JP2005294763A - 量子ドットの形成方法及び半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体の高指数面であっても、その表面に均一性に優れた量子ドットを低コストで形成することができる量子ドットの形成方法、及び該形成方法により平面視が略円形の量子ドットが形成された半導体素子を提供する。
【解決手段】 ｔ₀ 〜ｔ₁ ，ｔ₂ 〜ｔ₃ ，…，ｔ_2k〜ｔ_2k+1の時間、Ｉｎを基板へ照射し、ｔ₁ 〜ｔ₂ ，ｔ₃ 〜ｔ₄ ，…，ｔ_2k-1〜ｔ_2kの時間、Ｉｎの基板への照射を停止する。このようにして、Ｉｎ分子の基板への照射と未照射とを繰り返す。一方、ｔ₀ 〜ｔ_2k+1の時間、Ａｓを連続的に基板へ照射する。例えば、２．５秒間、Ｉｎ分子を基板へ照射した後、１秒間、基板への照射を停止する処理シーケンスを１０回繰り返す。一方、３４秒間、Ａｓ分子を基板へ連続して照射する。これにより、その膜厚が臨界膜厚となるまでは、２次元的なエピタキシャル膜が形成され、膜厚が臨界膜厚となった後は、量子ドットの核であるグレインの成長に寄与する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、量子ドット（Quantum Dot）の形成方法に関し、より具体的には、均一性に優れた量子ドットを低コストで形成するための量子ドットの形成方法、及び該形成方法により量子ドットが形成された半導体素子に関する。

微細加工技術に代表される半導体製造技術の進展によって、集積度の向上に加えて、量子サイズ効果を利用した量子ドットレーザ（Quantum Dot Laser）、単一電子トランジスタ（Single Electron Transistor）等のデバイスが提案されている。特に、電子のド・ブロイ波長と同程度の寸法（大きさ）を有する量子ドットは、その中に電子を０次元的に閉じ込め、電子のエネルギー準位を離散化、すなわち、状態密度をデルタ関数とすることが可能となる。量子ドットは、このような電子の閉じ込め効果（量子サイズ効果）が多岐に渡り顕在化するため、従来の枠を超越した性能を有するデバイスの基本構造として脚光を浴びている。

このような量子ドットを形成する方法として、Ｓ−Ｋ（Stransky-Krastanov）モード成長法と呼ばれる自己形成方法が広く知られている（例えば、非特許文献１参照。）。通常、基板に薄膜を形成する場合、その双方の格子定数が一致する基板と薄膜とを用いる必要がある。これは、格子定数が大きく相違すると、エピタキシャル成長時に歪力が生じるため、欠損が生じて薄膜の平面構造が不均一になるためである。

Ｓ−Ｋモード成長法は、上述した薄膜形成における原則とは逆に、格子定数が大きく異なる材料、例えば、基板よりも格子定数が大きい薄膜をエピタキシャル成長させ、エピタキシャル成長時に生じる歪力を積極的に利用して、基板に量子ドットを自己形成させようというものである。Ｓ−Ｋモード成長法は、従来のリソグラフィ等のトップダウン的要素を有する微細加工技術の枠を越え、これまでの半導体の製造方法に大きなパラダイム変化を与えるものとして期待されている。

Ｓ−Ｋモード成長法を利用して、例えば、III−V族化合物半導体のガリウム砒素（以下、ＧａＡｓ）基板の（１００）面に、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により砒素（以下、Ａｓ）分子とインジウム（以下、Ｉｎ）分子とを連続的に供給することにより、均一性に優れた量子ドットを形成することができる。このような方法で形成された量子ドットは、図１５（ａ）に示すように、面密度が８．５×１０¹⁰ｃｍ^-2、高さが６ｎｍのドーム状であり、その寸法ばらつきの程度は±１０％程度であり、極めて均一性に優れる。
ディー・レオナルド（D.Leonard）他４名著，「応用物理学論文集vol.63（Applied Physics Letters Volume63）」 １９９３年１２月６日，３２０３−３２０５ページ

ところで、基板には、その結晶の方位から様々な面が存在しており、例えばＧａＡｓにおいては、一般的な（１００）面の他に、（２１１）Ａ、（３１１）Ａ、（４１１）Ａ面などの高指数面が存在する。

しかしながら、従来の形成方法によって基板の（３１１）Ａ面に量子ドットを形成した場合、形成される量子ドットは、図１５（ｂ）に示すように、面密度が２．１６×１０¹⁰ｃｍ^-2、高さが８ｎｍであり、（１００）面に形成される量子ドットに比べ、面密度が略１／４と低く、かつ、その形状は、図１６に示すように、平面視が略３角形の鏃状で不均一になるという問題があった。これは、量子ドットが、下地に形成された歪場に沿って自己組織的に配列し、高指数面（ｎ１１）（ｎ＝２，３，４）では、その表面における原子の配列方向に成長するためと考えられる。

