JP2008091420A - 量子ドット光半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子ドット光半導体素子の製造方法において、プロセスが簡便で、かつ、結晶品質が低下しないようにする。
【解決手段】量子ドット光半導体素子の製造方法を、Ｖ族元素を含む量子ドット３を自己形成する第１の工程と、量子ドット３の組成とは異なり、かつ、Ｖ族元素を含むバリア層４で量子ドット３を埋め込む第２の工程と、少なくとも気相エッチング終了時に量子ドット３を構成するＶ族元素を含む雰囲気になるようにして、バリア層４の一部及び量子ドット３の一部を気相エッチングする第３の工程とを含むものとし、第１の工程から第３の工程までを複数回繰り返して、複数の量子ドットを積層させてなる複合量子ドット５を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自己形成量子ドットを積層して形成されるコラムナ型量子ドットを備える量子ドット光半導体素子の製造方法に関する。

近年、光ファイバ通信の高速化・大容量化に伴い、光信号を電気信号に変換せずに光信号のまま処理する全光信号処理技術が望まれている。
半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）は、小型で高速応答が可能である等の特長を有するため、全光信号処理を実現するための重要なデバイスとして期待されている。

特に、自己形成量子ドットを利得媒質に用いたＳＯＡは、利得帯域が広い（広帯域増幅）、光出力が高い（高い飽和光出力）などの優れたデバイス特性を有することが実証されており（非特許文献１）、量子ドットＳＯＡの開発が盛んになりつつある。
一般に、光ファイバ通信では、光ファイバから出力される光信号がランダムな偏光状態を持つため、使用される光素子の動作特性は光の偏光状態に依存しないことが要求される。

しかしながら、大きな格子不整合系へテロエピタキシャル成長の初期において、いわゆるStranski-Krastanov（Ｓ−Ｋ）成長モードで形成される自己形成量子ドットは、形状が扁平で、２軸性応力による非等方的な歪みをもっている。
このような自己形成量子ドットを活性層に用いた量子ドットＳＯＡは、結晶成長面内に偏向したＴＥ偏光に対しては利得を有するが、結晶成長方向に偏向したＴＭ偏光に対しては利得を有しない、いわゆる偏波依存性の問題がある。

このような量子ドットＳＯＡの偏波無依存化を実現するためには、量子ドットの形状を扁平な形状から等方的な形状に変えることが有効であると考えられている。
その１つの方法として、複数の量子ドットを結晶成長方向に接合したコラムナ型量子ドットを形成することが提案されている（非特許文献２）。
なお、先行技術調査を行なった結果、以下の特許文献１が得られた。
特開平９−２９８２９０号公報 T. Akiyama et al. "An Ultrawide-Band Semiconductor Optical Amplifier Having an Extremely High Penalty-Free Output Power of 23 dBm Achieved With Quantum Dots",IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.17, NO.8, AUGUST 2005, pp.1614-1616 植竹理人等「ＭＯＶＰＥ法による偏波無依存コラムナ型ＩｎＡｓ量子ドットの実現」第６６回応用物理学会学術講演会，講演予稿集Ｎｏ．１，(２００５秋 徳島大学)，２２８頁，９ａ−ＺＡ−８

ところで、上記非特許文献２に記載されているようなコラムナ型量子ドットは、以下のようにして形成される。
つまり、まず、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって、基板（図示せず）上に成長させたＩｎＧａＡｓＰ下地層（バッファ層）１００上に、例えば基板温度４６０℃でＩｎＡｓ量子ドット１０１を形成する［図６（ａ）参照］。ここで、ＩｎＡｓ量子ドット１０１はいわゆるＳ−Ｋモードで形成され、その形状は扁平でサイズがばらついている。

次に、量子ドット１０１の高さよりも薄い膜厚のＩｎＧａＡｓＰバリア層１０２で量子ドット１０１を埋め込む［図６（ａ）参照］。ここで、量子ドット１０１の高さよりもバリア層１０２の膜厚が薄いため、量子ドット１０１の頂部がバリア層１０２の表面から突出した凸形状になる。
次に、例えば水素雰囲気中で基板温度を５００℃に上昇させ、ＩｎＡｓを蒸発又は熱拡散させることによって量子ドット１０１の頂部を平坦化する［図６（ｂ）参照］。この平坦化工程によって、サイズのばらつきのある量子ドット１０１の高さが均一化される。

次いで、例えば基板温度を４６０℃に下げ、２層目のＩｎＡｓ量子ドット１０１を形成する［図６（ｃ）参照］。ここで、１層目の量子ドット１０１の歪場の影響によって、２層目の量子ドット１０１は１層目の量子ドット１０１の直上に形成されることになる。
その後、これらの工程を複数回繰り返すことによってＩｎＡｓ量子ドット１０１が結晶成長方向に接合したコラムナ型ＩｎＡｓ量子ドット（コラムナドット）１０３を形成する［図６（ｄ）参照］。

