JP2005534164A - 拡張された波長で作動する量子ドットを形成する方法 - Google Patents

拡張された波長で作動する量子ドットを形成する方法 Download PDF

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Abstract

基底状態放射が実質的に２９３Ｋの温度で１３５０ｎｍより長波長で生じる半導体量子ドットが組込まれた光電デバイス活性領域の形成方法が、ひずみ領域を貫通するスペーサ層で覆われた量子ドット第１層の形成により提供される。スペーサ層はテンプレートを形成し、その上に、下の第１層に影響されて、活性層の量子ドットが表面密度を有して形成される。これは、不均一な狭い広がりの長波長放射する量子ドットを活性層中に形成するための有利な成長パラメータ選択を可能にする。例えば、第１層より低温度で活性量子ドット層を形成できる。活性層の量子ドットは、周囲のスペーサ層及びキャッピング層との混合が少なく、よりひずみ緩和状態が維持されるため、不均一広がりが狭く、より長波長放射が得られる。該方法はＧａＡｓ基板上の光電デバイス活性領域の成長に特に適している。

Description

本発明は光電デバイスの分野に係り、より詳細には、基底状態放射が実質的に１９．８４℃（２９３Ｋ）の温度で１３５０ｎｍより長い波長で生じる半導体量子ドットの組み込まれた光電デバイスの分野に関するものである。
半導体材料は、多くの光電デバイスに使用されている。通常、半導体の構造は、特定のデバイスに要求される波長でそのデバイスが光学的に活性化されるように配列されている。とりわけ電気通信における多くの適応例では、１２５０ｎｍと１６５０ｎｍとの間の波長の使用が要求される。これらの波長は、光ファイバ伝送及び他の光ファイバ装置に適している。
これらの波長で使用するための、リン化インジウム（ＩｎＰ）基板に基づく光電デバイスの製造については周知である。しかし、ＩｎＰ基板ではなく、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）基板を使用してこれらの波長で作動するデバイスを製造できることが望ましい。
ＧａＡｓ基板の主な利点は、広範囲にわたる利用が可能であり、且つ、ＩｎＰ基板より安価であることである。ＧａＡｓ基板は、より短い波長（１２００ｎｍ未満）で作動するデバイスに既に広範囲にわたって使用されており、また、このようなデバイスを製造し、処理し、実装する方法も十分に発達しており、より長い波長で作動するデバイスへの適合が可能であろう。
ＧａＡｓによるデバイスの性能は、いくつかの点でＩｎＰに基づくデバイスより優れており、とりわけ感温性の点で優れている。垂直共振器表面放射レーザのような複雑な構造では、同じ構造を得るためにＩｎＰ系に必要なウェハ・ボンディングなどの複雑な工程と比較すると、単一成長工程によりＧａＡｓ系では容易に製造できることがしばしばである。また、ＧａＡｓ電子工学は十分に発達しており、同一チップ上に光学機能とそれらの機能を制御するために必要な電子回路の両方を一体構造で統合した、ＧａＡｓに基づく光電デバイスを比較的容易に提供することができる。
以上から、ＧａＡｓ系をより長い波長で作動できるようにすることが大いに望ましいことが理解されよう。
ＧａＡｓ基板でより長い波長での動作の達成を立証した３つの技術が知られている（例えばヴイ・エム・ウスチノフ（Ｖ．Ｍ．Ｕｓｔｉｎｏｖ）及びエー・イー・チューコフ（Ａ．Ｅ．Ｚｈｕｋｏｖ）の「ＧａＡｓ基長波長レーザ（ＧａＡｓ−ｂａｓｅｄ ｌｏｎｇ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｌａｓｅｒｓ）」（Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０００、１５、Ｒ４１）を参照されたい）。これらの技術は、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓ量子ドット、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸またはドット、及びＧａＡｓＳｂ量子井戸である。
ＧａＩｎＮＡｓ及びＧａＡｓＳｂ量子井戸の場合、窒素またはアンチモンを構造体に添加することによってバンドギャップが狭くなり、より長い波長放射がもたらされるが、現在の成長技術によれば、窒素またはアンチモンの添加によって材料の品質が劣化する。
また、量子ドットは、２つの競合する技術（量子井戸に基づく技術）より優れるいくつかの利点を提供する。これらの利点は、キャリアの３次元閉込め（量子井戸の場合の１次元ではなく）によるものであり、また、不均一に広がった放射（量子井戸の場合の均一に広がった放射ではなく）によるものである。このような利点は、レーザの閾値電流がより小さいこと、感温性がより鈍いこと、またはより広い波長帯域での動作が可能なことである。
もう１つの重要な特徴は、一般的にその基本遷移内で量子ドットを作動させることができるだけでなく、その基本遷移より短い広帯域波長（励起状態に対応する帯域(バンド)）内で作動させることができることである。例えば、その基底状態から１４８０ｎｍで放射する量子ドットを作製することは、この波長での応用にとって重要であるばかりでなく、（例えば第２の励起状態からの）１３００ｎｍ等のより短い波長で使用することも可能である。この場合、基底状態から１３００ｎｍの光を直接放射する量子ドットと比較すると、励起状態の縮退の増加により、いくつかの利点が得られる。
