化合物として、ＡｌＡｓがある。よってＡｌＳｂ層を、ＡｌＡｓ層の上に形成するようにする。そして、このＡｌＡｓはＧａＡｓに格子整合をとることができるので、ＡｌＡｓ層は、ＧａＡｓ基板ないしＧａＡｓバッファ層の上に形成できる。このように、ＧａＡｓ基板を始めとして、順次ＩＩＩ族またはＶ族の一方を切り換えながら所望のＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層を形成するのである。

以上のようにしてＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層が形成できたら、この上にＩｎＡｓ系量子ドットを形成することになる。ここでは、ＩｎＡｓ量子ドットの形成を例に説明する。

各層の形成された基板（２）の温度は、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）を形成するときのままで約５００℃とする。Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層の形成において照射していたＡｌ分子線、Ｇａ分子線、Ｓｂ分子線から、Ｉｎ分子線照射装置（１４）によるＩｎ分子線、Ａｓ分子線に切り換えるのであるが、Ａｓ分子線の照射量は、約５．５×１０^-7Ｔｏｒｒとする。この照射量は、例えば上記のようなＧａＡｓバッファ層（３）を結晶成長させる際に一般的に使用されるＡｓ分子線の照射量（およそ１．０×１０^-5Ｔｏｒｒ）よりも遙かに少ないものである。そしてＩｎ分子線、Ａｓ分子線の照射量は、１秒間あたりＩｎＡｓの０．１分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。照射時間は、ＩｎＡｓが２分子層から４分子層程度成長する程度が好ましい。

このようにして、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）の表面に、高い面密度でＩｎＡｓ量子ドット（７）が形成される。ＩｎＡｓ系量子ドットが、上記例の如くＩｎＡｓＳｂやＩｎＧａＡｓなどである場合には、適宜Ｓｂ分子線やＧａ分子線を照射すれば良い（以上の工程は図２参照。但し、図２では組成比ｘ＝０である。）。

さらに、このようにして形成されたＩｎＡｓ系量子ドットを被覆するようにしてもよい（図３参照）。被覆する物質は、とくに限定がないものの、ＩｎＡｓ系量子ドットの格子定数に比較的近い格子定数を有する化合物、例えばＡｌＧａＳｂ系化合物がよい。なぜなら、被覆化合物の格子定数がＩｎＡｓ系量子ドットの格子定数に比較的近い場合には、圧縮歪によるストレスが小さくなるので、ＩｎＡｓ量子ドットの発光波長が長波長側へシフトするからである。ＩｎＡｓ系量子ドットがＩｎＡｓ量子ドットの場合には、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂの格子定数はＩｎＡｓに格子定数が近いので、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ化合物半導体で被覆するのがよい。
被覆する方法は、上記ＧａＡｓバッファ層（３）などの各層をエピタキシャル成長させて形成するのと同様の方法に依ればよい。

また、ＩｎＡｓ系量子ドットを形成し、次いで上記の如くＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆し、この被覆化合物上にさらにＩｎＡｓ系量子ドットを上記の方法で形成し、さらにこれを上記の如く被覆し、またさらにこの被覆化合物の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを形成することを繰り返すことによって、ＩｎＡｓ系量子ドットの形成を多層化するものでもよい（図３参照。図３では３層の繰り返しの場合を示す。）。

あるいは、ＩｎＡｓ系量子ドットを形成し、次いで上記の如くＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆し、この被覆化合物の表面に、ＡｌＳｂバリア層（８）をエピタキシャル成長させて形成し、このＡｌＳｂバリア層（８）の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを上記の方法で形成し、さらにこれを上記の如くＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆し、この被覆化合物の表面に、ＡｌＳｂバリア層（８）をエピタキシャル成長させて形成し、またさらにこのＡｌＳｂバリア層（８）の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを形成することを繰り返すことによって、ＩｎＡｓ系量子ドットの形成を多層化するものでもよい（図４参照。図４では３層の繰り返しの場合を示す。）。なお、この場合には、ＩｎＡｓ系量子ドットは、ＡｌＳｂバリア層（８）とＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）によって挟み込まれるようになる。従って、最初に形成するＩｎＡｓ系量子ドットは、ＡｌＳｂ層（５）上に形成されることになる。