このようにして形成されるコラムナ型量子ドット１０３の高さは積層数により制御される。積層数を増加させるとコラムナドット１０３の高さが増大し、これに伴ってフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長（発光波長）の長波長化、ＴＭ発光成分の発光強度の増大を実現することができる。
一方、上述の量子ドット頂部の平坦化工程を、水素雰囲気中ではなく、Ｐ原料であるホスフィン（ＰＨ₃）を含む水素雰囲気中で行なうと、上下の量子ドット間にＰを含む薄い中間層が形成され、積層数を増やしてもＰＬ波長が長波長化しないこと、即ち、コラムナ型量子ドットの量子力学的結合が弱くなることもわかっている。

このため、偏波無依存の量子ドットを実現するためには、上下の量子ドットが、中間層を介さずに、直接物理結合した量子力学的結合の強いコラムナ型量子ドットを形成することが必要になる。
しかしながら、上述の方法によってコラムナ型量子ドットを形成する場合、基板温度を複数回昇降させることが必要であるため、プロセスが複雑になり、また、結晶成長時間が非常に長くなり、プロセスコストが増大するなどの課題がある。

また、上述の方法では、Ｖ族元素を含まない水素雰囲気中で基板温度の昇降を行なうため、量子ドットやバリア層などの表面からＶ族元素（特にＰ元素）が蒸発してしまい、これによって、結晶品質が低下してしまうおそれがある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、プロセスが簡便で、かつ、結晶品質が低下しないようにした、量子ドット光半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

このため、本発明の量子ドット光半導体素子の製造方法は、Ｖ族元素を含む量子ドットを自己形成する第１の工程と、量子ドットの組成とは異なり、かつ、Ｖ族元素を含むバリア層で量子ドットを埋め込む第２の工程と、少なくとも気相エッチング終了時に量子ドットを構成するＶ族元素を含む雰囲気になるようにして、バリア層の一部及び量子ドットの一部を気相エッチングする第３の工程とを含む。そして、第１の工程から第３の工程までを複数回繰り返して、複数の量子ドットを積層させてなる複合量子ドットを形成する。

したがって、本発明の量子ドット光半導体素子の製造方法によれば、プロセスが簡便で、かつ、結晶品質が低下しないようにすることができるという利点がある。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法について、図１，図２を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法は、量子ドットを活性層に用いた量子ドット光半導体素子の製造方法であって、特に、複数の自己形成量子ドットを近接積層して形成されるコラムナ型量子ドット（複合量子ドット）を活性層に用いた量子ドット光半導体素子の製造方法である。
本量子ドット光半導体素子の製造方法は、以下のようなコラムナ型量子ドットの形成工程を含むものとして構成される［図１（ａ）〜（ｄ）参照］。

つまり、まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなる下地層（半導体下地層）２を形成し、この下地層２上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなる量子ドット３を自己形成する（第１の工程）。
次に、図１（ａ）に示すように、量子ドット３の組成とは異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなるバリア層４で量子ドット３を埋め込む（第２の工程）。

次いで、図１（ｂ）に示すように、少なくとも気相エッチング終了時に量子ドット３を構成するＶ族元素を含む雰囲気になるようにして、バリア層４の一部及び量子ドット３の一部を気相エッチングする（第３の工程）。
以後、図１（ｃ），（ｄ）に示すように、第１の工程から第３の工程までを複数回繰り返して、複数の量子ドット３を積層させてなるコラムナ型量子ドット５を形成する。

このようなコラムナ型量子ドット形成工程における各工程は、同じ基板温度で連続して行なうことができる。つまり、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明した方法では、量子ドットの頂部を平坦化する平坦化工程において基板温度を上昇させる必要があったのに対し、本コラムナ型量子ドット形成工程では、いずれの工程においても基板温度を上昇させる必要がない。

したがって、作製プロセスを簡便にすることができ、また、結晶成長時間を短縮することができる。この結果、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明した方法のように、プロセスコストの増大を招くこともない。
また、Ｖ族元素を含む雰囲気中で気相エッチングを行なうようにしているため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなるバリア層４や量子ドット３からのＶ族元素の蒸発を防止することができ、結晶品質が低下してしまうのを防止することができる。

