JP2006269886A - 量子ドットの形成方法、それを用いた半導体発光素子の製造方法およびその方法により形成された半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価な基板上に作製可能であり、発光波長の長波長化が可能な半導体発光素子に用いられる量子ドットの形成方法を提供する。
【解決手段】 ＧａＡｓからなるクラッド層５に、砒素（Ａｓ）およびインジウム（Ｉｎ）を連続供給して１．９モノレイヤーのＩｎＡｓ膜６００を結晶成長させ、ＩｎＡｓ膜６００の表面にグレイン６１０を形成する（ｃ１，ｃ２）。その後、Ｉｎを間欠供給してＩｎＡｓからなる量子ドット６１１を形成する（ｃ３）。この場合、Ｉｎの供給を停止する停止時間を５〜２５秒の範囲に設定し、ＡｓおよびＩｎを供給する供給時間を１秒に設定する。
【選択図】 図７

Description

この発明は、量子ドットの形成方法、それを用いた半導体発光素子の製造方法およびその方法により形成された半導体発光素子に関するものである。

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）、および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、即ち、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されるため、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（非特許文献１）。通常、薄膜を基板上に形成する場合、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成長させようとする方法である。

Ｓ−Ｋモード成長法を利用して、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板の表面に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により砒素（Ａｓ）分子とインジウム（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。

このような方法により、ＩｎＡｓからなる量子ドットをＧａＡｓからなるキャップ層で覆った量子ドットを活性層に用いた量子ドットレーザが作製されている。そして、この量子ドットレーザは、その発振波長が１．１μｍ〜１．２μｍの範囲である。

一方、インジウムリン（ＩｎＰ）からなる基板上に、インジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）を用いて量子井戸を形成し、その形成した量子井戸を活性層とした量子井戸半導体レーザが知られている。そして、この量子井戸半導体レーザは、その発振波長が１．３μｍまたは１．５μｍである。この１．３μｍまたは１．５μｍの発振波長は、光ファイバーを用いた光通信にとって長距離通信が可能な発振波長である。
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 Volume 63）」， １９９３年１２月６日，ｐｐ．３２０３−３２０５．

しかし、従来の量子ドットレーザは、その発振波長が１．３μｍまたは１．５μｍよりも短いため、長距離な光通信に用いることが困難であるという問題がある。

また、従来の量子井戸半導体レーザは、ＩｎＰの基板上に作製されるため、デバイスの温度が上昇し易く、コストが高いという問題がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、安価な基板上に作製可能であり、発光波長の長波長化が可能な半導体発光素子に用いられる量子ドットの形成方法を提供することである。

また、この発明の別の目的は、安価な基板上に作製可能であり、発光波長の長波長化が可能な半導体発光素子の製造方法を提供することである。

更に、この発明の別の目的は、安価な基板上に作製可能であり、発光波長の長波長化が可能な半導体発光素子を提供することである。

この発明によれば、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であって、膜の膜厚が膜に歪が生じる臨界膜厚以上になるまで複数の材料を半導体の表面に連続して供給する第１のステップと、第１のステップの後、複数の材料の少なくとも１つの材料の停止時間を少なくとも１つの材料の供給時間よりも長くして少なくとも１つの材料を間欠的に供給する第２のステップとを備える量子ドットの形成方法である。

好ましくは、膜の格子定数は、半導体の格子定数よりも大きい。

好ましくは、間欠的に供給する材料は、複数の材料のうち、表面拡散距離が最も長い材料である。

好ましくは、停止時間は、供給時間の略５〜２５倍である。

好ましくは、停止時間は、供給時間の略１５倍である。

好ましくは、複数の材料は、砒素およびインジウムであり、間欠的に供給する材料は、インジウムである。

好ましくは、半導体は、ガリウムおよび砒素からなる化合物半導体である。

また、この発明によれば、半導体発光素子の製造方法は、 基板上に半導体を形成する第１のステップと、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法によって量子ドットを半導体の表面に形成する第２のステップと、量子ドットを覆うようにキャップ層を形成する第３のステップとを備える。

好ましくは、キャップ層は、インジウム、ガリウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。

好ましくは、キャップ層は、ガリウム、窒素および砒素を含む化合物半導体からなる。

好ましくは、キャップ層は、インジウム、ガリウム、窒素および砒素を含む化合物半導体からなる。

好ましくは、キャップ層は、ガリウム、アンチモン、および砒素を含む化合物半導体からなる。

更に、この発明によれば、半導体発光素子は、第１のバリア層と、第１のバリア層に接して形成された活性層と、活性層に接して形成された第２のバリア層とを備える。活性層は、第１のバリア層の表面に形成された量子ドットと、量子ドットを覆うように形成されたキャップ層とを含む。そして、量子ドットのサイズは、３０〜６５ｎｍの範囲である。

好ましくは、量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。

好ましくは、キャップ層は、インジウム、ガリウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。

好ましくは、キャップ層は、ガリウム、窒素および砒素を含む化合物半導体からなる。

好ましくは、キャップ層は、インジウム、ガリウム、窒素および砒素を含む化合物半導体からなる。

好ましくは、キャップ層は、ガリウム、アンチモン、および砒素を含む化合物半導体からなる。

この発明によれば、量子ドットを形成するとき、膜厚が膜に歪が生じる臨界膜厚以上になるまで複数の材料を成長表面に連続供給して所定の面密度の量子ドットを成長させ、その後、複数の材料の少なくとも１つの材料の供給を停止する停止時間を少なくとも１つの材料の供給時間よりも長くして結晶成長させる。そうすると、成長表面に供給された材料は、成長表面を移動して量子ドットの成長に寄与する。その結果、量子ドットのサイズが大きくなり、より長波長での発光を示すようになるとともに、発光強度が増大する。