通常、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓ量子ドットは、ストランスキー−クラスタノフ成長モードに従って製造され、基板（ＧａＡｓ）とドット材料（ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓ）との間の格子不整合による歪みによって３次元島が自己形成される。このストランスキー−クラスタノフ成長は、通常、２つの主要技術、すなわち分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を使用して達成される。従来の成長条件（すなわち、ＩｎＧａＡｓ量子井戸に使用される成長条件と同様の条件）下では、横方向のドット寸法は、通常、１４ｎｍから３０ｎｍまでの間であり（例えば米国特許ＵＳ−Ａ−５，６１４４３５を参照されたい）、また、通常、２６．８４℃（３００Ｋ）において１２００ｎｍより短い波長で放射する。ここで提供される事例では、より長い波長の放射に対しては、通常、横方向のドット寸法がより長くなっている。
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットの波長を拡張するために、異なる技術がさらに開発されている。例えばアール・ピー・ミリン（Ｒ．Ｐ．Ｍｉｒｉｎ）らの「ＧａＡｓ上のＩｎＧａＡｓ量子ドットからの１．３μｍフォトルミネセンス（１．３μｍ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ＩｎＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｏｎ ＧａＡｓ）」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９９５、６７、３７９５）に、交番層エピタキシャル法の使用が提案されており、また、アール・ミューレイ（Ｒ．Ｍｕｒｒａｙ）らの「ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ自己集合量子ドットからの１．３μｍ室温放射（１．３μｍ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ）」（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１９９９、Ｐａｒｔ １ ３８、５２８）に、低ＩｎＡｓ成長速度の使用が提案されているが、これらの技術を使用して達成される最長波長は１３００ｎｍに近く、せいぜい１３４０ｎｍである。
ドットをＩｎＧａＡｓでキャッピングするか若しくはＩｎＧａＡｓ上にドットを成長させることを含む代替方法、又はその両方を含む代替方法が開発されている。例えばケー・ニシ（Ｋ．Ｎｉｓｈｉ）らの「ＧａＡｓ基板に成長したＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより被覆された、歪み低減されたＩｎＡｓ量子ドットからの、 １．３５ μｍで ２１ ｍｅＶの狭いフォトルミネセンス線幅（Ａ ｎａｒｒｏｗ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｏｆ ２１ ｍｅＶ ａｔ １．３５ μｍ ｆｒｏｍ ｓｔｒａｉｎ−ｒｅｄｕｃｅｄ ＩｎＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ＧａＡｓ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９９９、７４、１１１１）に、ドットをＩｎＧａＡｓでキャッピングする方法が提案されており、ＭＢＥを使用して最大１３５０ｎｍの放射を達成している。また、エー・パサセノ（Ａ．Ｐａｓｓａｓｅｏ）らの「有機金属化学気相成長法によるＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ量子ドット構造における１．２５μｍから１．４μｍまでの波長制御（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒｏｍ １．２５ ｔｏ １．４μｍ ｉｎ ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００１、７８、１３８２）には、ＭＯＣＶＤを使用して最大１３９０ｎｍの放射を達成するための同様の技術が使用されている。さらに、ジェー・タテバヤシ（Ｊ．Ｔａｔｅｂａｙａｓｈｉ）らの「有機金属化学気相成長法によるＩｎＧａＡｓ低歪み層に埋め込まれたＩｎＡｓ量子ドットからの１．５μｍ超の発光（Ｏｖｅｒ １．５μｍ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ ＩｎＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ＩｎＧａＡｓ ｓｔｒａｉｎ−ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００１、７８、３４６９）には、最大１５２０ｎｍの放射が観察されているが、ルミネセンス効率が著しく低いため、光電デバイスへの使用には適していない。