以下、コラムナ型量子ドット５の形成工程について、図２（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、より具体的に説明する。
ここでは、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系コラムナ型量子ドットを形成する場合を例に説明する。
なお、結晶成長は、例えば、原料として、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、アルシン（ＡｓＨ₃）、ｎ型不純物源としてのモノシラン（ＳｉＨ₄）、エッチング原料としての塩化水素（ＨＣｌ）を用いた減圧ＭＯＶＰＥ法により行なえば良い。また、キャリアガスには例えば水素を用い、例えば総流量５Ｌ／ｍｉｎ、圧力５０Ｔｏｒｒとすれば良い。

まず、図２（ａ）に示すように、例えば成長温度（基板温度）６５０℃で、（１００）面方位を有するｎ型ＧａＡｓ基板［ｎ型（１００）ＧａＡｓ基板］１Ａ上にＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層を成長させて、例えば厚さ３００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体バッファ層；下地層）２Ａを形成する。
次いで、図２（ａ）に示すように、成長を中断し、ＡｓＨ₃を含む水素雰囲気中で、基板温度を例えば５００℃に下げ、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２Ａ上に、例えば２分子層（ＭＬ）分に相当する原料供給量でＩｎＡｓ層を成長させる。

この成長初期には２次元成長により濡れ層（ウェッティング層）３Ａａが形成されるが、臨界膜厚を越えた時点で、濡れ層３Ａａ上に３次元島状のＩｎＡｓ量子ドット３Ａ（Ｖ族元素としてＡｓを含む量子ドット）が形成される。
ここで、量子ドット３Ａのサイズは成長条件に依存するが、例えば成長温度５００℃では、底面の直径が２０〜２５ｎｍ程度、高さが４〜６ｎｍ程度の量子ドットが形成される。

次に、図２（ａ）に示すように、同じ基板温度（例えば５００℃）で、ＩｎＡｓ量子ドット３Ａを埋め込むようにＧａＡｓ層を成長させて、例えば厚さ８ｎｍのＧａＡｓバリア層４Ａ（Ｖ族元素としてＡｓを含むバリア層）を形成する。ここでは、バリア層４Ａの厚さをＩｎＡｓ量子ドット３Ａの高さ（ばらつきがあるため、ここでは最も高いもの）よりも大きく設定しているため、ＧａＡｓバリア層４Ａの表面は平坦になっている。

次いで、図２（ｂ）に示すように、成長を中断し、同じ基板温度（例えば５００℃）で、ＡｓＨ₃（例えば流量１０ｃｃ／ｍｉｎ）を含む水素雰囲気［Ｖ族元素としてＡｓを含む雰囲気，量子ドット３Ａ又はバリア層４Ａを構成するＶ族元素（Ａｓ）を含む雰囲気］にＨＣｌ（例えば流量８ｃｃ／ｍｉｎ）を添加することによって、ＧａＡｓバリア層４Ａの一部及びＩｎＡｓ量子ドット３Ａの一部を気相エッチングする。

ここでは、上記条件（ＨＣｌの流量８ｃｃ／ｍｉｎ）でのエッチング速度がＧａＡｓ，ＩｎＡｓのいずれも約１０ｎｍ／ｍｉｎ程度であるため、エッチング時間を３０秒にして、ＧａＡｓバリア層４Ａの最表面から厚さ５ｎｍ程度が気相エッチングによって除去されるようにしている。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット３Ａの頂部が気相エッチングされ、残留高さは約３ｎｍ程度になる。

次いで、このようにしてエッチングされた表面上に、図２（ｃ）に示すように、同じ基板温度（例えば５００℃）で、上述と同様に、例えば２ＭＬ分に相当する原料供給量でＩｎＡｓ層を成長させてＩｎＡｓ量子ドット３Ａを形成し、このＩｎＡｓ量子ドット３Ａを埋め込むように例えば厚さ８ｎｍのＧａＡｓバリア層４Ａを形成する。
以後、図２（ｄ）に示すように、ＧａＡｓバリア層４Ａの一部及びＩｎＡｓ量子ドット３Ａの一部を気相エッチングする工程、ＩｎＡｓ量子ドット３Ａを形成する工程及びＧａＡｓバリア層４Ａを形成する工程（これらをまとめて積層工程という）を３回繰り返す。ここでは、最上層のＩｎＡｓ量子ドット３Ａを形成した後、例えば厚さ１００ｎｍのＧａＡｓバリア層４Ａを形成するようにしている。

これにより、複数（ここでは５つ）の量子ドット３Ａが垂直方向（結晶成長方向）に接合されたコラムナ型ＩｎＡｓ量子ドット５Ａが形成される。ここでは、例えば、直径２０〜２５ｎｍ、高さ１５〜１７ｎｍのコラムナ型ＩｎＡｓ量子ドットが形成される。
上述のように、ＡｓＨ₃を含む水素雰囲気（Ｖ族元素としてＡｓを含む雰囲気）中で気相エッチングを行なっているため、量子ドット３Ａ間に中間層が形成されることはなく、上下に積層された量子ドット３Ａは物理的に直接接合されることになる。