量子ドットの形状が不均一であったり、その平面視の形状が３角形・４角形などの多角形である場合には、その形状に起因して発光スペクトル幅が広がり、結果的に光出力が低下するという問題があった。つまり、デバイスを高性能化するには、量子ドットが、微細（略１０ｎｍ）であり、広範囲に渡って均一に形成され、かつドーム状であることが好ましく、単色性に優れた発光素子を実現するには、量子ドットを均一に形成することが必要である。

また、ＧａＡｓの（１００）面及び（３１１）Ａ面を利用した横型接合（Lateral Junction）デバイスを、極めて簡単な方法で、かつ低コストで製造するためには、ＧａＡｓの（１００）面及び（３１１）Ａ面の双方に、均一性が優れた量子ドットを高密度で形成することが必要である。

本発明者は、Ｓ−Ｋモード成長法における結晶の成長プロセスについて研究を行った結果、量子ドットを構成する複数の材料（Ｉｎ，Ａｓ）のうち、表面拡散距離が長い方の材料（Ｉｎ）を間欠的に、他方の材料（Ａｓ）を連続的に、ＧａＡｓ基板へ供給することにより、基板の（３１１）Ａ面にも、高密度の量子ドットが均一に形成できるとの知見を得た。つまり、量子ドットの自己形成は、２次元的なエピタキシャル膜が成長した後に生じ、下地に形成された歪場に沿って自己組織的にＡｓとＩｎとからなるグレインが配列するため、グレインの効率的な成長を促進すべく、材料を基板に供給するタイミングが重要であるとの知見を得た。

本発明は、この知見を得てなされたものであり、量子ドットの形成に必要な複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を半導体（例えば基板）に間欠的に供給することにより、半導体の高指数面であっても、その表面に均一性に優れたドーム状の量子ドットを低コストで形成することができる量子ドットの形成方法の提供を目的とする。

また本発明は、膜厚が、該膜に歪みが生じる臨界膜厚となるまでは、量子ドットの形成に必要な複数の材料を半導体に連続的に供給し、膜厚が臨界膜厚となった後は、複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を半導体に間欠的に供給することにより、半導体の高指数面であっても、その表面に均一性に優れたドーム状の量子ドットを低コストかつ短時間で形成することができる量子ドットの形成方法の提供を目的とする。

更に本発明は、従来の方法では困難であった半導体の高指数面及び低指数面に、均一性が優れ、かつその形状がドーム状の量子ドットが形成された半導体素子の提供を目的とする。

第１発明に係る量子ドットの形成方法は、半導体の表面に、複数の材料を供給して膜を成長させて量子ドットを形成する量子ドットの形成方法において、前記複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給することを特徴とする。

第１発明にあっては、膜は、その膜厚が該膜に歪みが生じる臨界膜厚（Critical Thickness）になるまで２次元的に成長し、その膜厚が臨界膜厚となった場合、膜に歪力が生じ、その表面に量子ドットの核となるグレインが局所的に形成される。そして、複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給することによって、その材料が他の材料と結合してグレインが成長し、均一性が優れた量子ドットが形成される。

第２発明に係る量子ドットの形成方法は、第１発明において、前記膜の膜厚が該膜に歪が生じる臨界膜厚となるまでは、前記複数の材料を前記半導体の表面に連続的に供給し、前記膜の膜厚が前記臨界膜厚となった後は、前記複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給することを特徴とする。

第２発明にあっては、膜厚が臨界膜厚となるまでは、量子ドットの形成、すなわちグレインの形成に影響する虞がないため、量子ドットの形成に必要な複数の材料を連続的に供給して、量子ドットの形成に要する時間を短縮する。

第３発明に係る量子ドットの形成方法は、第１発明又は第２発明において、前記膜の格子定数は、前記半導体の格子定数より大きいことを特徴とする。

第３発明にあっては、格子定数が半導体の格子定数より大きい膜をエピタキシャル成長させることにより、エピタキシャル成長時に生じる歪力を利用して、半導体に量子ドットを自己形成する。

第４発明に係る量子ドットの形成方法は、第１発明乃至第３発明のいずれかにおいて、間欠的に供給する材料は、前記複数の材料のうちの表面拡散距離が最も長い材料であることを特徴とする。

第４発明にあっては、量子ドットの形成に必要な材料のうちの表面拡散距離が最も長い材料を間欠的に供給するという処理シーケンスが、量子ドットとなるグレインの均一な成長（促進）に有効であり、均一性が優れた量子ドットが形成される。