量子ドットの例でのもう１つの重要な特性は、低励起かつ低温（通常、−２６３．１６℃（１０Ｋ））における基底状態フォトルミネセンスのピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）で測定すると、放射が不均一に広いことである。レーザなどの多くの応用の場合、最良の性能を得るためには可能な限りＦＷＨＭを狭くしなければならない。アール・ピー・ミリン（Ｒ．Ｐ．Ｍｉｒｉｎ）らの「自己集合したＩｎＧａＡｓ量子ドット集合体からの狭いフォトルミネセンス線幅（Ｎａｒｒｏｗ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈｓ ｆｒｏｍ ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ ｏｆ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ＩｎＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ）」（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ ２０００、１８、１５１０）によれば、放射波長が１３００ｎｍを超える場合、達成される最も狭いＦＷＨＭは１８ｍｅＶである。
本発明に関連する量子ドットの成長の特徴の１つは、連続する密に間隔を隔てた量子ドット層を単純に成長させることにより、垂直に整列した量子ドット構造が成長する可能性である。この特徴は、早くから認識されており（例えばキュー・クシー（Ｑ．Ｘｉｅ）らの「ＧａＡｓ（１００）上に垂直方向に自己組織化したＩｎＡｓ量子ドット箱の島（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ＩｎＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｂｏｘ ｉｓｌａｎｄｓ ｏｎ ＧａＡｓ（１００））」（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１９９５、７５、２５４２）を参照されたい）、多くの研究がなされている。ムクハメツハノフ（Ｍｕｋｈａｍｅｔｚｈａｎｏｖ）らの「応力駆動自己組織化量子ドットの密度およびサイズの独立操作（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ−ｄｒｉｖｅｎ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ）」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９９８、７３、１８４１）には、ドットがより大きく、且つ、他の方法で使用している成長条件で可能な密度より小さい密度の第２の層を成長させるためにこの特徴が使用されている。密度の小さい微小量子ドットを備えた第１の層が成長し、この第１の層がその垂直方向の積層によって第２の層の密度を決定している。したがって、得られる第２の層の量子ドットは、従来の成長速度０．２２ＭＬ／ｓで成長するが、低成長速度で直接成長する量子ドットに（密度、寸法及び放射特性の点で）類似している。
本発明の一観点によれば、基底状態または励起状態において、実質的に１９．８４℃（２９３Ｋ）の温度で１３５０ｎｍより長い波長の放射線を放射、吸収、または増幅する機能のうちの少なくとも１つを実行することのできる半導体量子ドットを含む光電デバイスが提供される。
本発明の他の観点によれば、基底状態放射が実質的に１９．８４℃（２９３Ｋ）の温度で１３５０ｎｍより長い波長で生じる半導体量子ドットが組み込まれた光電デバイスの活性領域を形成する方法が提供される。前記方法は、
基板層又はバッファ層のうちのいずれかの上に形成される量子ドットの第１の層を成長させる工程であって、前記第１の層の前記量子ドットが、前記基板層と前記第１の層の前記量子ドットとの間の格子不整合によるひずみを受ける工程と、
前記第１の層を覆ってスペーサ層を成長させる工程であって、前記スペーサ層が、前記第１の層の量子ドット上のひずみ領域中で、前記第１の層の前記量子ドットと前記スペーサ層との間の格子不整合によるひずみを受ける工程と、
前記スペーサ層上に量子ドットの活性層を成長させる工程であって、前記活性層の量子ドットが前記スペーサ層のひずみ領域上に主に形成され、それにより前記活性層の量子ドットの表面密度が前記第１の層の量子ドットの表面密度によって実質的に決定され、前記活性層の量子ドットが、前記活性層の前記量子ドットの受けるひずみがひずみの無い表面に成長する量子ドットの受けるひずみより小さいひずみ緩和状態にあり、前記活性層の成長条件が第１の層の成長条件と異なり、とりわけ基板の温度が十分低くなるように適切に選択され、それにより前記ひずみ緩和状態が実質的に維持され、且つ、前記活性層の前記量子ドットと前記スペーサ層との混合が制限される工程と、