このようにして形成されたコラムナ型ＩｎＡｓ量子ドット５ＡのＰＬ波長（発光波長）は約１．４μｍになり、通常のＳ−Ｋ成長モードで自己形成されたＩｎＡｓ量子ドット３ＡのＰＬ波長１．２μｍに対して長波長化し、量子力学的に結合していることが確認できている。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法によれば、プロセスが簡便で、かつ、結晶品質が低下しないようにすることができるという利点がある。

つまり、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明した方法のように、複数回の基板温度の昇降などの複雑な製造プロセスは必要なく、量子ドット３，３Ａの成長温度と同じ温度で気相エッチングを行なうことができるため、製造プロセスが簡便になり、また、結晶成長時間も大幅に短縮することができ、プロセスコストを削減することができることになる。

また、量子ドット３，３Ａやバリア層４，４Ａを構成するＶ族元素（ここではＡｓ）を含む雰囲気中で気相エッチングを行なうため、量子ドット３，３Ａやバリア層４，４Ａなどの表面からのＶ族元素（ここではＡｓ）の蒸発を抑えることができ、高品質なコラムナ型量子ドット５，５Ａを作製することが可能となる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法について、図３〜図５を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法は、上述の第１実施形態のものに対し、コラムナ型量子ドット形成工程の第３の工程（少なくとも気相エッチング終了時に量子ドットを構成するＶ族元素を含む雰囲気になるようにして、バリア層の一部及び量子ドットの一部を気相エッチングする工程）において、気相エッチングの途中で、V族元素を含む雰囲気を構成するガス種を変化させるようにしている点が異なる。

つまり、本実施形態では、上述の第１実施形態のＶ族元素を含む量子ドット３を自己形成する工程（第１の工程）において［図１（ａ）参照］、ＩｎＡｓ量子ドット３Ａ（Ｖ族元素としてＡｓを含む量子ドット）を形成する［図３（ａ）参照］。
また、上述の第１実施形態の量子ドット３Ａの組成とは異なるＶ族元素を含むバリア層４で量子ドット３を埋め込む工程（第２の工程）において、ＩｎＧａＡｓＰバリア層４Ｂ（Ｖ族元素としてＰを含むバリア層）を形成する。

そして、上述の第１実施形態において、バリア層４の一部及び量子ドット３の一部を気相エッチングする工程（第３の工程）において［図１（ｂ）参照］、少なくとも気相エッチングの終了時にＶ族元素としてＡｓを含む雰囲気［量子ドット３Ａを構成するＶ族元素（Ａｓ）を含む雰囲気］になるように、最初にＶ族元素としてＰを含む雰囲気［バリア層４Ｂを構成するＶ族元素（Ｐ）を含む雰囲気］にし、その後、Ｖ族元素としてＡｓを含む雰囲気［量子ドット３Ａを構成するＶ族元素（Ａｓ）を含む雰囲気］に変えるようにしている［図３（ｂ），（ｃ）参照］。

なお、図３では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
特に、蒸気圧の高いＰ元素を含むバリア層４Ｂの気相エッチングが、Ｐ元素を含む雰囲気中で行なわれると、バリア層４ＢからのＰ元素の蒸発を効果的に抑制でき、また、Ａｓ元素を含む量子ドット３Ａの気相エッチングが、Ａｓ元素を含む雰囲気中で行なわれると、量子ドット３ＡからのＡｓ元素の蒸発を抑制できるため、コラムナ型量子ドット５Ａの結晶品質を維持することができる。

仮に、Ｐ元素を含むバリア層４Ｂの気相エッチングが、Ａｓ元素を含む雰囲気中で行なわれたり、Ａｓ元素を含む量子ドット３Ａの気相エッチングが、Ｐ元素を含む雰囲気中で行なわれたりすると、Ｐ元素を含むバリア層４ＢやＡｓ元素を含む量子ドット３Ａの表面でＡｓ／Ｐ置換反応が生じ、Ａｓ／Ｐ置換反応層が形成されることが考えられるが、並行してウエハ表面の気相エッチングが進んでいるため、バリア層４Ｂや量子ドット３Ａの表面にＡｓ／Ｐ置換反応層が残ることはない。

特に、気相エッチングの終了時の雰囲気がＶ族元素としてＡｓを含む雰囲気［量子ドット３Ａを構成するＶ族元素（Ａｓ）を含む雰囲気］になるようにしているため、複数のＡｓ系量子ドット３Ａを積層させてコラムナ型量子ドット５Ａを形成する際に、量子ドット３Ａ間に中間層（Ｐ元素を含む中間層）が形成されることはなく、物理的に直接接合したコラムナ型量子ドット５Ａを形成することができる。