図４では、最初に形成するＩｎＡｓ系量子ドットは、ＡｌＳｂバリア層（８）上に形成される如く示されているが、化合物として観察するときＡｌＳｂ層（５）とＡｌＳｂバリア層（８）とは何ら変わるものではない。図４に、最初に形成するＩｎＡｓ系量子ドットをＡｌＳｂバリア層（８）上に形成するが如く示したのは、ＩｎＡｓ系量子ドットが、ＡｌＳｂバリア層（８）とＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）によって挟み込まれるようして繰り返して多層化される様子を協調する便宜のためである。因みに、図４では、ＡｌＳｂバリア層（８）の厚さが約１４ｎｍ、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）の厚さが約６ｎｍと示されているが、これは一般に、多層化された量子ドットに挟まれる中間層の厚さの和、ここではＡｌＳｂバリア層（８）とＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層（６）の厚さの和が２０ｎｍ程度で発光効率が良くなることが知られていることに基づくものである。勿論、上記例のように６ｎｍと１４ｎｍのようにするのではなく、８ｎｍと１２ｎｍのようにしてもよいし、必ず中間層の厚さ和が２０ｎｍになるように限定されるものでもない。

上記のように被覆されることによって作成された量子ドット半導体素子は、発光装置や光通信デバイス用の半導体材料として用いることが可能になる。より具体的な例としては、図３、４に示すように、基板（２）をｎ−ＧａＡｓ半導体とし、ＩｎＡｓ系量子ドットを多層化して形成し（勿論、単層でもよい。）、その上をＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆して、さらにその上にＡｌＳｂ層（５）を形成し、さらにその上にＧａＳｂ層（９）を形成するようにする。最上層のＧａＳｂ層（９）は、量子ドット半導体素子の酸化を防止するために形成する。また、各層は適宜ドープすることでｐ型、ｎ型半導体として極性をもたせるもので良い。そして、基板（２）の底部とＧａＳｂ層の表面に電極（図示しない）を取り付けて電圧を加えることを可能にするのである。このようにすることによって、ＩｎＡｓ系量子ドットが形成された部位を活性層とした、レーザーダイオードや面発光レーザ装置、または光受信装置などとして利用可能になる。

ＩｎＡｓ系量子ドットの形成後は、適宜各種分子線を照射しながら、基板（２）［より正確には、例えば、「ＩｎＡｓ系量子ドットが形成された基板」や「多層化して作成された量子ドット半導体素子」というべきものである。］の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。

具体的には、基板（２）［あるいは、バッファ層］の上にＩｎＡｓ系量子ドットを形成しただけで取り出す場合には、Ａｓ分子線を照射してＡｓ雰囲気を保った状態で、基板（２）の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。また、ＩｎＡｓ系量子ドットを化合物で被覆して作成した量子ドット半導体素子を取り出す場合には、被覆した化合物が例えばＧａＳｂであればＳｂ分子線を照射しながら、基板（２）の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。要は、高温状態において化合物の分解が進行することを防止するために、適宜各種の分子線を照射すればよいのである。

上記形成方法によってＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層の表面に４分子層形成されたＩｎＡｓ量子ドットのＡＦＭによる観察・撮像によれば、高面密度の量子ドット構造が確認された。そして、平均高さ、直径、およびそれらの量子ドットの面密度も、それぞれ５．８ｎｍ、４５．２ｎｍ、２．１８×１０¹⁰／ｃｍ²と見積もられた。これらの数値は、従来技術によって（００１）結晶面のＧａＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ量子ドットのそれらに匹敵するものである。これは、格子不整合率の小さい量子ドット／化合物半導体系内で高面密度に量子ドットを形成できたことを意味する。具体的には、圧縮歪の影響の少ないＩｎＡｓ量子ドットを、ＧａＡｓ（００１）基板上に作られるＡｌＧａＳｂ層表面に高い面密度で形成できたことが確認された。