前記活性層上にキャッピング層を成長させる工程であって、前記キャッピング層の成長条件が、とりわけ基板の温度が十分低くなるように適切に選択され、それにより前記ひずみ緩和状態が実質的に維持され、且つ、前記活性層の前記量子ドットと前記スペーサ層及び前記キャッピング層との混合が制限される工程を含む。
本発明には、部分的に、第２の層の密度を設定するために第１の層を成長させることが可能であることが利用されている。この技術は永年にわたって知られているが、第２の層のひずみ状態を工学的に作り出すために第１の層を使用することが可能なこと、成長している間の混合効果の重要性及びこの第２の層のキャッピングの重要性については認識されていない。量子ドットの放射を室温で１３５０ｎｍを超える望ましい波長に拡張するべくこの技術が使用されていなかったのは、この理由によるものである。
基板がＧａＡｓ基板である場合にこの技術がとりわけ適していることが理解されよう。
適切な成長条件及びキャッピング条件の下では、活性層の量子ドット中のひずみが緩和されるため、バンドギャップがより狭くなり、ひいてはより長い波長での基底状態放射がもたらされる。キャッピング条件は、ひずみの緩和によって得られる利点（長波長放射）が、競合する他の機構によって失われないように選択することができる。例えば、ひずみの緩和されたＩｎＧｓＡｓ量子ドットには、キャッピングの間、より多くのガリウム／インジウムが混合する傾向があり、より短い波長放射がもたらされることになる。したがって基板の温度を十分に低くすることにより、これらの混合効果を回避することができる。これは、ひずみの相互作用により、活性層の量子ドットの表面密度が第１の層の表面密度によって決定されるという事実によって促進される。したがって、量子ドットの密度に影響することなく活性層の成長パラメータを調整することができる。これは、成長パラメータの変更が密度に著しく影響し、また、基板の温度を低くすることによって、例えば短い波長で放射する密度の高い微小量子ドットがもたらされる従来の量子ドット層とは異なっている。
ＩｎＡｓ量子ドットの放射波長を伸ばすために使用されている、ＩｎＧａＡｓ障壁の使用又は窒素の添加などの既存の技術は、通常、材料品質の劣化に深く関わっており、したがって室温における放射強度が著しく低下する原因になっている。いくつかの実施例では、長波長で、且つ、強い室温放射を維持しつつ、これらの技術が有利に回避されている。
また、層間のひずみの相互作用、および混合の低減により、より良好な一様性を有する量子ドットが作製されるため、活性層のＦＷＨＭが著しく狭いフォトルミネセンス放射が達成される。
特定の状況及び使用する基板に応じてスペーサ層の厚さを変更することができることは理解されよう。しかしながらこのスペーサは、３×１０−９ｍ〜３×１０−８ｍの厚さが有利であることが分かっている。
好ましい具体例では、第１の層の量子ドットは、そのひずみ場が実質的にスペーサ層を貫通して延びる十分な強さになるように成長させることが有利である。これは、第１の量子ドット層を１秒当たり０．０６単原子層（ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）未満の低成長速度で成長させることによって促進される。便宜上、この成長速度を変更することなく維持し、第２の量子ドット層の成長に使用することも可能である。
スペーサ層の厚さに応じて、活性層の量子ドットを第１の層の量子ドットに電子結合できることは理解されよう。これは、いくつかの用途に対しては有利である。
特定のデバイス及び用途に応じて、量子ドットの表面密度を大きく変更できることは理解されると思われるが、本発明は、とりわけ量子ドットの表面密度が１平方メートル当たり１０１３から１０１５までの間の例に適している。
デバイスによっては、また特定の状況によっては、複数の活性量子ドット層を有することが望ましく、また、このような複数の活性量子ドット層は、望ましい特性を有する活性量子ドット層のスタックを生成するために、（場合によっては、キャッピング層によって提供される）スペーサ層及び活性層をさらに形成することによって達成できることは理解されよう。
この技術は、一連の異なる可能な材料を使用して適用できるが、好ましい具体例では、量子ドットは、ＩｎＡｓ量子ドット、ＩｎＧａＡｓ量子ドットまたはＧａＩｎＮＡｓ量子ドットのうちの１つである。同様の方法で、基板層の少なくとも一部を様々な材料で形成することも可能であるが、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓのうちのいずれかであることが好ましい。また、スペーサ層及びキャッピング層の少なくとも一部を、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓなどの様々な異なる相補材料で形成することも可能である。とりわけ、スペーサ層の少なくとも一部、若しくはキャッピング層の第１の部分、またはその両方をＧａＡｓの替わりにＩｎＧａＡｓで形成することが有利である。
上記で説明した技術を使用して形成される光電デバイスには、特定の用途に応じて、広範囲にわたる様々な異なる機能及び形態を持たせることができるが、本発明は、放射線放射放出、放射線増幅、放射線検出及び放射線吸収のうちの少なくとも１つを実行するために活性層を作動させることのできる場合にとりわけ有用である。