第５発明に係る量子ドットの形成方法は、第１発明乃至第４発明のいずれかにおいて、前記半導体の表面は、高指数面であることを特徴とする。

第５発明にあっては、量子ドットの形成に必要な複数の材料を半導体に連続的に供給する従来の方法では、均一性に優れた量子ドットを高指数面に形成できないが、複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給することにより、高指数面にも均一性に優れた量子ドットを形成でき、量子ドットを形成する下地の半導体の選択自由度が増大する。

第６発明に係る量子ドットの形成方法は、第５発明において、前記半導体はガリウム及び砒素からなる化合物半導体であり、前記高指数面は（３１１）Ａ面であることを特徴とする。

第６発明にあっては、その表面における原子の配列方向に量子ドットが成長するために困難であったガリウム及び砒素からなる化合物半導体の（３１１）Ａ面に、均一性が優れた量子ドットを形成することができる。つまり、一度の成長によって、ガリウム砒素の（１００）面及び（３１１）Ａ面の双方に、極めて簡単な方法で、かつ低コストで、均一性が優れた量子ドットを高密度で形成することが可能となる。この場合、Ｓｉをドープすることにより、（１００）面はｎ型半導体層、（３１１）Ａ面はｐ型半導体層になるため、１種類のドーパントを用いるだけで、ｎ型及びｐ型の半導体層を同時に形成することができる。

第７発明に係る量子ドットの形成方法は、第６発明において、前記複数の材料は砒素及びインジウムであり、該インジウムを間欠的に供給することを特徴とする。

第７発明にあっては、量子ドットを形成する材料のうちの表面拡散距離が長い方の材料を間欠的に供給するという処理シーケンスが、量子ドットとなるグレインの成長（促進）に有効であり、砒素及びインジウムからなる量子ドットをガリウム及び砒素からなる化合物半導体の（３１１）Ａ面に形成する場合、表面拡散距離が長いインジウムを間欠的に供給する。

第８発明に係る半導体素子は、高指数面及び低指数面を有する半導体と、前記高指数面及び前記低指数面に複数の材料を供給する際、前記複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給して膜を成長させて形成した量子ドットとを有することを特徴とする。

第８発明にあっては、半導体の高指数面及び低指数面に、複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給して膜を成長させて量子ドットが形成されていることにより、例えばＰＬ特性の波長スペクトル幅が狭くなり、単色性に優れた発光素子を実現することができる。こうして形成した量子ドットを量子ドットレーザに適用した場合、その出力波長の帯域幅が狭くなり、光出力を向上することができる。

第９発明に係る半導体素子は、第８発明において、前記半導体はガリウム及び砒素からなる化合物半導体であり、前記高指数面は（３１１）Ａ面であることを特徴とする。

第９発明にあっては、ガリウム砒素の（１００）面及び（３１１）Ａ面の双方に、均一性が優れた量子ドットが形成されていることにより、Ｓｉをドープすることにより、（１００）面はｎ型半導体層、（３１１）Ａ面はｐ型半導体層になるため、１種類のドーパントを用いるだけで、ｎ型及びｐ型の半導体層を同時に形成することができる。

第１０発明に係る半導体素子は、第９発明において、前記複数の材料は砒素及びインジウムであり、間欠的に供給される材料はインジウムであることを特徴とする。

第１０発明にあっては、量子ドットを形成する材料のうちの表面拡散距離が長い方の材料を間欠的に供給するという処理シーケンスが、量子ドットとなるグレインの成長（促進）に有効であり、砒素及びインジウムからなる量子ドットをガリウム及び砒素からなる化合物半導体の（３１１）Ａ面に形成する場合、表面拡散距離が長いインジウムを間欠的に供給することにより、均一性が優れた量子ドットが形成される。

本発明によれば、半導体の高指数面であっても、量子ドットの形成に必要な複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を半導体に間欠的に供給することにより、間欠的に供給した材料が他の材料と結合することによってグレインを成長させ、均一性が優れた量子ドットを形成することができる。この結果、極めて簡単な方法で、かつ低コストで、種々の半導体に均一性に優れた量子ドットを高密度に形成することにより、量子ドットレーザ、単一電子トランジスタ等のデバイスを高性能化することができる。

特に、一度の成長によって、例えばガリウム砒素の（１００）面及び（３１１）Ａ面の双方に、極めて簡単な方法で、かつ低コストで、均一性が優れた量子ドットを高密度で形成するとともに、Ｓｉをドープすることにより、（１００）面はｎ型半導体層、（３１１）Ａ面はｐ型半導体層になるため、１種類のドーパントを用いるだけで、ｎ型及びｐ型の半導体層を同時に形成した横型接合デバイスを実現することができる等、優れた効果を奏する。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る量子ドットの形成方法を示す説明図である。