図５には図３に示す構造のように、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層に挟み込まれて多層化形成された４分子層のＩｎＡｓ量子ドットのＰＬのスペクトルを示す。ＧａＡｓ表面に形成されるＩｎＡｓ量子ドットは、一般的に約１μｍ(１．２４ｅＶ)でＰＬ強度のピークを示すが、本発明の形成方法によって、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層に挟み込まれるように多層化されたＩｎＡｓ量子ドットからは、前者に比較して長波長領域でＰＬ強度のピークを得ることができた。

これらのＰＬのスペクトルには、低い光電子エネルギーと高い光電子エネルギーの２つのピークがある（図６参照）。図７に、ＰＬ強度のピークを示す光電子エネルギーと、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂの組成比ｘとの関係を示す。Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層の組成比ｘが増大するにつれて低いピーク（ピークＡ）と高いピーク（ピークＢ）との両方が増大するのがわかる。これは、およそ１．３μｍから１．７μｍまでの長波長の発光が、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層の組成比ｘの変化によって制御できることを示すものである。この結果はＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層に挟み込まれるようにして形成されたＩｎＡｓ量子ドット、正確にはＩｎＡｓ量子ドットがこのように形成されてなる量子ドット半導体素子が、光ファイバー通信網用の量子ドットデバイスを実現させることに有効であることを示す。

また、図４に示すような構造のようにＡｌＳｂバリア層を形成することによって、ＰＬ強度を強めることができることを確認している。ＡｌＳｂバリア層は、ＩｎＡｓ量子ドットの周囲のＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ被覆層内の正孔のポテンシャル障壁として働くと考えられる。したがって、ＡｌＳｂポテンシャル障壁が正孔をＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ被覆層内に閉じ込めるので、ＩｎＡｓ量子ドット内の電子とＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ被覆層内の正孔との間の再結合率が増加されることが期待される。

図８にＡｌＳｂバリア層が有る場合と無い場合とのＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルを示す。図８では、組成比がｘ＝０．５であるＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｓｂの場合を示す。ＡｌＳｂ層を形成しない場合のＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルは、図３に示す、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｓｂ層に挟み込まれるようにして形成されたＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルに類似する。ＡｌＳｂバリア層を形成することによって、ＰＬ強度が劇的に強くなることが明らかに理解できる。加えて、ＡｌＳｂバリア層を形成した場合のＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルでは２つのピークも同じように観察される。

また、ＡｌＳｂバリア層を形成した場合には、ＰＬスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）が、ＡｌＳｂバリア層を形成しない場合と比較して約２倍大きいことが、そしてＡｌＳｂバリア層を形成することによって、ＰＬ強度のピークを示すときの、光電子エネルギーは高エネルギー側へわずかに移動することがわかる。これらの現象はＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ層内の正孔の量子閉じ込めに原因すると見られる。

Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層に挟み込まれて形成されるＩｎＡｓ量子ドットは光ファイバー通信網で利用される長波長（約１．３および１．５５μｍ）の発光をする。また、ＰＬ強度のピークを示す時の発光波長は、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層の組成比ｘを変えることによって調節可能である。ＡｌＳｂバリア層を形成してＩｎＡｓ量子ドットを挟み込む場合には、ＰＬ強度が著しく向上する。したがって、本発明は、とくに光通信分野における量子ドットデバイスやデバイス製造に不可欠な量子ドット形成技術として有用である。