従って、この発明によれば、ＩｎＰよりも安価であるＧａＡｓ基板上に半導体発光素子（半導体レーザを含む）を作製でき、発光波長を長波長側へシフトさせることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による半導体レーザの断面構造図である。この発明の実施の形態による半導体レーザ１０は、負極電極１と、基板２と、バッファ層３と、クラッド層４，８と、バリア層５，７と、活性層６と、コンタクト層９と、正極電極１１とを備える。

負極電極１は、基板２の一主面に形成される。バッファ層３は、負極電極１と反対側の基板２の一主面に形成される。クラッド層４は、バッファ層３上にバッファ層３に接して形成される。

バリア層５は、クラッド層４上にクラッド層４に接して形成される。活性層６は、バリア層５上にバリア層５に接して形成される。バリア層７は、活性層６上に活性層６に接して形成される。クラッド層８は、バリア層７上にバリア層７に接して形成される。コンタクト層９は、クラッド層８上にクラッド層８に接して形成される。正極電極１１は、コンタクト層９上にコンタクト層９に接して形成される。

負極電極１は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる。基板２は、シリコン（Ｓｉ）がドープされた（１００）面を有するＧａＡｓからなる。バッファ層３は、１×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＡｓからなる。クラッド層４は、１×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉがドープされたｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２〜０．９）からなる。

バリア層５，７の各々は、ノンドープのＧａＡｓからなる。クラッド層８は、５×１０^１７ｃｍ^−３のベリリウム（Ｂｅ）がドープされたｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２〜０．９）からなる。コンタクト層９は、２×１０^１９ｃｍ^−３よりも多くのＢｅがドープされたｐ型ＧａＡｓからなる。正極電極１１は、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕからなる。

バッファ層３の膜厚は、３００ｎｍであり、クラッド層４の膜厚は、１５００ｎｍであり、バリア層５，７の各々の膜厚は、８０ｎｍであり、クラッド層８の膜厚は、１５００ｎｍであり、コンタクト層９の膜厚は、２００ｎｍである。

負極電極１の膜厚は、全体で０．６μｍである。そして、負極電極１を構成するＡｕＧｅの膜厚は、０．１５μｍであり、Ｎｉの膜厚は、０．０５μｍであり、Ａｕの膜厚は、０．４μｍである。正極電極１１の膜厚は、全体で０．３２μｍである。そして、正極電極１１を構成するＡｕの膜厚は、０．０１μｍであり、Ｚｎの膜厚は、０．０１μｍであり、Ａｕの膜厚は０．３μｍである。

図２は、図１に示す活性層６の拡大断面図である。活性層６は、６個の量子ドット層６１と、５個の間隙層６２とからなる。そして、６個の量子ドット層６１および５個の間隙層６２は、交互に積層される。

６個の量子ドット層６１の各々は、量子ドット６１１と、キャップ層６１２とからなる。キャップ層６１２は、量子ドット６１１を覆う。量子ドット６１１は、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）からなる。キャップ層６１２は、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ，ｙ＝０．０１〜０．６）からなる。

ＩｎＡｓのバンドギャップは、０．３６ｅＶであり、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓのバンドギャップは、インジウムＩｎの含有量ｙ＝０．０１〜０．６に対して１．４１３〜０．７８５６ｅＶの範囲である。また、量子ドット６１１のサイズは、３０〜６５ｎｍの範囲である。

量子ドット６１１は、ＩｎＡｓが２．４〜３．９モノレイヤー（１モノレイヤー：略０．５ｎｍ）の範囲で結晶成長されて形成される。キャップ層６１２の膜厚は、３〜１０ｎｍの範囲である。

５個の間隙層６２の各々は、ＧａＡｓからなり、１０ｎｍ〜３５ｎｍの膜厚を有する。

図３は、半導体レーザ１０のクラッド層４、バリア層５、活性層６、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布を示す図である。クラッド層４，８は、アルミニウム（Ａｌ）の含有量ｘが０．２〜０．９であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓから成るので、屈折率が最も小さい。バリア層５，７は、ＧａＡｓからなるので、クラッド層３，８よりも大きい屈折率を有する。活性層６は、ＩｎＡｓおよびＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓから成るので、最も大きい屈折率を有する。

このように、クラッド層４、バリア層５、活性層６、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布は、活性層６を中心にして対称になる。その結果、活性層６において誘導放出により発生した光は、両側に設けられたバリア層５，７およびクラッド層４，８によって光学的に閉じ込められ、レーザ発振のためのしきい値が低下する。

図４は、量子ドット層６１におけるエネルギーバンド図である。図４において、キャップ層６１２→量子ドット６１１→キャップ層６１２へ向かう方向は、図１に示す断面図において、基板２に垂直な方向ではなく、基板２の面内方向ＤＲ１である。

Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（キャップ層６１２）の伝導帯Ｅｃ１と価電子帯Ｅｖ１とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ１に相当し、ＩｎＡｓ（量子ドット６１１）の伝導帯Ｅｃ２と価電子帯Ｅｖ２とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ２に相当する。

そして、キャップ層６１２を構成するＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓは、Ｅｇ１＝１．４１３〜０．７８５６ｅＶのバンドギャップを有し、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓは、Ｅｇ２＝０．３６ｅＶのバンドギャップを有する。量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓの伝導帯Ｅｃ２は、キャップ層６１２の伝導帯Ｅｃ１よりもエネルギー的に低く、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓの価電子帯Ｅｖ２は、キャップ層６１２の価電子帯Ｅｖ１よりもエネルギー的に低い。

そうすると、キャップ層６１２（＝Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ）の伝導帯Ｅｃ１に存在する電子は、エネルギー的により安定な量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動し、キャップ層６１２（＝Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ）の価電子帯Ｅｖ１に存在する正孔は、エネルギー的により安定な量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動する。

そして、エネルギー差ΔＥｃが伝導帯側に存在し、エネルギー差ΔＥｖが価電子帯側に存在するので、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動した電子および正孔は、熱励起によって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）からキャップ層６１２（＝Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ）へ移動することができず、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）中に閉じ込められる。