まず、下地半導体であるＧａＡｓ基板１０の温度を５００℃とし、ＧａＡｓ基板１０の（３１１）Ａ面１０ａに、ＭＢＥ法によってＡｓ分子線２１を連続的に、かつＩｎ分子線２２を間欠的に照射（詳細は後述する）し、ＩｎＡｓのエピタキシャル膜１１を成長させる。エピタキシャル膜１１は、その膜厚Ｔが臨界膜厚Ｔｃになるまで（Ｔ＜Ｔｃ）、基板の格子定数と整合するように均一に２軸性結晶歪を受けた状態で２次元的に成長する（図１（ａ））。

臨界膜厚Ｔｃは一般的に基板とエピタキシャル膜との格子定数によって決定され、例えば、ＧａＡｓ基板とＩｎＡｓのエピタキシャル膜との場合の臨界膜厚Ｔｃは、ＩｎＡｓ換算で略１．７モノレイヤ（原子層：略０．５ｎｍ）である。なお、各分子線の照射圧力は、４．６３×１０^-6Ｔｏｒｒとした。また、エピタキシャル膜を成長させる方法として、ＭＢＥ法に限定されるものではなく、エピタキシャル成長法であれば有機金属気相成長法、液相成長法などであってもよい。

そして、さらにＡｓ分子線２１を連続的に、かつＩｎ分子線２２を間欠的に照射することにより、エピタキシャル膜１１をさらに成長させ、その膜厚が臨界膜厚Ｔｃとなった場合（Ｔ＝Ｔｃ）、エピタキシャル膜１１に歪力（応力）が生じ、その表面に量子ドットの核となるグレインが局所的に形成される。

これは、エピタキシャル膜１１の膜厚が臨界膜厚Ｔｃを越えた場合、エピタキシャル膜１１の全面に歪みが発生するよりも、グレインを局所的に発生させることの方が結晶学的に安定する、すなわちエネルギー的に低い状態になるためと考えられる。

さらにＡｓ分子線２１を連続的に、かつＩｎ分子線２２を間欠的に照射することにより、グレインが成長し、グレインの高さが略１０ｎｍのＩｎＡｓからなる量子ドット１３が形成される（図１（ｂ））。なお、量子ドット１３の寸法は、Ａｓ分子線２１，Ｉｎ分子線２２の供給量、すなわち分子線のフラックスと供給時間との積によって決定される。

図２は本発明の実施形態１に係るＡｓ及びＩｎを供給するタイミングを示すタイムチャートであり、同図（ａ）はＩｎの供給タイミングを示し、同図（ｂ）はＡｓの供給タイミングを示す。通常、ＭＢＥ装置は、材料のターゲットへの照射を制御するシャッタが設けられており、このシャッタを開閉することにより、Ａｓ及びＩｎの基板への供給を制御する。

Ｉｎ用シャッタの開口時間は、ｔ₀ 〜ｔ₁ ，ｔ₂ 〜ｔ₃ ，…，ｔ₁₈〜ｔ₁₉であり、各開口時間の間、すなわち時間ｔ₁ 〜ｔ₂ ，ｔ₃ 〜ｔ₄ ，…，ｔ₁₇〜ｔ₁₈はシャッタを閉口する。このようにして、Ｉｎ分子の基板への照射と未照射とを繰り返す、すなわち、Ｉｎ分子を間欠的に基板へ照射する。一方、Ａｓ用シャッタの開口時間は、ｔ₀ 〜ｔ₁₉であり、Ａｓ分子を連続的に基板へ照射する。

具体的なｔの数値は、例えば、ｔ_2n＝３．５ｎ秒，ｔ_2n+1＝３．５ｎ＋２．５秒（ｎ＝０，１，２，…，９）である。すなわち、２．５秒間、Ｉｎ分子を基板へ照射した後、１秒間、基板への照射を停止する処理シーケンスを１０回繰り返す。一方、３４秒間、Ａｓ分子を基板へ連続して照射する。なお、ＩｎＡｓの成長速度は、０．０９９モノレイヤ／秒であり、Ｉｎ分子を２．５秒間、基板へ照射することにより、その膜厚が臨界膜厚となるまでは、０．２５モノレイヤ相当のエピタキシャル膜が形成され、エピタキシャル膜の膜厚が臨界膜厚となった後は、グレインの成長に寄与することになる。

図３は量子ドットの形状の変化を示すＡＦＭ（Atomic Force Microscope）像である。
同図（ａ）は、ＩｎＡｓ換算で１．５モノレイヤ相当のＩｎ分子とＡｓ分子とを照射したときの平面視であり、グレインの形成は見られず、エピタキシャル膜１１が２次元的に成長していることがわかる。換言すれば、照射されたＩｎ分子及びＡｓ分子は、エピタキシャル膜１１の成長に寄与するため、エピタキシャル膜１１の膜厚Ｔは、略１．５モノレイヤ（略０．４５ｎｍ）となる。