本発明の方法を実施するＭＢＥ装置の概略図 ＧａＡｓ基板に、ＧａＡｓバッファ層、ＡｌＡｓ層、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層（Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂの組成比ｘ＝０の場合）を順次形成し、ＧａＳｂ層の表面にＩｎＡｓ量子ドットを形成された場合の様子を示した概略断面図 Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層表面にＩｎＡｓ量子ドットを形成し多層化した場合の様子を示した概略断面図（図は３層の場合であって、最上層をＧａＳｂ層で被覆している。） ＡｌＳｂ層（ＡｌＳｂバリア層）表面にＩｎＡｓ量子ドットを形成し、これをＡｌ_xＧａ_1-xＳｂ（組成比ｘ＝０．５）で被覆して多層化（図は３層）した場合の様子を示した概略断面図 Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂの組成比ｘが０．３、０．５、０．７の各場合における、ＰＬ強度と光電子エネルギーとの関係を示す表 図５に示すＰＬ強度の２つのピークと、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂの組成比ｘとの関係を示す表 Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ（組成比ｘ＝０．５）の場合において、ＰＬスペクトルの２つのピークを示す表 ＡｌＳｂバリア層を形成した場合としない場合の、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ（組成比ｘ＝０．５）におけるＰＬ強度と光電子エネルギーとの関係を示す表

符号の説明

１ チャンバー
２ ＧａＡｓ基板
３ ＧａＡｓバッファ層
４ ＡｌＡｓ層
５ ＡｌＳｂ層
６ Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ層
７ ＩｎＡｓ量子ドット
８ ＡｌＳｂバリア層

Claims (11)

1. ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットの格子定数に対して３％以下の格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを構成するＶ族元素の分子線を桁数にして１０^-7Ｔｏｒｒの条件において照射することによって、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを成長させて形成することを特徴とする低格子不整合系における量子ドットの形成方法。
2. ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットが、ＩｎおよびＡｓを主たる構成元素とするＩｎＡｓ系量子ドットであり、ＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体が、Ｓｂおよび、Ａｌ、Ｇａの少なくともいずれか一方の元素を主たる構成元素とするＡｌＧａＳｂ系化合物半導体である、請求項１に記載の低格子不整合系における量子ドットの形成方法。
3. ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体上に、温度条件が約５００℃、Ａｓ分子線を３．０×１０^-7〜７．０×１０^-7Ｔｏｒｒで照射することによって、ＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成する、請求項２に記載の低格子不整合系における量子ドットの形成方法。
4. ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＡｓ層をエピタキシャル成長させて形成し、次いで、ＡｌＡｓ層上に、ＡｌＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成し、さらに、ＡｌＳｂ層上に、Ｓｂ分子線および、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線の少なくともいずれか一方の分子線を照射することによってエピタキシャル成長して形成されたＡｌＧａＳｂ系層が、上記ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体である、請求項３に記載の低格子不整合系における量子ドットの形成方法。
5. ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長させて形成し、さらにＧａＡｓバッファ層上に、ＡｌＡｓ層をエピタキシャル成長させて形成する、請求項３または４に記載の低格子不整合系における量子ドットの形成方法。
6. ＩｎＡｓ系量子ドットが形成されたＡｌＧａＳｂ系化合物半導体表面を、ＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆する、請求項３または５に記載の低格子不整合系における量子ドットの形成方法。
7. 被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成することを繰り返すことで、ＩｎＡｓ系量子ドットを多層化して形成する請求項６に記載の低格子不整合系における量子ドットの形成方法。
8. 被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＡｌＳｂバリア層をエピタキシャル成長させて形成し、ＡｌＳｂ層の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成することを繰り返すことで、ＩｎＡｓ系量子ドットを多層化して形成する請求項６に記載の低格子不整合系における量子ドットの形成方法。
9. 請求項１から８いずれかに記載の低格子不整合系における形成方法によって形成されたＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを用いた量子ドット半導体素子。
10. 汎用基板上に形成されたＡｌＧａＳｂ系層上にＩｎＡｓ系量子ドットが形成された請求項９に記載の量子ドット半導体素子。
11. 請求項６から８いずれかに記載の形成方法によって被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＡｌＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成し、ＡｌＳｂ層上に、ＧａＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成してなる量子ドット半導体素子。
    

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