その結果、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の伝導帯Ｅｃ２側には、電子のサブ準位Ｅｓｕｂ１が形成され、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の価電子帯Ｅｖ２側には、正孔のサブ準位Ｅｓｕｂ２が形成される。

サブ準位Ｅｓｕｂ１およびサブ準位Ｅｓｕｂ２は、それぞれ、次の式（１）および式（２）によって表される。

サブ準位Ｅｓｕｂ１に存在する電子は、サブ準位Ｅｓｕｂ２に存在する正孔と再結合し、サブ準位Ｅｓｕｂ１とサブ準位Ｅｓｕｂ２とのエネルギー差に相当するエネルギーｈνを有する光を発する。そして、再結合によって発生した光により誘導放射が生じ、最終的にレーザ発振に至る。

式（１）および式（２）から明らかなように、量子ドット６１１のサイズｄが大きくなれば、サブ準位Ｅｓｕｂ１，Ｅｓｕｂ２は、低くなるので、サブ準位Ｅｓｕｂ１とサブ準位Ｅｓｕｂ２とのエネルギー差が小さくなり、量子ドット６１１中で発光する光の波長λは、より長くなる。

そこで、この発明においては、量子ドット６１１のサイズを大きくすることによって、より長波長のレーザ光を発光する半導体レーザ１０を作製することにしたものである。

図５および図６は、それぞれ、図１に示す半導体レーザ１０の製造工程を示す第１および第２の工程図である。

半導体レーザ１０を構成するバッファ層３、クラッド層４，８、バリア層５，７、活性層６およびコンタクト層９は、ＭＢＥにより形成される。まず、Ｓｉがドープされた（１００）面を有するＧａＡｓからなる基板２が真空チャンバへ導入され、真空チャンバは、約１．３３×１０^−８Ｐａまで真空排気される。

そして、基板２の温度は、５４０℃〜５７０℃の範囲に設定され、１．３３×１０^−３Ｐａの圧力において、Ｇａ、ＡｓおよびＳｉが固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｓｉからそれぞれ基板２の一主面に照射され、１×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＡｓが基板２上に３００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｎ型ＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、基板２上にバッファ層３が形成される（図５の（ａ）参照）。

その後、１．３３×１０^−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＳｉが固体Ａｌ、固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｓｉからそれぞれバッファ層３の表面に照射され、１×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉがドープされたｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓがバッファ層３上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｎ型Ａｌ_ｘＧｓ_１−ｘＡｓの成長速度は、８４７ｎｍ／ｈｒである。

ｎ型Ａｌ_ｘＧｓ_１−ｘＡｓがバッファ層３上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長されると、ＡｌおよびＳｉの照射がシャッタにより停止され、１．３３×１０^−３Ｐａの圧力において、ノンドープのＧａＡｓが８０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ノンドープのＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。

これにより、クラッド層４およびバリア層５がバッファ層３上に順次堆積される（図５の（ｂ）参照）。

その後、後に詳述する方法によって、活性層６がバリア層５上に形成される（図５の（ｃ）参照）。

そして、活性層６が形成されると、１．３３×１０^−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓが固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ活性層６の表面に照射され、ノンドープのＧａＡｓが活性層６上に８０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ノンドープのＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、バリア層７が活性層６上に形成される。

その後、１．３３×１０^−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅが固体Ａｌ、固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体ベリリウム（Ｂｅ）からそれぞれバリア層７の表面に照射され、５×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅがドープされたｐ型Ａｌ_ｘＧｓ_１−ｘＡｓがバリア層７上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。これにより、クラッド層８がバリア層７上に形成される。この場合、ｐ型Ａｌ_ｘＧｓ_１−ｘＡｓの成長速度は、８４７ｎｍ／ｈｒである。

引続いて、１．３３×１０^−３Ｐａの圧力において、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅが固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｂｅからそれぞれクラッド層８の表面に照射され、２×１０^１９ｃｍ^−３よりも多いＢｅがドープされたｐ型ＧａＡｓがクラッド層８上に２００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｐ型ＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、コンタクト層９がクラッド層８上に形成される。

その後、基板２の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなる負極電極１が形成され、コンタクト層９の上にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕよりなる正極電極１１が形成される。

これによって、半導体レーザ１０が完成する（図６の（ｄ）参照）。

図７は、図５の（ｃ）に示す工程において行なわれる活性層６の形成過程を示す工程図である。また、図８は、ＡｓおよびＩｎを供給するタイミングチャートである。

図５の（ｂ）に示す工程によってバリア層５が形成されると、基板２の温度が５２０℃まで降温される。そして、６．６５×１０^−４Ｐａの圧力において、ＡｓおよびＩｎがそれぞれ固体Ａｓおよび固体Ｉｎから連続的にバリア層５の表面に照射され、ＩｎＡｓ膜６００が１．７モノレイヤーまで堆積される（図７の（ｃ１）参照）。

この１．７モノレイヤーは、ＩｎＡｓが下地であるバリア層５のＧａＡｓの格子定数（０．５６ｎｍ）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次元的に成長する臨界膜厚（Ｔｃ）である。

そして、ＩｎＡｓが１．７モノレイヤーまで結晶成長すると、ＩｎＡｓ膜６００の全面に歪が生じるよりも、グレインを局所的に発生させる方が結晶学的に安定化する。従って、６．６５×１０^−４Ｐａの圧力において、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するまで、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に連続的に照射される。