この技術による、または、この技術の改良された性能に関連する活性領域の第１の特徴は、活性層中のドット密度が第１の層のドット密度によって決定されることである。それにより活性層中のドット密度を、活性層を成長させ、且つ、キャッピングするために使用される成長パラメータに無関係に選択することができる。
この技術の第２の特徴は、活性層のドットのひずみ緩和状態が維持され、且つ、混合効果が可能な限り小さくなるように、前記第１の特徴を使用して活性層の成長パラメータが選択されることである。これらは、広がりが狭く、且つ、より長い波長放射を達成するための２つの重要な要因である。
光電デバイスを形成するこの方法のとりわけ好ましい有利な特徴は、活性層を第１の層よりも低い温度で成長させることである。これは、スペーサ層のひずみ領域のテンプレート／キーイング(鋳型／鍵)作用によって促進され、スペーサ層が存在しない場合にこのような量子ドットを形成するために必要になるであろう温度より低い温度で活性層の量子ドットを形成するためのサイトが提供される。活性層の量子ドットのより低い温度での形成には、量子ドットの一様性を改善し、且つ、性能特性、例えばより狭いＦＷＨＭでより長い波長を放射する特性を改善する傾向がある。
活性層の量子ドットの形成に先立ってスペーサ層が焼きなましされる場合、活性層中に量子ドットを形成するためのテンプレート／キーを提供するスペーサ層の作用が改善される。
以下、本発明の実施例について、単なる実施例に過ぎないが、添付の図面を参照して説明する。
良好なルミネセンス効率及び狭いＦＷＨＭで、基底状態からより長い波長（１３５０ｎｍより長い波長）で放射する高品質量子ドット層を作製する方法について説明する。このような構造体は、ＧａＡｓ基板上に成長した、１３５０ｎｍより長い波長で作動する多くの光電デバイスの活性領域として使用することができる。また、このような活性領域は、ドットの励起状態における放射及び吸収を使用することにより、より短い波長で作動する光電デバイスに著しい改善を提供することも可能である。
図１は、光電デバイスの活性領域の形成を略図で示したものである。工程（ａ）で、ＧａＡｓ基板などの基板が一般的にはウェハの形態で提供される。この基板上にＧａＡｓなどのバッファ層を成長させることができる。
工程（ｂ）で、ストランスキー−クラスタノフ成長モードに従ってＩｎＡｓ量子ドットなどの第１の量子ドット層が形成され、基板と量子ドットとの間の格子不整合による歪みにより、量子ドットを構成する３次元島が自己形成される。
工程（ｃ）で、第１の層の頂部にＧａＡｓスペーサ層などのスペーサ層が被着される。第１の層の量子ドットとスペーサ層との間の格子定数不整合により、スペーサ層と量子ドットとの間にひずみ領域が形成される。このひずみ領域はスペーサ層を貫通してスペーサ層の頂部表面まで延在し、下にある第１の層の量子ドットに対応するスペーサ層の頂部表面にひずみ領域が形成される。
工程（ｄ）でスペーサ層の頂部にＩｎＡｓ量子ドットなどの活性量子ドット層が被着される。スペーサ層の頂部表面のひずみ領域は、活性層の量子ドットを形成するためのテンプレートを形成している。この量子ドットは、第１の層の量子ドットの上方に整列している。このひずみ領域の存在は、通常、成長を２次元から３次元に変化させるために必要なＩｎＡｓ範囲の減少によって出現し、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）を使用して測定することができる。活性層の量子ドットの表面密度は、活性層の形成に使用される特定の成長パラメータによってではなく、事実上、スペーサ層の頂部表面の歪み領域によって提供されるテンプレートによって制御される。したがって、下にある第１の層及びスペーサ層が存在しない場合の活性量子ドット層の形成に必要になるであろう成長パラメータとは異なる成長パラメータを使用して活性量子ドット層を形成することができる。このように、活性層の量子ドットの成長パラメータを、活性層の量子ドット表面密度から少なくとも部分的に減結合（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）させることにより、活性量子ドット層の長波長放射特性を達成するために、減結合しない場合に可能な成長パラメータより有利な成長パラメータを使用することができる。一例として、より低い温度で活性量子ドット層を成長させることにより、量子ドットの材料とその下のスペーサ層との混合を少なくすることができる。形成される活性量子ドット層が一様であればあるほど、不均一な広がりが狭くなる。また、スペーサ層は、下にある第１の層によって歪んでいるため、活性層の量子ドットとより密に整合している格子定数をひずみ領域に有しており、したがって活性層の量子ドットは、無ひずみ表面を形成している量子ドットよりひずみが緩和されている。このひずみの緩和と混合の減少とが、望ましい長波長放射に寄与している。
工程（ｅ）で活性量子ドット層を覆ってＧａＡｓなどのキャッピング層が形成される。このキャッピング層、とりわけその最初の数ナノメートルは、必ずしもそうとは限らないが、通常、成長の中断を回避するために、活性層の成長条件と同じ成長条件で成長させる。