同図（ｂ）は、ＩｎＡｓ換算で１．７モノレイヤ相当、すなわち臨界膜厚Ｔｃ相当のＩｎ分子とＡｓ分子とを照射したときの平面視であり、エピタキシャル膜１１の局所的な場所にグレインが形成されていることがわかる。

同図（ｃ）は、ＩｎＡｓ換算で２．０モノレイヤ相当のＩｎ分子とＡｓ分子とを照射したときの平面視であり、形成されたグレインが成長していることがわかる。以降、照射されたＩｎ分子及びＡｓ分子はグレインの成長に寄与し、グレインの高さが成長して量子ドット１３となる。

このようにして形成した量子ドットの形状は、図４のＡＦＭ像に示すように、高さが１０ｎｍのドーム状であり、さらに注目すべきは、従来の方法で形成した量子ドット（図１６参照）と比較して、量子ドットの均一性が向上されていることである。また、量子ドットの面密度は２．４×１０¹⁰ｃｍ^-2であり、従来の方法と比較して略１０％の向上を図ることができる。

ドーム状の量子ドットを均一に形成することが可能となるため、例えば、量子ドットレーザに適用した場合、出力波長の帯域幅が狭くなり、光出力を向上することができる。なお、照射したＩｎ分子及びＡｓ分子は、ＩｎＡｓ換算で２．５モノレイヤ相当であるが、照射するＩｎ分子及びＡｓ分子の供給量の制御すれば、量子ドットの高さ、またドーム状であるため、その直径を調整することが可能であることは言うまでもない。よって、量子ドットの寸法を制御することが可能となり、所望のＰＬ特性を有する発光素子を実現することができる。

Ｉｎ分子を間欠的に照射する主旨は、ＧａＡｓ基板１０に供給したＩｎ分子がＡｓ分子と結合することによってグレインを成長させ、その成長に要する時間を隔てて、次の成長を支配するＩｎ分子を間欠的に供給し、グレインをさらに成長させて均一性が優れた量子ドット１３を形成することにある。従来の形成方法の問題点は、供給したＩｎ分子がＡｓ分子と結合することなく、次の成長を支配するＩｎ分子が連続的に供給されるため、グレインの成長が不均一となってしまうことにある。

次に、ＧａＡｓ基板１０の基板温度に対する量子ドットの品質を評価した。図５は基板温度に対する量子ドットの形状を示すＡＦＭ像であり、同図（ａ）は基板温度が４７５℃、同図（ｂ）は５００℃、同図（ｃ）は５２５℃の場合である。

図５に示すように、基板温度が低いほど、高密度の量子ドットが形成されることがわかる（面密度：図５（ａ）＞図５（ｂ）＞図５（ｃ））。これは、基板温度を低くした場合、照射された分子の表面拡散距離が低下するため、分子がＧａＡｓ基板に到達した領域にグレインを生成することになって、グレインがＧａＡｓ基板１０の（３１１）Ａ面に高密度で形成されるためと考えられる。従って、基板温度を制御することにより、量子ドットの面密度を調整することができる。

更に、定量的な評価を行うべく、基板温度と量子ドットの面密度及び高さとの関係を評価した。図６は量子ドットの面密度と基板温度との関係を示すグラフ、図７は量子ドットの高さと基板温度との関係を示すグラフであり、具体的数値を表１に示す。

図６及び表１からは、上述したように、基板温度が低いほど、高密度の量子ドットが形成されることがわかり、一方、図７及び表１からは、基板温度が高いほど、量子ドットの高さが高くなることがわかる。これは、基板温度を高くすることにより、照射された分子の表面拡散距離の低下が阻害される、すなわち分子は、基板上を拡散し、すでに生成されたグレインに吸収されるため、グレインが低密度となる。従って、グレインの成長過程においては、照射された分子は低密度のグレインの成長に寄与するため、グレインの寸法が大きくなると考えられる。

つまり、量子ドットを形成する際の基板温度は、量子ドットの面密度及び高さに対して相補的な関係を有しており、所望する量子ドットの品質に対して制御することが求められる。例えば、より高密度な量子ドットを形成したい場合には、基板温度を低くすればよいし、一方、量子ドットの高さをより高くしたい場合には、基板温度を高くすればよい。従って、基板温度を制御することにより、量子ドットの寸法を制御することが可能となり、所望のＰＬ特性を有する発光素子を実現することが可能となる。

なお、本発明は、基板に供給したＩｎ分子がＡｓ分子と結合することによってグレインを成長させ、その成長に要する時間中はＩｎ分子の供給を停止するという処理シーケンスを繰り返し、均一性に優れた量子ドットを形成することにあるため、ＧａＡｓ基板の（３１１）Ａ面のみならず、（１００）面に対しても有効である。