そうすると、グレイン６１０がＩｎＡｓ膜６００の表面に形成される（図７の（ｃ２）参照）。

その後、固体Ｉｎに取付けられたシャッタを開閉して、ＩｎＡｓ換算で２．４モノレイヤー〜３．９モノレイヤーになるまでＩｎのバリア層５の表面への供給／停止を繰返す。

そうすると、固体Ｉｎに取付けられたシャッタが開いているとき、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に供給されるため、ＩｎＡｓ膜６００の表面に発生したグレイン６１０が成長し、固体Ｉｎに取付けられたシャッタが閉じているとき、Ａｓのみがバリア層５の表面に供給されるので、グレイン６１０は成長しない。

この場合、Ｉｎのバリア層５の表面への供給を停止する停止時間をＩｎをバリア層５の表面に供給する供給時間よりも長くする。その結果、バリア層５の表面に照射されたＩｎがグレイン６１０に到達する確率が高くなり、グレイン６１０は、大きく成長する。そして、最終的に、量子ドット６１１がバリア層５上に形成される（図７の（ｃ３）参照）。

このように、量子ドット６１１は、ＡｓおよびＩｎの連続供給と、Ｉｎの間欠供給とにより形成される。

即ち、ＡｓおよびＩｎは、図８に示すタイミングチャートに従ってバリア層５の表面に供給される。図８の（ａ）は、固体Ｉｎに取付けられたシャッタを開閉するタイミングを示し、図８の（ｂ）は、固体Ａｓに取付けられたシャッタを開閉するタイミングを示す。なお、図８は、ＩｎＡｓ換算で２．４モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長されるときのタイミングチャートを示す。

Ｉｎは、タイミングｔ０〜ｔ１，ｔ２〜ｔ３，ｔ４〜ｔ５，ｔ６〜ｔ７，ｔ８〜ｔ９の間、バリア層５の表面に供給され、タイミングｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４，ｔ５〜ｔ６，ｔ７〜ｔ８の間、バリア層５の表面への供給が停止される。そして、タイミングｔ０〜ｔ１間の時間は、１７．３秒であり、タイミングｔ２〜ｔ３間、タイミングｔ４〜ｔ５間、タイミングｔ６〜ｔ７間およびタイミングｔ８〜ｔ９間の各々の時間は、１秒である。また、タイミングｔ１〜ｔ２間、タイミングｔ３〜ｔ４間、タイミングｔ５〜ｔ６間、およびｔ７〜ｔ８間の各々の時間は、１５秒である。

一方、Ａｓは、タイミングｔ０〜タイミングｔ９の間、連続してバリア層５の表面に供給される。

固体Ｉｎに取り付けられたシャッタが開の場合には、、ＩｎＡｓは、０．１１モノレイヤー／秒の成長速度で結晶成長するので、タイミングｔ０〜タイミングｔ１までの間において、ＡｓおよびＩｎが連続してバリア層５の表面に供給され、ＩｎＡｓ換算で１．９モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。

その後、タイミングｔ１〜ｔ２の間、結晶成長が停止され、タイミングｔ２〜ｔ３の間、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に供給され、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。以後、これを繰返し、タイミングｔ９までの間に２．４モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。

そして、タイミングｔ１〜ｔ９までの間のＩｎの間欠供給により、タイミングｔ１までに発生したグレイン６１０が大きく成長し、タイミングｔ９までの間において量子ドット６１１が形成される。

このように、量子ドット６１１は、ＡｓおよびＩｎの連続供給と、Ｉｎの間欠供給とにより形成される。そして、Ｉｎの間欠供給においては、Ｉｎの停止時間（１５秒）は、Ｉｎの供給時間（１秒）よりも長く設定される。これにより、Ｉｎがグレイン６１０に到達する確率が高くなり、量子ドット６１１のサイズを大きくできる。

また、ＩｎＡｓの格子定数は、０．６ｎｍであり、バリア層５であるＧａＡｓの格子定数は、０．５６ｎｍであるので、この発明においては、下地である半導体（ＧａＡｓ）の格子定数よりも大きい格子定数を有するＩｎＡｓ膜６００を結晶成長させることにより量子ドット６１１を形成することを特徴とする。この特徴により、ＩｎＡｓが臨界膜厚（Ｔｃ）以上に結晶成長すると、グレイン６１０が発生し易くなり、量子ドット６１１の面密度を高くできる。

更に、Ｉｎを間欠供給することにしたのは、ＩｎＡｓ膜６００を構成するＡｓおよびＩｎのうち、Ｉｎの方がＡｓよりも表面拡散距離が長いからである。従って、この発明においては、ＩｎＡｓ膜６００を構成する複数の材料（ＡｓおよびＩｎ）のうち、表面拡散距離が最も長い材料（Ｉｎ）を間欠供給することを特徴とする。この特徴により、Ｉｎがグレイン６１０に到達する確率が高くなり、大きなサイズの量子ドット６１１を形成できる。

量子ドット６１１がバリア層５上に形成されると、基板２の温度は、５４０℃〜５７０℃の範囲に昇温される。そして、１．３３×１０^−３Ｐａの圧力において、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｉｎ、固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ量子ドット６１１の表面に供給され、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓが３〜１０ｎｍの膜厚に結晶成長される。これによって、キャップ層６１２が量子ドット６１１を覆うように形成される（図７の（ｃ４）参照）。

その後、１．３３×１０^−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれキャップ層６１２の表面に供給され、ＧａＡｓが１０ｎｍ〜３５ｎｍの膜厚に結晶成長される。これによって、間隙層６２が形成される（図７の（ｃ５）参照）。

以後、図５に示す工程ｃ１〜ｃ５を５回繰返して活性層６が形成される。

上述したように、量子ドット６１１は、ＩｎＡｓ膜の連続成長と間欠成長とにより作成される。量子ドット６１１をＩｎＡｓ膜の連続成長と間欠成長とにより作成する理由について説明する。

図９は、ＩｎＡｓのＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。図９の（ａ）は、ＡｓおよびＩｎを連続供給して１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＡＦＭ像であり、図９の（ｂ）は、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＡＦＭ像である。