図１に示す簡単な実施例には、１つの材料系、すなわちＧａＡｓ及びＩｎＡｓが使用されているが、他の可能な系を利用することも可能であり、例えばキャッピング層及び／又はスペーサ層、あるいはそれらの一部を、ＧａＡｓの代わりにＩｎＧａＡｓで形成できることが理解されよう。他の代替例として、上記で考察したＧａＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層の代わりにＩｎＡｌＧａＡｓスペーサとともにＡｌＧａＡｓなどの材料系を使用することも可能である。また、量子ドット層またはスペーサ／キャッピング層の材料としてＧａＩｎＮＡｓを使用することも可能である。
図１の実施例は、単一活性層の形成を示したものである。図２は、光電デバイスの活性領域を示したものであり、スペーサ層及び活性層を反復して被着させることによって更なる活性層が形成されている。図２に示す実施例では、最初の量子ドットの第１の層が形成された後、キャッピング／スペーサ層および活性層の組が５組被着され、最後にキャッピング層が被着されている。
図３は、光電デバイスの活性領域の代替実施例を示したものである。この実施例では３つの活性層が形成されている。この光電デバイスは、３組の層から形成されており、各組の層は、第１の層、スペーサ層、活性層及びキャッピング層からなっている。第１のキャッピング層が被着されると、その上に別の第１の層が被着され、順次に反復されている。
図３に示す実施例のキャッピング層とスペーサ層との違いは、キャッピング層の厚さとスペーサ層の厚さとが異なっていることである。キャッピング層は、通常、非常に厚いため、歪み領域がキャッピング層を貫通して延在することはない。
図４は、前記技術に従って形成された光電デバイスの活性領域の低温（−２６３．１６℃（１０Ｋ））、低励起フォトルミネセンスのスペクトルを示したものである。この第１の実施例では、スペーサ層及びキャッピング層はＧａＡｓのみで形成されている。このスペクトルから分かるように、放射のピークは比較的長い１２８０ｎｍであり、半値全幅が１４ｍｅＶと狭く、形成された量子ドットの一様性が優れていることを示している。
図５は、同じデバイスの室温、高励起スペクトルを示したものである。この場合、放射ピークの波長が、デバイスの室温における作動体制に対して、約１３９０ｎｍの基底状態放射に移動し、さらに１４３０ｎｍまで延びていることが分かる。これは、１３５０ｎｍより長い波長で作動するＧａＡｓ基のデバイスの製造を可能にしている。また、１３００ｎｍ近辺で第１の励起状態放射が観察されている。したがって、このような活性領域により、１３００ｎｍ近辺で作動するＧａＡｓ基の量子ドット・デバイスの性能が改善される。なぜなら、第１の励起状態から得ることのできる最大の光獲得（ｇａｉｎ）が、基底状態から得ることができる最大光獲得よりも２倍大きいからである。
次に、この技術の利点を示す量子ドットの試料のもう１つの実施例について説明する。前記実施例との相異は、ＧａＡｓの代わりにＩｎＧａＡｓを使用してドットをキャッピングしていることである。得られる放射波長はさらに長く、室温で１４８０ｎｍが観察されている。
図６は、前記の技術に従って形成された他の活性領域の低温（−２６３．１６℃（１０Ｋ））、低励起フォトルミネセンスのスペクトルを示したものである。前記の実施例との相異は、ＧａＡｓの代わりにＩｎＧａＡｓがスペーサ層の最後の部分及びキャッピング層の最初の部分に使用されていることである。このスペクトルから分かるように、放射のピーク波長は、（−２６３．１６℃（１０Ｋ）において）さらに長い１３５０ｎｍであり、ＦＷＨＭも１４．５ｍｅＶと狭くなっている。
図７は、同じ活性領域の室温、高励起スペクトルを示したものである。この場合、基底状態からの室温放射のピークが１４８０ｎｍであり、１５００ｎｍを超えて延びていることが分かる。これもまた、これらの長波長で作動するＧａＡｓ基のデバイスの製造を可能にしている。また、１３９０ｎｍで第１の励起状態放射が得られ、１３００ｎｍ近辺で第２の励起状態放射が得られる。したがって、第２の励起状態から得ることのできる最大光獲得が、基底状態から得ることのできる最大光獲得の４倍であり、また、第１の励起状態から得ることのできる最大光獲得が、基底状態から得ることのできる最大光獲得の２倍大きいため、このような活性領域により、これらの波長で作動するＧａＡｓ基の量子ドット・デバイスの性能が改善される。
次に、図４及び図５に示す低温スペクトル及び室温スペクトルを有する光電デバイスの実施例を形成するために使用されるパラメータの、より特定の実施例について説明する。