図８はＧａＡｓ基板の（１００）面に形成した量子ドットの形状を示すＡＦＭ像であり、同図（ａ）は基板温度が４７５℃、同図（ｂ）は５００℃、同図（ｃ）は５２５℃の場合である。

図５と同様に、（１００）面に対しても、基板温度が低いほど、高密度の量子ドットが形成されることがわかる（面密度：図８（ａ）＞図８（ｂ）＞図８（ｃ））。また、図９の量子ドットの面密度と基板温度との関係を示すグラフ、図１０の量子ドットの高さと基板温度との関係を示すグラフに示すように、（１００）面に対しても、量子ドットを形成する際の基板温度は、量子ドットの面密度及び高さに対して相補的な関係を有しており、基板温度を制御して所望する量子ドットを形成することが可能である。なお、その具体的数値を表２に示す。

つまり、一度の成長によって、ＧａＡｓの（１００）面及び（３１１）Ａ面の双方に、極めて簡単な方法で、かつ低コストで、均一性が優れた量子ドットを高密度で形成することが可能となる。従って、Ｓｉをドープすることにより、（１００）面をｎ型半導体層、（３１１）Ａ面をｐ型半導体層として、１種類のドーパントを用いるだけで、ｎ型及びｐ型の半導体層を同時に形成した横型接合デバイスの特性を向上することができる。

なお、Ａｓ及びＩｎを供給するタイミングは、図２に示した数値に限定されるものではなく、例えば、Ｉｎを１．２５秒間照射し、１秒間照射を停止する処理シーケンスを２０回繰り返してもよい。この場合、１回の照射によってＩｎＡｓ換算で０．１２５モノレイヤ相当のエピタキシャル膜が順次積層され、エピタキシャル膜が臨界膜厚になった後は、グレインが成長して量子ドットとなる。

また、供給したＩｎがＡｓと結合した後に、次の成長を支配するＩｎを間欠的に供給することが好ましいため、Ｉｎを照射する時間は短いほうが好ましい。ただし、その場合、量子ドットを形成するのに要する時間が増加するという欠点がある。また、Ｉｎの照射を停止する時間を２秒及び３秒として、量子ドットを形成したが、その形状は図４のＡＦＭ像と同様の結果を得た。Ｉｎの照射を停止する時間は、Ｉｎ分子の表面拡散距離によって決定され、Ａｓ分子と結合するまでの時間以上、具体的には１秒以上であればよいが、生産の効率性を考慮すれば、照射を停止する時間は短いことが好ましい。

次に、量子ドットを活性層に用いた量子ドットレーザについて説明する。図１１は本発明に係る縦型接合型の量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。

量子ドットレーザ４０は、（３１１）Ａ面４１ａを有するｐ型ＧａＡｓ基板４１に各種の半導体層を順次積層した構造を有する。ｐ型ＧａＡｓ基板４１には、ＧａＡｓからなるｐ型バッファ層４２、Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓからなるｐ型クラッド層４３が、それぞれ３００ｎｍの厚さで積層されている。また、ｐ型クラッド層４３の上面には、超格子層３４が積層されており、超格子層３４は、図１３に示すように、厚さ２ｎｍのＧａＡｓ３４ａと厚さ２ｎｍのＡｌＡｓ３４ｂとが１層毎に積層され、それぞれ１０層が積層された構造を有する。

そして、超格子層３４の上面には、厚さ３００ｎｍのＧａＡｓからなるｐ型バッファ層４５を介して、上述した方法によって形成された平面形状が略円形のＩｎＡｓの量子ドットからなる活性層４６が積層されている。また、活性層４６の上面には、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓからなるキャップ層４７が積層され、量子ドットが埋め込まれている。キャップ層４７の上面には、厚さ３００ｎｍのＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓからなるｎ型クラッド層４８、及び厚さ３００ｎｍのＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層４９が積層されている。

ｐ型ＧａＡｓ基板４１の裏面を所定厚さ除去した後に、その裏面に電極材料を蒸着によって形成するとともに、所定パターンにエッチングしてｐ側電極を形成し、同様に、ｎ型コンタクト層４９上に電極材料を蒸着によって形成するとともに、所定パターンにエッチングしてｎ側電極を形成する。活性層４６に形成された量子ドットは、その平面形状が略円形であり、かつ均一性に優れているため、その出力波長の帯域幅が従来より狭くなり、光出力を向上することができる。

図１２は本発明に係る横型接合型の量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。

量子ドットレーザ３０はＧａＡｓ基板３１を基体とし、その中央に段差（傾斜面）３１ｂを有している。ＧａＡｓ基板の主面３１ａは（３１１）Ａ面であり、傾斜面３１ｂは（１００）面である。なお、傾斜角度は略２５°であり、このようなＧａＡｓ基板３１は、（３１１）Ａ面を有する基板を、リン酸系のエッチング液を用いたウェットエッチングを行うことにより、傾斜面を安定して形成することが可能である。