以下、このようなコラムナ型量子ドット形成工程を含む本量子ドット光半導体素子の製造方法について、図３〜図５を参照しながら、より具体的に説明する。
ここでは、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ系コラムナ型量子ドットを活性層に用いた量子ドットＳＯＡの製造方法を例に説明する。
なお、結晶成長は、例えば、原料として、ＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ₃、ホスフィン（ＰＨ₃）、ＳｉＨ₄、ｐ型不純物源としてのジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）、エッチング原料としてのＨＣｌを用いた減圧ＭＯＶＰＥ法により行なえば良い。また、キャリアガスには例えば水素を用い、例えば総流量５Ｌ／ｍｉｎ、圧力５０Ｔｏｒｒとすれば良い。

まず、図４（ａ）［又は図３（ａ）］に示すように、例えば成長温度（基板温度）６２０℃で、（１００）面方位を有するｎ型ＩｎＰ基板［ｎ型（１００）ＩｎＰ基板］１Ｂ上にＳｉドープｎ型ＩｎＰ層を成長させて、例えば厚さ５００ｎｍのＳｉドープｎ型ＩｎＰバッファ層２Ｂを形成し、さらにバッファ層２Ｂ上にノンドープＩｎＧａＡｓＰ層を成長させて、例えば厚さ５０ｎｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ下地層２Ｃ（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体下地層；組成波長１．１μｍ）を形成する。

次いで、図３（ａ）［又は図４（ａ）］に示すように、成長を中断し、ＰＨ₃を含む水素雰囲気中で、基板温度を例えば４８０℃に下げ、ＩｎＧａＡｓＰ下地層２Ｃ上に、例えば２分子層（ＭＬ）分に相当する原料供給量でＩｎＡｓ層を成長させる。
この成長初期には２次元成長により濡れ層（ウェッティング層）３Ａａが形成されるが、臨界膜厚を越えた時点で、濡れ層３Ａａ上に３次元島状のＩｎＡｓ量子ドット３Ａ（Ｖ族元素としてＡｓを含む量子ドット）が形成される。

ここで、量子ドット３Ａのサイズは、底面の直径が３０〜３５ｎｍ程度、高さが５〜７ｎｍ程度に分布する。
次に、図３（ａ）［又は図４（ａ）］に示すように、同じ基板温度（例えば４８０℃）で、ＩｎＡｓ量子ドット３Ａを埋め込むようにノンドープ歪ＩｎＧａＡｓＰ層を成長させて、例えば厚さ１０ｎｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂ（組成波長１．１μｍ、１％伸張歪；Ｖ族元素としてＰを含むバリア層）を形成する。

ここでは、バリア層４Ｂの厚さをＩｎＡｓ量子ドット３Ａの高さ（ばらつきがあるため、ここでは最も高いもの）よりも大きく設定しているため、ＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂの表面は平坦になっている。
次いで、図３（ｂ）［又は図４（ａ）］に示すように、成長を中断し、同じ基板温度（例えば４８０℃）で、ＰＨ₃（流量３０ｃｃ／ｍｉｎ）を含んだ水素雰囲気［Ｖ族元素としてＰを含む雰囲気，バリア層４Ｂを構成するＶ族元素（Ｐ）を含む雰囲気］にＨＣｌ（例えば流量８ｃｃ／ｍｉｎ）を添加することによって、ＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂの一部を気相エッチング（第１気相エッチング）する。

ここでは、上記条件（ＨＣｌの流量８ｃｃ／ｍｉｎでＩｎＧａＡｓＰをエッチングする）でのエッチング速度が約６ｎｍ／ｍｉｎ程度であるため、エッチング時間を３０秒にして、ＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂの最表面から厚さ３ｎｍ程度が気相エッチングによって除去されるようにしている。これにより、最大サイズのＩｎＡｓ量子ドット３Ａの頂部が表面に現れる。

このように、本実施形態では、Ｐを含む雰囲気中でＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂの気相エッチングが行なわれるため、ＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４ＢからＰ元素が、結晶品質が低下してしまうほど過剰に蒸発してしまうことはない。
次いで、図３（ｃ）［又は図４（ａ）］に示すように、同じ基板温度（例えば４８０℃）で、エッチング雰囲気を、ＡｓＨ₃（流量１０ｃｃ／ｍｉｎ）を含んだ水素雰囲気［Ｖ族元素としてＡｓを含む雰囲気，量子ドット３Ａを構成するＶ族元素（Ａｓ）を含む雰囲気］にＨＣｌ（流量８ｃｃ／ｍｉｎ）を添加した雰囲気に変えて［即ち、Ｐを含む原料ガス（ここではＰＨ₃）からＡｓを含む原料ガス（ここではＡｓＨ₃）に切り替えて］、さらにＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂの一部及びＩｎＡｓ量子ドット３Ａの一部を気相エッチング（第２気相エッチング）する。