また、図９の（ｃ）は、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＡＦＭ像であり、図９の（ｄ）は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＡＦＭ像である。

量子ドットの面密度は、図９の（ａ）に示す場合、３．２×１０^１０ｃｍ^−２であり、図９の（ｂ）に示す場合、１．１×１０^１０ｃｍ^−２であり、図９の（ｃ）に示す場合、１．１８×１０^１０ｃｍ^−２であり、図９の（ｄ）に示す場合、２．４２×１０^１０ｃｍ^−２である。

そうすると、図９の（ａ）および（ｂ）の結果から、ＩｎＡｓを１．９モノレイヤーまで結晶成長させる場合、ＩｎＡｓを間欠成長させると、量子ドットの面密度は、３．２×１０^１０ｃｍ^−２から１．１×１０^１０ｃｍ^−２まで低下することが解る。また、図９の（ｃ）および（ｄ）の結果から、ＩｎＡｓを３．０モノレイヤーまで結晶成長させる場合、ＩｎＡｓを間欠成長させると、量子ドットの面密度は、１．１８×１０^１０ｃｍ^−２から２．４２×１０^１０ｃｍ^−２まで増加することが解る。更に、図９の（ａ）〜（ｄ）の結果から、量子ドットの面密度は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた場合（図９の（ａ）の場合）、最も高くなる。

量子ドットの面密度が高くなると、半導体レーザ１０のゲインが飽和するという問題を低減でき、半導体レーザ１０の内部ロスを低減できる。

従って、量子ドットを用いた半導体レーザの性能を向上させるためには、量子ドットの面密度を最も高くし、かつ、量子ドットのサイズを大きくすることが必要である。

そこで、この発明においては、１．９モノレイヤーまではＩｎＡｓを連続して結晶成長させ、その後、ＩｎＡｓを間欠成長させることにしたものである。

Ｉｎを間欠供給してＩｎＡｓからなる量子ドット６１１を結晶成長させる場合、Ｉｎの供給を停止する停止時間は、Ｉｎが成長表面を移動し、グレイン６１０に到達する時間であるので、この停止時間を最適化することは、量子ドット６１１のサイズを大きくするために重要である。

そこで、Ｉｎを成長表面へ供給するのを停止する停止時間（図８におけるｔ１〜ｔ２間の時間、ｔ３〜ｔ４間の時間、ｔ５〜ｔ６間の時間およびｔ７〜ｔ８間の時間）を変化させて試料を作成し、フォトルミネッセンス（ＰＬ：Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を測定した。

図１０は、ＰＬの測定に用いたサンプルの断面構造図である。サンプル１０Ａは、図１に示す半導体レーザ１０のクラッド層４、活性層６、クラッド層８およびコンタクト層９をそれぞれクラッド層４Ａ、活性層６Ａ、クラッド層８Ａおよびコンタクト層９Ａに代えたものであり、その他は、半導体レーザ１０と同じである。

クラッド層４Ａは、クラッド層４の膜厚を１５００ｎｍから５００ｎｍに変えたものであり、その他は、クラッド層４と同じである。また、活性層６Ａは、１つの量子ドット層６１Ａからなる。そして、量子ドット層６１Ａは、量子ドット６１１と、キャップ層６１２Ａとからなる。キャップ層６１２Ａは、ＧａＡｓ（キャップ層６１２（＝Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ）において、ｙ＝０に相当）からなる。クラッド層８Ａは、クラッド層８の膜厚を５００ｎｍから２５０ｎｍに変えたものであり、その他は、クラッド層８と同じである。コンタクト層９Ａは、コンタクト層９の膜厚を２００ｎｍから２０ｎｍに変えたものであり、その他は、コンタクト層９と同じである。

サンプル１０Ａの作製においては、量子ドット６１１を結晶成長させるとき、全体で３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させた。また、Ｉｎの供給を停止する停止時間を５秒、１５秒および２５秒と変化させた。

図１１は、室温におけるＰＬ強度を示す図である。図１１において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。曲線ｋ１は、ＡｓおよびＩｎを連続供給して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させた場合のＰＬ強度を示す。また、曲線ｋ２は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＰＬ強度を示す。

更に、曲線ｋ３は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＰＬ強度を示す。

更に、曲線ｋ４は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を２５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＰＬ強度を示す。

図１１に示す結果から、ＡｓおよびＩｎを連続して供給した場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２００ｎｍであり（曲線ｋ１参照）、Ｉｎの供給を停止する停止時間が５秒である場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２３１ｎｍであり（曲線ｋ２参照）、Ｉｎの供給を停止する停止時間が１５秒である場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２４２ｎｍであり（曲線ｋ３参照）、Ｉｎの供給を停止する停止時間が２５秒である場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２１３ｎｍである（曲線ｋ４参照）。

従って、Ｉｎの供給を連続供給から間欠供給にすることにより、ＰＬ強度のピーク波長は、１２００ｎｍから１２１３ｎｍ，１２３１ｎｍ，１２４２ｎｍへと長くなる。そして、Ｉｎの停止時間が１５秒である場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２４２ｎｍであり、ＰＬ強度も最も強い。

このように、Ｉｎの停止時間を１５秒に設定することによりＰＬ強度のピーク波長は、１２００ｎｍから１２４２ｎｍまで長波長側へシフトする。

Ｉｎの停止時間を２５秒に設定すると、ＰＬ強度のピーク波長は、１２１３ｎｍとなり、Ｉｎの停止時間が１５秒である場合に比べ、短波長側に現れる。これは、量子ドット６１１の内部に欠陥が生じ、電子が欠陥を介して正孔と再結合したためと考えられる。

図１２は、ＰＬの半値幅およびＰＬ強度とＩｎの停止時間との関係を示す図である。図１２において、縦軸は、ＰＬの半値幅およびＰＬ強度を表し、横軸は、Ｉｎの停止時間を表す。また、曲線ｋ５は、ＰＬ強度とＩｎの停止時間との関係を示し、曲線ｋ６は、ＰＬ強度の半値幅とＩｎの停止時間との関係を示す。