５．０８ｃｍ（２インチ）のｎ＋のドープされたＧａＡｓウェハが分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置に装填され、超高真空まで排気される。基板が６２０℃の温度に加熱され、酸化物が除去される。５８０℃で１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層を成長させた後、第１の量子ドット層を成長させるために５００℃まで温度が引き下げられる。ＭＢＥ装置で基板温度の絶対値を評価することは困難である。本発明者らの場合、基準温度は、ＧａＡｓ表面再構築が２×４パターンからｃ４×４パターンに変化する温度であり、このパターンが反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）を使用して観察される。ここで使用したヒ素背景圧力（２．６×１０−６ｍｂａｒ）の場合、高温計を使用して測定したこの基準温度は５００℃であった。他の温度は、熱電対を使用してこの基準に対して測定される。第１の量子ドット層は、１秒当たり０．０１５単原子層の成長速度で被着した２．２ＭＬのＩｎＡｓからなっており、すぐに１２ｎｍのＧａＡｓにより５００℃でキャッピングされる。次に、温度が５８０℃に引き上げられ、１０分間、試料が焼きなましされた後、活性量子ドット層を成長させるために４７０℃の温度に引き下げられる。この層は、４７０℃で被着された２．７ＭＬのＩｎＡｓからなっており、すぐに１０ｎｍのＧａＡｓにより４７０℃でキャッピングされる。次に、ＧａＡｓキャップの残部を成長させる（１００ｎｍ）ために、温度が５８０℃に引き上げられる。このような試料の低温フォトルミネセンス及び室温フォトルミネセンスについては、図４及び図５を参照されたい。
第２の実施例（図６及び図７）の場合、違いは、スペーサ層が１０ｎｍのＧａＡｓとそれに続く２ｎｍのＩｎＧａＡｓ（インジウムの組成は１５％である）からなっていること、及び第１の５ｎｍのキャッピング層が５ｎｍのＩｎＧａＡｓ（インジウムの組成は２６％である）に置き換わっていることのみである。
図の要点
図４：低温、低励起フォトルミネセンスのスペクトルである。放射のピークは０．９６８ｅＶ（１２８０ｎｍ）であり、半値全幅は１４ｍｅＶと狭く、量子ドットの一様性が優れていることを示している。
図５：室温、高励起スペクトルである。基底状態放射のピークは１３９０ｎｍであり、１４３０ｎｍ近辺まで延びている。１３００ｎｍ近辺で第１の励起放射が出現している。
図６：第２の実施例（スペーサ層及びキャッピング層にＩｎＧａＡｓが含有されている）の低温、低励起フォトルミネセンスのスペクトルである。放射のピークは０．９１８ｅＶ（１３５０ｎｍ）であり、半値全幅は１４．５ｍｅＶと狭く、量子ドットの一様性が優れていることを示している。
図７：第２の実施例（スペーサ層及びキャッピング層にＩｎＧａＡｓが含有されている）の室温、高励起フォトルミネセンスのスペクトルである。基底状態放射のピークは１４８０ｎｍであり、１５００ｎｍを超えて延びている。１３９０ｎｍで第１の励起状態放射が出現し、１３００ｎｍ近辺で第２の励起状態放射が出現している。
光電デバイスの活性領域の形成を示す略図。 ５つの活性量子ドット層を有する光電デバイスの活性領域の層構造を示す略図。 ３つの活性量子ドット層を有する光電デバイスの活性領域の層構造を示す略図。 スペーサ層及びキャッピング層がＧａＡｓのみから構成された光電デバイスの活性領域の低温、低励起フォトルミネセンス・スペクトルを示すグラフ。 図４に示す光電デバイスの活性領域と同じ活性領域の室温、高励起フォトルミネセンス・スペクトルを示すグラフ。 スペーサ層の最後の部分及びキャッピング層の第１の部分がＩｎＧａＡｓから構成された光電デバイスの他の活性領域の低温、低励起フォトルミネセンス・スペクトルを示すグラフ。 図６に示す光電デバイスの活性領域と同じ活性領域の室温、高励起フォトルミネセンス・スペクトルを示すグラフ。

Claims (21)

  1. 基底状態放射が実質的に１９．８４℃（２９３Ｋ）で１３５０ｎｍより長い波長で生じる半導体量子ドットが組み込まれた光電デバイスの活性領域を形成する方法であって、該方法が、
    基板層またはバッファ層のうちのいずれかの上に形成される量子ドットの第１の層を成長させる工程であって、前記第１の層の前記量子ドットが、前記基板層と前記第１の層の前記量子ドットとの間の格子不整合によるひずみを受ける工程と、
    前記第１の層を覆ってスペーサ層を成長させる工程であって、前記スペーサ層が、前記第１の層の量子ドット上のひずみ領域中で、前記第１の層の前記量子ドットと前記スペーサ層との間の格子不整合によるひずみを受ける工程と、
    前記スペーサ層上に量子ドットの活性層を成長させる工程であって、前記活性層の量子ドットが前記スペーサ層のひずみ領域上に主に形成され、それにより前記活性層の量子ドットの表面密度が前記第１の層の量子ドットの表面密度によって実質的に決定され、前記活性層の量子ドットが、前記活性層の前記量子ドットの受けるひずみがひずみの無い表面に成長する量子ドットの受けるひずみよりも小さいひずみ緩和状態にあり、前記活性層の成長条件が前記第１の層の成長条件と異なり、とりわけ基板の温度が十分低くなるように適切に選択され、それにより前記ひずみ緩和状態が実質的に維持され、且つ、前記活性層の前記量子ドットと前記スペーサ層との混合が制限される工程と、
    前記活性層上にキャッピング層を成長させる工程であって、前記キャッピング層の成長条件が、とりわけ基板の温度が十分低くなるように適切に選択され、それにより前記ひずみ緩和状態が実質的に維持され、且つ、前記活性層の前記量子ドットと前記スペーサ層及び前記キャッピング層との混合が制限される工程とを含む方法。