ＧａＡｓ基板３１ａの上面には、ＧａＡｓからなるバッファ層３２、Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓからなるクラッド層３３が、それぞれ３００ｎｍの厚さで積層されている。また、クラッド層３３の上面には、超格子層３４が積層されており、超格子層３４は、図１３に示すように、厚さ２ｎｍのＧａＡｓ３４ａと厚さ２ｎｍのＡｌＡｓ３４ｂとが１層毎に積層され、それぞれ１０層が積層された構造を有する。

そして、超格子層３４の上面には、厚さ３００ｎｍのＧａＡｓからなるバッファ層３５を介して、上述した方法によって形成された平面形状が略円形のＩｎＡｓの量子ドットからなる活性層３６が積層されている。また、活性層３６の上面には、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓからなるキャップ層３７が積層され、量子ドットが埋め込まれている。なお、所定のキャリア濃度のＳｉをドープすることにより、主面である（３１１）Ａ面側がｐ型領域に、傾斜面である（１００）面側がｎ型領域になっている。

このようにして、ｐ型領域とｎ型領域とが基板の横方向に接合された横型接合デバイスを実現することができる。このように、量子ドットの平面形状が略円形であることにより、その出力波長の帯域幅が狭くなり、光出力を向上することができる。なお、量子ドットレーザは一例であって、ＳＥＴ、ＬＥＤ、ＰＬ素子などのデバイスに適用されることは言うまでもない。

（実施形態２）
図１４は本発明の実施形態２に係るＡｓ及びＩｎを供給するタイミングを示すタイムチャートであり、同図（ａ）はＩｎの供給タイミングを示し、同図（ｂ）はＡｓの供給タイミングを示す。

Ｉｎ用シャッタの開口時間は、ｔ₀ 〜ｔ₁ ，ｔ₂ 〜ｔ₃ ，…，ｔ₈ 〜ｔ₉ であり、各開口時間の間、すなわち時間ｔ₁ 〜ｔ₂ ，ｔ₃ 〜ｔ₄ ，…，ｔ₇ 〜ｔ₈ はシャッタを閉口する。このようにして、Ｉｎ分子の基板への照射と未照射とを繰り返す、すなわち、Ｉｎ分子を間欠的に基板へ照射する。一方、Ａｓ用シャッタの開口時間は、ｔ₀ 〜ｔ₉ であり、Ａｓ分子を連続的に基板へ照射する。

具体的なｔの数値は、例えば、ｔ₀ 〜ｔ₁ ＝１５．０秒、ｔ₂ 〜ｔ₃ ，ｔ₄ 〜ｔ₅ ，…，ｔ₈ 〜ｔ₉ ＝２．５秒，ｔ₁ 〜ｔ₂ ，ｔ₃ 〜ｔ₄ ，…，ｔ₇ 〜ｔ₈ ＝１．０秒である。すなわち、ＩｎＡｓの成長速度は、０．０９９モノレイヤ／秒であるため、エピタキシャル膜の膜厚が臨界膜厚（１．７モノレイヤ）となるまで、例えば膜厚が１．５モノレイヤになるまでは、Ｉｎ分子を連続的に基板へ照射する。その後、２．５秒間、Ｉｎ分子を基板へ照射した後、１秒間、基板への照射を停止する処理シーケンスを４回繰り返す。一方、２９秒間、Ａｓ分子を基板へ連続して照射する。

このように、エピタキシャル膜の膜厚が臨界膜厚となるまで、Ｉｎを連続的に照射する。量子ドットの自己形成は、エピタキシャル膜の膜厚が臨界膜厚に成長した後に生じ、下地に形成された歪場に沿って自己組織的に配列するため、臨界膜厚に成長するまでは従来のようにＩｎを連続的に照射したとしても、量子ドットの形状に影響する虞がない。そこで、臨界膜厚に成長するまではＩｎを連続的に照射して、量子ドットの形成に要する時間を短縮したのが実施形態２である。なお、エピタキシャル膜の膜厚が臨界膜厚となった後のＩｎ分子の照射タイミングについては、実施形態１と同様であり、具体的なｔの数値は図１４に示したものに限定されるものではない。

なお、各実施形態では、ＧａＡｓ基板、特に、その（３１１）Ａ面にＩｎＡｓの量子ドットを形成する場合（ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ）について説明したが、その他の高指数面に対しても有効である。また、格子定数が異なり、Ｓ−Ｋモード成長が生じる組み合わせ、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＧａＳｂ／ＧａＡｓ，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ，ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ，ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ，ＧａＡｓ／ＧａＰ，ＧａＡｓＰ／ＧａＰ，ＺｎＴｅＳｅ／ＺｎＳｅ，ＺｎＳｅ／ＺｎＳ，ＧａＮ／ＡｌＮ，ＩｎＡｌＮ／ＡｌＮ，ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ，ＳｉＧｅ／Ｓｉに対しても有効である。