ＰＬ強度は、Ｉｎの停止時間が５秒および１５秒へと長くなるに伴って、大きくなり、Ｉｎの停止時間が更に２５秒へ長くなると、低下する。しかし、Ｉｎの停止時間が５秒および２５秒である場合においても、ＰＬ強度は、ＡｓおよびＩｎを連続供給した場合（停止時間＝０である場合）よりも大きい（曲線５参照）。

また、ＰＬの半値幅は、Ｉｎの停止時間が５秒および１５秒へと長くなるに伴って小さくなり、Ｉｎの停止時間が更に２５秒へ長くなると、大きくなる。しかし、Ｉｎの停止時間が５秒および２５秒である場合においても、ＰＬの半値幅は、ＡｓおよびＩｎを連続供給した場合（停止時間＝０である場合）よりも狭い（曲線ｋ６参照）。

上述したように、Ｉｎを間欠供給することにより、ＰＬ強度は、大きくなり、ＰＬの半値幅は、狭くなり、ＰＬ強度のピーク波長は、長波長側へシフトするので、この発明においては、Ｉｎの停止時間を５〜２５秒の範囲に設定して量子ドット６１１を結晶成長させる。また、好ましくは、Ｉｎの停止時間を１５秒に設定して量子ドット６１１を結晶成長させる。

即ち、この発明においては、Ｉｎの停止時間をＩｎの供給時間の略５倍〜２５倍の範囲に設定して量子ドット６１１を結晶成長させる。また、好ましくは、Ｉｎの停止時間をＩｎの供給時間の略１５倍に設定して量子ドット６１１を結晶成長させる。

図１３は、室温におけるＰＬ強度を示す他の図である。図１３において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ７は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して３．３モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＰＬ強度を示す。更に、曲線ｋ８は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＰＬ強度を示す。つまり、曲線ｋ８は、図１１に示す曲線ｋ３と同じである。

このように、ＩｎＡｓ換算で３．３モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させると、ＰＬ強度は、更に強くなり、ＰＬ強度のピーク波長は、１２４２ｎｍから１２７２ｎｍまで長波長側へシフトする（曲線ｋ７，ｋ８参照）。そして、ＰＬの半値幅は、３９．５ｍｅＶから２７．１ｍｅＶまで狭くなる。

これは、結晶成長させるＩｎＡｓの膜厚を３．０モノレイヤーから３．３モノレイヤーまで厚くすることにより、量子ドット６１１のサイズが更に大きくなったためと考えられる。

このように、結晶成長させるＩｎＡｓの全体の膜厚を厚くすることにより、量子ドット６１１のサイズが更に大きくなり、ＰＬ強度のピーク波長が更に長波長側へシフトする。

図１４は、室温におけるＰＬ強度を示す更に他の図である。図１４において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。

曲線ｋ９は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して２．４モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させ、キャップ層６１２として６ｎｍのＩｎＧａＡｓを用いた場合のＰＬ強度を示す。また、曲線ｋ１０は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して２．４モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させ、キャップ層６１２としてＧａＡｓを用いた場合のＰＬ強度を示す。

図１４に示す結果から、キャップ層６１２としてＧａＡｓよりもバンドギャップが小さいＩｎＧａＡｓを用いることにより、ＰＬ強度のピーク波長が１１５５．４ｎｍから１２９５．４ｎｍまで長波長側へシフトし、ＰＬの半値幅が５２．６ｍｅＶから２６．５ｍｅＶまで狭くなる。

このように、キャップ層６１２としてＩｎＧａＡｓを用いることにより、ＰＬ強度のピーク波長が、約１４０ｎｍ、長波長側へシフトするのは、次の２つの理由によると考えられる。

１つ目の理由は、ＧａＡｓよりもバンドギャップが狭いＩｎＧａＡｓをキャップ層６１２に用いることにより、量子ドット６１１中に存在する電子および正孔に対する障壁の高さが相対的に低くなり、量子ドット６１１へ閉じ込められる電子および正孔の量が相対的に減少する結果、式（１）および（２）によってそれぞれ表されるサブ準位Ｅｓｕｂ１，Ｅｓｕｂ２が相対的に低くなり、サブ準位Ｅｓｕｂ１，Ｅｓｕｂ２間のエネルギー差が相対的に小さくなるからである。

また、２つ目の理由は、キャップ層６１２をＧａＡｓからＩｎＧａＡｓに代えることによって、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓとキャップ層６１２を構成するＩｎＧａＡｓとの間の歪がなくなるからである。

このように、キャップ層６１２をＧａＡｓからＩｎＧａＡｓに代えることによって、ＰＬ強度のピーク波長が大幅に長波長側へシフトし、ＰＬの半値幅が大幅に狭くなる。

従って、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を５秒、１５秒および２５秒のいずれかの時間、停止することを繰返して３．０モノレイヤーまたは３．３モノレイヤーまでＩｎＡｓを結晶成長させ、キャップ層６１２として６ｎｍのＩｎＧａＡｓを用いることにより、図１１の曲線ｋ２〜ｋ４および図１２の曲線ｋ７，ｋ８によって示されるＰＬ強度のピーク波長は、更に、長波長側へシフトし、ＰＬの半値幅も大幅に狭くなる。特に、図１３の曲線ｋ７によって示されるＰＬ強度のピーク波長は、１３００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲へシフト可能である。

図１５は、量子ドットの直径とＩｎＡｓのモノレイヤー数との関係を示す図である。図１５において、縦軸は、量子ドットの直径を表し、横軸は、ＩｎＡｓのモノレイヤー数を表す。