  2. 前記スペーサ層を３×１０−９ｍ〜３×１０−８ｍの厚さに成長させる請求項１に記載された方法。
  3. 前記量子ドットの第１の層を、１秒当たり０．０６単原子層未満の成長速度で成長させる請求項１または請求項２に記載された方法。
  4. 前記第１の層中の前記量子ドットが、１平方メートル当たり１０１３〜１０１５の表面密度を有するように成長させる請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された方法。
  5. 前記キャッピング層が、１つ又は複数の他の活性層及びキャッピング層を成長させるためのスペーサ層として作用する請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された方法。
  6. 第１の層、スペーサ層、活性層及びキャッピング層の１つ又は複数の他の組を前記キャッピング層上に成長させる工程を含む請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された方法。
  7. 前記量子ドットが、
    （ｉ）ＩｎＡｓ量子ドット
    （ｉｉ）ＩｎＧａＡｓ量子ドット
    （ｉｉｉ）ＧａＩｎＮＡｓ量子ドット
    のうちのいずれかである請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された方法。
  8. 前記基板層または前記バッファ層の少なくとも一部が、
    （ｉ）ＧａＡｓ
    （ｉｉ）ＡｌＧａＡｓ
    のうちのいずれかである請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された方法。
  9. 前記スペーサ層の少なくとも一部が、
    （ｉ）ＧａＡｓ
    （ｉｉ）ＡｌＧａＡｓ
    （ｉｉｉ）ＩｎＧａＡｓ
    （ｉｖ）ＩｎＡｌＧａＡｓ
    （ｖ）ＧａＩｎＮＡｓ
    のうちのいずれかである請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された方法。
  10. 前記キャッピング層の少なくとも一部が、
    （ｉ）ＧａＡｓ
    （ｉｉ）ＡｌＧａＡｓ
    （ｉｉｉ）ＩｎＧａＡｓ
    （ｉｖ）ＩｎＡｌＧａＡｓ
    （ｖ）ＧａＩｎＮＡｓ
    のうちのいずれかである請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された方法。
  11. 前記活性層が、
    （ｉ）放射線放射
    （ｉｉ）放射線増幅
    （ｉｉｉ）放射線検出
    （ｉｖ）放射線吸収
    のうちの少なくとも１つを実行可能である請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された方法。
  12. 前記活性層中の量子ドットの平均サイズが、前記第１の層中の量子ドットの平均サイズと異なる請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された方法。
  13. 前記活性層を前記第１の層より低い温度で成長させる請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された方法。
  14. 前記キャッピング層を前記第１の層より低い温度で成長させる請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載された方法。
  15. 前記スペーサ層上に前記活性層を成長させる前に、前記スペーサ層を焼きなましする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載された方法。
  16. 成長パラメータを変更するために、前記スペーサ層と前記活性層との間で成長を中断させる請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載された方法。
  17. 成長パラメータを変更するために、前記活性層と前記キャッピング層との間で成長を中断させる請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載された方法。
  18. 前記第１の層の前記量子ドットを前記活性層の前記量子ドットに電子結合させる請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載された方法。
  19. 前記活性層の前記量子ドットが、基底状態における光の放射、吸収または増幅のうちの少なくとも１つを実行可能である請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載された方法。
  20. 前記活性層の前記量子ドットが、励起状態における光の放射、吸収または増幅のうちの少なくとも１つを実行可能である請求項１から請求項１９までのいずれか１項に記載された方法。
  21. 請求項１から請求項２０までのいずれか１項に記載された方法に従って成長させられた活性領域を備えた光電デバイス。
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