ここでは、上記条件（ＨＣｌの流量８ｃｃ／ｍｉｎでＩｎＧａＡｓＰをエッチングする）でのエッチング速度が約６ｎｍ／ｍｉｎ程度であるため、エッチング時間を３０秒にして、ＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂがさらに厚さ３ｎｍ程度エッチングされるようにしている。この結果、ＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂの最表面から厚さ６ｎｍ程度が気相エッチングによって除去されることになる。

この場合、最小サイズ以外のＩｎＡｓ量子ドット３Ａの一部も気相エッチングによって除去されることになる。例えば、最大サイズのＩｎＡｓ量子ドット３Ａは、その頂部から厚さ３ｎｍ程度エッチングされることになる。一方、最小サイズのＩｎＡｓ量子ドット３Ａの頂部も表面に現れ、その頂部から厚さ１ｎｍ程度がエッチングされることになる。
このように、本実施形態では、Ａｓを含む雰囲気中でＩｎＡｓ量子ドット３Ａの気相エッチングが行われるため、ＩｎＡｓ量子ドット３ＡからのＡｓ元素が、結晶品質が低下してしまうほど過剰に蒸発してしまうことはない。

次いで、このようにしてエッチングされた表面上に、図３（ｄ）［又は図４（ａ）］に示すように、同じ基板温度（例えば４８０℃）で、上述と同様に、例えば２ＭＬ分に相当する原料供給量でＩｎＡｓ層を成長させてＩｎＡｓ量子ドット３Ａを形成し、このＩｎＡｓ量子ドット３Ａを埋め込むように例えば厚さ１０ｎｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂ（組成波長１．１μｍ、伸張歪１％）を形成する。

以後、図３（ｅ）［又は図４（ａ）］に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ｂの一部及びＩｎＡｓ量子ドット３Ａの一部を気相エッチングする工程、ＩｎＡｓ量子ドット３Ａを形成する工程及びＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層４Ａを形成する工程（これらをまとめて積層工程という）を２回繰り返す。ここでは、最上層のＩｎＡｓ量子ドット３Ａを形成した後、例えば厚さ５０ｎｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰスペーサ層４Ｃ（組成波長１．１μｍ）を形成するようにしている。

これにより、複数（ここでは４つ）の量子ドット３Ａが垂直方向（結晶成長方向）に接合されたコラムナ型ＩｎＡｓ量子ドット５Ａが形成される。ここでは、例えば、直径３０〜３５ｎｍ、高さ２４〜２６ｎｍのコラムナ型ＩｎＡｓ量子ドットが形成される。
上述のように、気相エッチングの途中で、V族元素を含む雰囲気を構成するガス種を変化させ、エッチング終了時の雰囲気がＶ族元素としてＡｓを含む雰囲気になっているため、ＩｎＡｓ量子ドット３Ａ間に中間層（Ｐを含む中間層）が形成されることはなく、上下に積層された量子ドット３Ａは物理的に直接接合されることになる。

以後、上述したようなコラムナ型量子ドット形成工程を２回繰り返して、図４（ａ）に示すように、トータルで３層のＩｎＡｓコラムナ量子ドット５Ａを積層する。
次に、図４（ａ）に示すように、成長を中断し、ＰＨ₃を含む水素雰囲気中で、例えば基板温度を６２０℃に上げ、ノンドープＩｎＧａＡｓＰスペーサ層４Ｃ上にＺｎドープｐ型ＩｎＰ層を成長させて、例えば厚さ２００ｎｍのＺｎドープｐ型ＩｎＰ第１クラッド層６を形成する。

次いで、ｐ型ＩｎＰ第１クラッド層６上に、例えば幅２μｍのＳｉＯ₂ストライプマスクを［０１１］方向に形成し、図４（ｂ）に示すように、このマスク１０を用いて、ｎ型ＩｎＰバッファ層２Ｂの一部にまで到達するストライプ状のメサ構造７を形成する。
その後、図４（ｃ）に示すように、このメサ構造７の両側がｐ型ＩｎＰ層、ｎ型ＩｎＰ層で埋め込まれるように、ｐ型ＩｎＰ層８、ｎ型ＩｎＰ層９を順次成長させる（埋込成長）。