量子ドットの直径は、ＩｎＡｓのモノレイヤー数が増えるに伴って大きくなり、ＩｎＡｓのモノレイヤー数が３．９モノレイヤーであるとき約６２ｎｍである。

従って、この発明においては、量子ドット６１１のサイズは、３０〜６５ｎｍの範囲であることを特徴とする。この特徴により、半導体レーザ１０において、その発光波長は、１２００ｎｍから１２７２ｎｍまで長波長側へシフトし、キャップ層６１２にＩｎＧａＡｓを用いることにより発振波長は、１２９５ｎｍまで長波長側へシフトする。

図１６は、室温におけるＰＬ強度を示す更に他の図である。図１６において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ１１は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続成長し、その後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長されるごとに、Ｉｎを１５秒間停止することを繰り返して全体で３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させた場合のＰＬ強度を示す。更に、曲線ｋ１２は、２．４モノレイヤーのＩｎＡｓを連続成長させた場合のＰＬ強度を示す。

そして、ＰＬ強度を測定するときのサンプルは、図１０に示すサンプル１０Ａと同じ構造を有する。

図１６に示す結果から、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓを間欠成長させ、全体の膜厚を３．０モノレイヤーに増加することにより、ＰＬ強度のピーク波長は、１１６６．２ｎｍから１２２４．３ｎｍまで長波長側へシフトし、ＰＬの半値幅は、５３．７ｍｅＶから４３．２ｍｅＶまで狭くなり、ＰＬ強度は、７．５倍になった。

このように、ＩｎＡｓを間欠成長して量子ドット６１１を形成することによって、ＰＬ強度が７．５倍になる。これは、間欠成長することにより量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓに発生する歪が減少するためである。

曲線ｋ１１，ｋ１２は、１層の量子ドット６１１と１層のキャップ層６１２Ａとからなる活性層６Ａを用いた場合のＰＬ強度を示すものである。そこで、６個の量子ドット層６１と、５個の間隙層６２とからなる活性層６を用いた場合のＰＬ強度をサンプルＡ，Ｂの各々について測定した。

ここで、サンプルＡは、間欠成長されたＩｎＡｓからなる量子ドット６１１と、キャップ層６１２とからなる量子ドット層６１を６層積層したサンプルであり、サンプルＢは、連続成長されたＩｎＡｓからなる量子ドットを含む量子ドット層を６層積層したサンプルである。そして、サンプルＡ，Ｂの両方において、間隙層６２の膜厚は、２２ｎｍに設定された。

図１６の曲線ｋ１１によって示されるＰＬ強度のピーク値をＰ１とし、サンプルＡのＰＬ強度のピーク値をＰ２とし、図１６の曲線ｋ１２によって示されるＰＬ強度のピーク値をＰ３とし、サンプルＢのＰＬ強度のピーク値をＰ４とすると、Ｐ１／Ｐ２＝２．８であり、Ｐ３／Ｐ４＝３９であった。

従って、連続成長させたＩｎＡｓからなる量子ドットを６層積層することによって、各層の量子ドットを形成する際に量子ドット中に発生する歪が上層へ伝達されるため、Ｐ３／Ｐ４＝３９となる。即ち、連続成長させたＩｎＡｓからなる量子ドットは、歪が大きいため、この量子ドットを６層積層すると、歪が更に大きくなり、ＰＬ強度は、単層に対して３９分の１に低下する。

しかし、間欠成長させたＩｎＡｓは、上述したように発生する歪が小さいので、間欠成長させたＩｎＡｓからなる量子ドット１１を６層積層しても、全体の歪は小さい。その結果、Ｐ１／Ｐ２＝２．８となる。

このように、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓを間欠成長させることにより、量子ドット層６１を６層積層した場合の歪は、連続成長させたＩｎＡｓからなる量子ドットを６層積層した場合の歪よりも減少する。そして、この歪の減少は、間隙層６２の膜厚が２２ｎｍである場合に観測された。

従来、間隙層の膜厚は、通常、４０〜５０ｎｍの範囲に設定されるが、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓを間欠成長させることにより、間隙層６２の膜厚が２２ｎｍであっても、複数の量子ドット層６１を積層させたときの歪を減少させることができる。

半導体レーザ１０においては、図２に示すように量子ドット層６１を６層積層して活性層６が作製されるので、隣接する量子ドット層６１，６１間の間隔を規定する間隙層６２の膜厚を従来の４０〜５０ｎｍから２２ｎｍまで薄くできることは、より多くの量子ドット層６１を形成することができ、半導体レーザ１０の発光強度を強くできる。

そして、ＩｎＡｓを間欠成長させた場合、間隙層６２の膜厚は、１０〜３５ｎｍの範囲に設定可能であることが解った。従って、この発明においては、間隙層６２の膜厚は、１０〜３５ｎｍの範囲に設定される。

半導体レーザ１０においては、負極電極１と正極電極１１との間に電圧が印加され、電流が活性層６に注入されると、量子ドット層６１において、電子および正孔は、量子ドット６１１中に閉じ込められ、サブ準位Ｅｓｕｂ１とサブ準位Ｅｓｕｂ２との間で再結合し、発光する。そして、その後、誘導放射が起こり、最終的に、半導体レーザ１０は、レーザ発振する。

活性層６で発光した光は、クラッド５，７およびクラッド層４，８によって光学的に閉じ込められ、これにより、発光強度が更に強くなる。

そして、半導体レーザ１０は、活性層６に量子ドット６１１を含むので、（ｉ）温度が変化しても発振波長が変化しない、（ｉｉ）駆動電流が量子井戸レーザに比べて５〜１０分の１に減少できる、（ｉｉｉ）発振するレーザ光のパワーを強くできる、という量子ドットを用いた半導体レーザに特有の効果も併せて有する。