また、量子ドットを形成する材料（本例ではＩｎ）の表面拡散距離が長いほど、分子の供給を停止するという本発明の処理シーケンスが、量子ドットとなるグレインの成長（促進）に寄与するため有効である。例えば、III族原子では、原子番号の大きなものほど表面拡散距離が長い、つまり、Ｉｎ＞Ｇａ＞Ａｌの関係を有するため、Ｉｎは、略５００℃という比較的低温で均一性に優れた量子ドットを形成することができる。

本発明の実施形態１に係る量子ドットの形成方法を示す説明図である。 本発明の実施形態１に係るＡｓ及びＩｎを供給するタイミングを示すタイムチャートである。 量子ドットの形状の変化を示すＡＦＭ像（写真）である。 量子ドットの形状を示すＡＦＭ像（写真）である。 基板温度に対する量子ドットの形状を示すＡＦＭ像（写真）である。 量子ドットの面密度と基板温度との関係を示すグラフである。 量子ドットの高さと基板温度との関係を示すグラフである。 ＧａＡｓ基板の（１００）面に形成した量子ドットの形状を示すＡＦＭ像（写真）である。 ＧａＡｓ基板の（１００）面に形成した量子ドットの面密度と基板温度との関係を示すグラフである。 ＧａＡｓ基板の（１００）面に形成した量子ドットの高さと基板温度との関係を示すグラフである。 本発明に係る縦型接合型の量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。 本発明に係る横型接合型の量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。 超格子層の構造を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態２に係るＡｓ及びＩｎを供給するタイミングを示すタイムチャートである。 ＧａＡｓ基板に形成した従来の量子ドットの形状を示すＡＦＭ像（写真）である。 従来の量子ドットの形状を示すＡＦＭ像（写真）である。

符号の説明

１０ ＧａＡｓ基板
１０ａ （３１１）Ａ面
１１ エピタキシャル膜
１３ 量子ドット
２１ Ａｓ分子線
２２ Ｉｎ分子線
３０ 量子ドットレーザ（横型接合型）
３１ ＧａＡｓ基板
３１ａ 主面（（３１１）Ａ面）
３１ｂ 傾斜面（（１００）面）
３２ バッファ層
３３ クラッド層
３４ 超格子層
３５ バッファ層
３６ 活性層
３７ キャップ層
４０ 量子ドットレーザ（縦型接合型）
４１ ｐ型ＧａＡｓ基板
４１ａ （３１１）Ａ面
４２ ｐ型バッファ層
４３ ｐ型クラッド層
４５ ｐ型バッファ層
４６ 活性層
４７ キャップ層
４８ ｎ型クラッド層
４９ ｎ型コンタクト層

Claims (10)

1. 半導体の表面に、複数の材料を供給して膜を成長させて量子ドットを形成する量子ドットの形成方法において、
   前記複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給すること
   を特徴とする量子ドットの形成方法。
2. 前記膜の膜厚が該膜に歪が生じる臨界膜厚となるまでは、前記複数の材料を前記半導体の表面に連続的に供給し、
   前記膜の膜厚が前記臨界膜厚となった後は、前記複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給すること
   を特徴とする請求項１に記載の量子ドットの形成方法。
3. 前記膜の格子定数は、前記半導体の格子定数より大きいこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子ドットの形成方法。
4. 間欠的に供給する材料は、前記複数の材料のうちの表面拡散距離が最も長い材料であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の量子ドットの形成方法。
5. 前記半導体の表面は、高指数面であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の量子ドットの形成方法。
6. 前記半導体はガリウム及び砒素からなる化合物半導体であり、前記高指数面は（３１１）Ａ面であること
   を特徴とする請求項５に記載の量子ドットの形成方法。
7. 前記複数の材料は砒素及びインジウムであり、該インジウムを間欠的に供給すること
   を特徴とする請求項６に記載の量子ドットの形成方法。
8. 高指数面及び低指数面を有する半導体と、
   前記高指数面及び前記低指数面に複数の材料を供給する際、前記複数の材料のうち、少なくとも１つの材料を間欠的に供給して膜を成長させて形成した量子ドットと
   を有することを特徴とする半導体素子。
9. 前記半導体はガリウム及び砒素からなる化合物半導体であり、前記高指数面は（３１１）Ａ面であること
   を特徴とする請求項８に記載の半導体素子。
10. 前記複数の材料は砒素及びインジウムであり、間欠的に供給される材料はインジウムであること
    を特徴とする請求項９に記載の半導体素子。

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