次に、ＳｉＯ₂ストライプマスク１０を除去した後、図４（ｄ）に示すように、ｐ型ＩｎＰ第１クラッド層６及びｎ型ＩｎＰ層９上に、例えば厚さ３μｍのｐ型ＩｎＰ第２クラッド層１１、例えば厚さ３００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１２を順次積層する。
最後に、図５に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１Ｂの裏面にｎ側電極１３、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の表面にｐ側電極１４を形成して、ＩｎＡｓコラムナ量子ドット５Ａを利得媒質（活性層）に用いた量子ドットＳＯＡ１５が完成する。

このようにして、１．５５μｍ通信波長帯でＴＥ−ＴＭ偏波間利得差の小さい量子ドットＳＯＡ１５を作製することができる。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、プロセスが簡便で、かつ、結晶品質が低下しないようにすることができるという利点がある。

つまり、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明した方法のように、複数回の基板温度の昇降などの複雑な製造プロセスは必要なく、量子ドット３Ａの成長温度と同じ温度で気相エッチングを行なうことができるため、製造プロセスが簡便になり、また、結晶成長時間も大幅に短縮することができ、プロセスコストを削減することができることになる。

また、量子ドット３Ａやバリア層４Ｂを構成するＶ族元素（ここではＡｓ，Ｐ）を含む雰囲気中で気相エッチングを行なうため、量子ドット３Ａやバリア層４Ｂなどの表面からのＶ族元素（ここではＡｓ，Ｐ）の蒸発を抑えることができ、高品質なコラムナ型量子ドット５Ａを作製することが可能となる。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。

例えば、上述の各実施形態では、気相エッチングに用いるエッチングガスとしてＨＣｌ（塩素系ガス）を供給しているが、これに限られるものではなく、例えばＣＢｒ₄、Ｃ１２、ＣＨ₃Ｃｌ、ターシャルブチルクロライド等のエッチング性を有するハロゲン系ガスを供給するのも好ましい。
また、上述の各実施形態では、キャリアガスとして水素を用いているが、これに限られるものではなく、例えば量子ドット及びバリア層に対して不活性な窒素あるいはＨｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の希ガス、さらにはこれらの混合ガスを用いても良い。

また、上述の各実施形態では、Ｖ族元素としてＡｓを含む雰囲気を、ＡｓＨ₃を含む雰囲気としているが、これに限られるものではなく、Ａｓを含む雰囲気にするためには、例えば、ＴＢＡ（ターシャルブチルアルシン）を供給して、Ａｓを含む雰囲気にしても良い。
また、上述の各実施形態では、Ｖ族元素としてＰを含む雰囲気を、ＰＨ₃を含む雰囲気としているが、これに限られるものではなく、Ｐを含む雰囲気にするためには、例えば、ＴＢＰ（ターシャルブチルホスフィン）を供給して、Ｐを含む雰囲気にしても良い。

また、上述の各実施形態では、ＩｎＡｓ量子ドットにしているが、これに限られるものではなく、例えばＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶）からなる量子ドットにしても良い。
また、上述の各実施形態では、量子ドットの形成の際にウェッティング層も形成される場合を例に説明しているが、ウェッティング層が形成されないような成長条件で量子ドットを形成するようにしても良い。

また、上述の各実施形態では、ＧａＡｓバリア層又はＩｎＧａＡｓＰバリア層にしているが、これらに限られるものではなく、量子ドットの組成と異なる材料、例えば、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＩｎＧａＡｓＳｂ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶）からなるバリア層にしても良い。

また、上述の各実施形態では、（１００）面方位を有するｎ型ＧａＡｓ基板又はｎ型ＩｎＰ基板（第１の導電型の半導体基板）上に形成した量子ドットＳＯＡを例に説明しているが、これに限られるものはない。例えばｐ型ＧａＡｓ基板又はｐ型ＩｎＰ基板（第２の導電型の半導体基板）上に形成しても良いし、高抵抗ＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ基板）上に形成しても良い。

また、上述の第２実施形態では、本発明を埋込型量子ドットＳＯＡに適用した場合を例に説明しているが、これに限られるものではなく、本発明はリッジ型量子ドットＳＯＡに適用することもできる。
また、上述の第２実施形態では、光半導体素子として量子ドットＳＯＡを例に説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は、半導体レーザなどの量子ドットを用いる光半導体素子（量子ドット光半導体素子）に広く適用できるものである。

また、上述の第２実施形態では、埋込層をｐ型ＩｎＰ層及びｎ型ＩｎＰ層としているが、これに限られるものではなく、例えば、Ｆｅ−ＩｎＰ層などの半絶縁性ＩｎＰ埋込層（高抵抗半導体層）としても良い［ＳＩ−ＰＢＨ（semi-insulating blocked planar buried heterostructure）構造又はＳＩ−ＢＨ（Semi-Insulating Buried Heterostructure）構造］。