なお、上記においては、キャップ層６１２は、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、キャップ層６１２は、ガリウムナイトライド砒素（ＧａＮ_ｙＡｓ_１−ｙ，ｙ＝０．００１〜０．０９）、インジウムガリウムナイトライド砒素（Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ，ｘ＝０．０１〜０．６，ｙ＝０．００１〜０．０９）およびガリウムアンチモン砒素（ＧａＳｂ_ｙＡｓ_１−ｙ，ｙ＝０．０１〜０．７）のいずれかからなっていてもよい。

また、上記においては、量子ドットを半導体レーザに用いた例について説明したが、この発明は、これに限らず、量子ドットをＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子に用いてもよい。

更に、上記においては、ＩｎＡｓの連続成長と間欠成長とにより量子ドット６１１を形成するとき、Ｉｎの供給時間を“１秒”に設定し、Ｉｎの停止時間を“５〜２５秒”の範囲に設定すると説明したが、この発明においては、これに限らず、Ｉｎの供給時間を１秒〜１０秒の範囲に設定し、Ｉｎの停止時間を１秒〜１２０秒の範囲に設定してもよい。

更に、上記においては、ＩｎＡｓの連続成長と間欠成長とにより量子ドット６１１を形成するとき、ＩｎＡｓを連続成長させるモノレイヤー数は、１．７モノレイヤーであると説明したが、この発明においては、これに限らず、ＩｎＡｓを連続成長させるモノレイヤー数は、０．５〜２．５モノレイヤーの範囲であればよい。

更に、上記においては、ＩｎＡｓの成長速度は、０．１１モノレイヤー／ｓであると説明したが、この発明においては、これに限らず、ＩｎＡｓの成長速度は、０．０００１〜０．４モノレイヤー／ｓの範囲であればよい。

更に、上記においては、Ｉｎを間欠供給すると説明したが、この発明においては、これに限らず、ＡｓおよびＩｎの両方を間欠供給してもよい。この場合、Ａｓは、図８の（ａ）に示すタイミングチャートに従って間欠供給される。そして、一般的には、ＡｓおよびＩｎの少なくとも１つの材料が間欠供給されればよい。

上述したように、この発明は、間欠成膜によりＩｎＡｓを結晶成長させて３０〜６５ｎｍのサイズを有する量子ドット６１１を作成することを特徴とする。

そして、好ましくは、量子ドット６１１を覆うキャップ層６１２は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．０１〜０．６）、ＧａＮ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｙ＝０．００１〜０．０９）、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．０１〜０．６，ｙ＝０．００１〜０．０９）およびＧａＳｂ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｙ＝０．０１〜０．７）のいずれかから構成することを特徴とする。

この特徴により、量子ドット６１１を用いた半導体発光素子の発光波長を１２００ｎｍよりも長波長側へ大幅にシフトできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、安価な基板上に作製可能であり、発光波長の長波長化が可能な半導体発光素子に用いられる量子ドットの形成方法に適用される。また、この発明は、安価な基板上に作製可能であり、発光波長の長波長化が可能な半導体発光素子の製造方法に適用される。更に、この発明は、安価な基板上に作製可能であり、発光波長の長波長化が可能な半導体発光素子に適用される。

この発明の実施の形態による半導体レーザの断面構造図である。 図１に示す活性層の拡大断面図である。 半導体レーザのクラッド層、バリア層、活性層、バリア層およびクラッド層における屈折率の分布を示す図である。 量子ドット層におけるエネルギーバンド図である。 図１に示す半導体レーザの製造工程を示す第１の工程図である。 図１に示す半導体レーザの製造工程を示す第２の工程図である。 図５の（ｃ）において行なわれる活性層の形成過程を示す工程図である。 ＡｓおよびＩｎを供給するタイミングチャートである。 ＩｎＡｓのＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。 ＰＬの測定に用いたサンプルの断面構造図である。 室温におけるＰＬ強度を示す図である。 ＰＬの半値幅およびＰＬ強度とＩｎの停止時間との関係を示す図である。 室温におけるＰＬ強度を示す他の図である。 室温におけるＰＬ強度を示す更に他の図である。 量子ドットの直径とＩｎＡｓのモノレイヤー数との関係を示す図である。 室温におけるＰＬ強度を示す更に他の図である。

符号の説明

１ 負極電極、２ 基板、３ バッファ層、４，４Ａ，８，８Ａ クラッド層、５，７ バリア層、６，６Ａ 活性層、９，９Ａ コンタクト層、１０ 半導体レーザ、１０Ａ サンプル、１１ 正極電極、６１，６１Ａ 量子ドット層、６２ 間欠層、６００ ＩｎＡｓ膜、６１０ グレイン、６１１ 量子ドット、６１２，６１２Ａ キャップ層。

Claims (6)

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であって、
   前記膜の膜厚が前記膜に歪が生じる臨界膜厚以上になるまで前記複数の材料を前記半導体の表面に連続して供給する第１のステップと、
   前記第１のステップの後、前記複数の材料の少なくとも１つの材料の停止時間を前記少なくとも１つの材料の供給時間よりも長くして前記少なくとも１つの材料を間欠的に供給する第２のステップとを備える量子ドットの形成方法。
2. 前記間欠的に供給する材料は、前記複数の材料のうち、表面拡散距離が最も長い材料である、請求項１に記載の量子ドットの形成方法。
3. 前記停止時間は、前記供給時間の略５〜２５倍である、請求項１または請求項２に記載の量子ドットの形成方法。
4. 前記複数の材料は、砒素およびインジウムであり、
   前記間欠的に供給する材料は、前記インジウムである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法。
5. 第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層に接して形成された活性層と、
   前記活性層に接して形成された第２のクラッド層とを備え、
   前記活性層は、
   前記第１のクラッド層の表面に形成された量子ドットと、
   前記量子ドットを覆うように形成されたキャップ層とを含み、
   前記量子ドットのサイズは、３０〜６５ｎｍの範囲である、半導体発光素子。
6. 前記量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる、請求項５に記載の半導体発光素子。