また、上述の第２実施形態では、コラムナ型量子ドットを含む層を３周期繰り返して積層した構造にしているが、これに限られるものではなく、周期数は任意に設定すれば良い。
以下、上述の各実施形態に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
Ｖ族元素を含む量子ドットを自己形成する第１の工程と、
前記量子ドットの組成とは異なり、かつ、Ｖ族元素を含むバリア層で前記量子ドットを埋め込む第２の工程と、
少なくとも気相エッチング終了時に前記量子ドットを構成するＶ族元素を含む雰囲気になるようにして、前記バリア層の一部及び前記量子ドットの一部を気相エッチングする第３の工程とを含み、
前記第１の工程から前記第３の工程までを複数回繰り返して、複数の量子ドットを積層させてなる複合量子ドットを形成することを特徴とする量子ドット光半導体素子の製造方法。

（付記２）
前記第３の工程において、気相エッチングの途中で、前記V族元素を含む雰囲気を構成するガス種を変化させることを特徴とする、付記１記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。
（付記３）
前記第３の工程において、最初に前記バリア層を構成するＶ族元素を含む雰囲気にし、その後、前記量子ドットを構成するＶ族元素を含む雰囲気に変えることを特徴とする、付記１又は２記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。

（付記４）
前記第１の工程において、Ｖ族元素としてＡｓを含む量子ドットを形成し、
前記第２の工程において、Ｖ族元素としてＰを含むバリア層を形成し、
前記第３の工程において、最初にＶ族元素としてＰを含む雰囲気にし、その後、Ｖ族元素としてＡｓを含む雰囲気に変えることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。

（付記５）
前記第１の工程、前記第２の工程及び前記第３の工程が同じ温度で行なわれることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。
（付記６）
前記第３の工程において、Ｖ族元素を含む雰囲気中にハロゲン系ガスを供給して気相エッチングを行なうことを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法に含まれるコラムナ型量子ドット形成工程を説明するための模式的断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法に含まれるコラムナ型量子ドット形成工程の具体例を説明するための模式的断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第２実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法に含まれるコラムナ型量子ドット形成工程を説明するための模式的断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法を説明するための模式的断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる量子ドット光半導体素子の製造方法によって製造される量子ドット光半導体素子の構成を示す模式的断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来のコラムナ型量子ドットの形成方法を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
１Ａ ｎ型ＧａＡｓ基板
１Ｂ ｎ型ＩｎＰ基板
２ 下地層
２Ａ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
２Ｂ ｎ型ＩｎＰバッファ層
２Ｃ ＩｎＧａＡａＰ下地層
３ 量子ドット
３Ａ ＩｎＡｓ量子ドット
３Ａａ 濡れ層
４ バリア層
４Ａ ＧａＡｓバリア層
４Ｂ ＩｎＧａＡｓＰ歪バリア層
４Ｃ ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層
５，５Ａ コラムナ型量子ドット
６ ｐ型ＩｎＰ第１クラッド層
７ メサ構造
８ ｐ型ＩｎＰ層
９ ｎ型ＩｎＰ層
１０ ＳｉＯ₂マスク
１１ ｐ型ＩｎＰ第２クラッド層
１２ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１３ ｎ側電極
１４ ｐ側電極
１５ 量子ドットＳＯＡ

Claims (5)

1. Ｖ族元素を含む量子ドットを自己形成する第１の工程と、
   前記量子ドットの組成とは異なり、かつ、Ｖ族元素を含むバリア層で前記量子ドットを埋め込む第２の工程と、
   少なくとも気相エッチング終了時に前記量子ドットを構成するＶ族元素を含む雰囲気になるようにして、前記バリア層の一部及び前記量子ドットの一部を気相エッチングする第３の工程とを含み、
   前記第１の工程から前記第３の工程までを複数回繰り返して、複数の量子ドットを積層させてなる複合量子ドットを形成することを特徴とする量子ドット光半導体素子の製造方法。
2. 前記第３の工程において、気相エッチングの途中で、前記V族元素を含む雰囲気を構成するガス種を変化させることを特徴とする、請求項１記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。
3. 前記第３の工程において、最初に前記バリア層を構成するＶ族元素を含む雰囲気にし、その後、前記量子ドットを構成するＶ族元素を含む雰囲気に変えることを特徴とする、請求項１又は２記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。
4. 前記第１の工程、前記第２の工程及び前記第３の工程が同じ温度で行なわれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。
5. 前記第３の工程において、Ｖ族元素を含む雰囲気中にハロゲン系ガスを供給して気相エッチングを行なうことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の量子ドット光半導体素子の製造方法。

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