JP2009016562A - Semiconductor quantum dot element, method of forming semiconductor quantum dot element, and semiconductor laser using semiconductor quantum dot element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体量子ドット素子、半導体量子ドット素子の形成方法および半導体量子ドット素子を利用した半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor quantum dot device, a method for forming a semiconductor quantum dot device, and a semiconductor laser using the semiconductor quantum dot device.
近年、量子ドットは量子ドットレーザを中心に開発が進められている。量子ドットは、電子を3次元的に狭いポテンシャルエネルギー内に閉じ込めるために、電子のエネルギー準位が離散化し、状態密度はデルタ関数的になる。半導体レーザの活性層に量子ドットを用いると、信号変調時の低チャープ化や、温度に対する依存性が小さくなることが報告されている。量子ドットは、光増幅器、光検出器、非線形光学素子等の光通信分野をはじめ、高効率ディスプレイ、単一光子発生素子等、さまざまな応用分野での展開が期待されている。 In recent years, quantum dots have been developed with a focus on quantum dot lasers. In the quantum dot, electrons are confined in a three-dimensionally narrow potential energy, so that the energy level of the electrons is discretized and the density of states becomes a delta function. It has been reported that when quantum dots are used in the active layer of a semiconductor laser, the chirp is reduced during signal modulation and the dependence on temperature is reduced. Quantum dots are expected to develop in various application fields such as high-efficiency displays and single-photon generators, as well as optical communication fields such as optical amplifiers, photodetectors, and nonlinear optical elements.
InAs量子ドットは、近年ではGaAs基板上において1.5μm帯まで発光し、長波長化が可能となっており、光通信の分野において注目を集めている。半導体量子ドットの作製方法としては、格子不整合材料を用いて作製するStranski−Krastanov(S−K)成長モードによる自己形成技術が簡便な方法として挙げられる(特許文献1)。また、量子ドットをデバイスへ応用する際、高効率化、大面積化等の観点からドットのサイズ、密度、位置を制御することが重要になる。現在、半導体量子ドットのサイズ、密度、位置制御を行う方法として、ブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いる方法(非特許文献1)や、電子線描画リソグラフィを用いる方法(非特許文献2)等がある。 InAs quantum dots have recently been attracting attention in the field of optical communication because they emit light up to 1.5 μm band on a GaAs substrate and can be made longer. As a method for manufacturing a semiconductor quantum dot, a self-forming technique using a Strance-Krastanov (SK) growth mode manufactured using a lattice mismatch material can be cited as a simple method (Patent Document 1). In addition, when applying quantum dots to devices, it is important to control the size, density, and position of the dots from the viewpoints of higher efficiency and larger area. Currently, methods for controlling the size, density, and position of semiconductor quantum dots include a method using a micro phase separation film of a block copolymer (Non-Patent Document 1), a method using electron beam lithography (Non-Patent Document 2), and the like. is there.
S−K成長モードを利用した半導体量子ドットの作製は、GaAs、GaN等の化合物半導体基板に、In、Ga等のIII族元素と、As、N等のV族元素とを同時に供給することにより行われる。そして成長の開始当初は、InAsまたはGaNが格子不整合による弾性限界を超えないので2次元的に成長が行われ、InAsまたはGaNの濡れ層(Wetting layer)が成長する。さらに成長を続けると、InAsまたはGaNの厚さが弾性限界を超えた時点で濡れ層の表面に、InAsまたはGaN量子ドットがナノメートルオーダーで成長する。 Semiconductor quantum dots using the SK growth mode are manufactured by simultaneously supplying a group III element such as In and Ga and a group V element such as As and N to a compound semiconductor substrate such as GaAs and GaN. Done. At the beginning of growth, since InAs or GaN does not exceed the elastic limit due to lattice mismatch, growth is performed two-dimensionally, and an InAs or GaN wetting layer is grown. When the growth is further continued, InAs or GaN quantum dots grow on the surface of the wetting layer on the order of nanometers when the thickness of InAs or GaN exceeds the elastic limit.
ブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いた半導体量子ドットの作製方法を簡単に説明する。初めに、GaAs、GaN等の化合物半導体基板に、例えば、SiO2またはSiN等の絶縁体からなる中間層を、CVD(化学気相成長)やスピンコーティングの技術を用いて、数十nmの厚さまで堆積する。そしてその上に、PS(ポリスチレン)−PMMA(ポリメチルメタクリレート)を溶解した溶液であるブロックポリマー層を、スピンコーティングにより形成する。 A method for producing semiconductor quantum dots using a block copolymer microphase separation membrane will be briefly described. First, an intermediate layer made of an insulator such as SiO 2 or SiN is formed on a compound semiconductor substrate such as GaAs or GaN using a CVD (chemical vapor deposition) or spin coating technique to a thickness of several tens of nm. Accumulate. And the block polymer layer which is the solution which melt | dissolved PS (polystyrene) -PMMA (polymethylmethacrylate) on it is formed by spin coating.
次に、ブロックポリマー層をアニールすることにより、ブロックポリマー層は、PSマトリックス中に複数のPMMA微粒子が相分離したブロックコポリマー層に変化する。そして、酸素ガスを用いて、形成したブロックコポリマー層をエッチングすると、PS内部の複数のPMMA微粒子が選択的にエッチングされることにより、ブロックコポリマー層は、PMMA微粒子と同じサイズの複数のホールパターンを有するPS多孔質層となる。このようにして得られた多孔質層をエッチングマスクとして、中間層をフッ化物ガスによりエッチングすることにより、中間層には数十nmのホールパターンが複数形成される。 Next, by annealing the block polymer layer, the block polymer layer changes into a block copolymer layer in which a plurality of PMMA fine particles are phase-separated in the PS matrix. When the formed block copolymer layer is etched using oxygen gas, a plurality of PMMA fine particles inside the PS are selectively etched, so that the block copolymer layer has a plurality of hole patterns having the same size as the PMMA fine particles. It becomes the PS porous layer which has. By using the porous layer thus obtained as an etching mask and etching the intermediate layer with fluoride gas, a plurality of hole patterns of several tens of nm are formed in the intermediate layer.
以上の工程を経ることにより、PMMA微粒子と同じサイズの複数のホールパターンを有する中間層を上面に持つ化合物半導体基板が作製される。この化合物半導体基板を用いて、上述したS−K成長モードと同様の方法で半導体量子ドットの成長を行うと、半導体量子ドットがホール内部で選択的に成長する。その後、残りの中間層を除去し、成長した半導体量子ドットの周囲をGaAs等の半導体で埋め込み、半導体量子ドットレーザ等へ応用する。 Through the above steps, a compound semiconductor substrate having an intermediate layer having a plurality of hole patterns of the same size as the PMMA fine particles on the upper surface is manufactured. When semiconductor quantum dots are grown using this compound semiconductor substrate in the same manner as in the SK growth mode described above, the semiconductor quantum dots are selectively grown inside the holes. Thereafter, the remaining intermediate layer is removed, and the periphery of the grown semiconductor quantum dots is filled with a semiconductor such as GaAs, and applied to a semiconductor quantum dot laser or the like.
しかしながら、S−K成長モードを利用して化合物半導体基板上に半導体量子ドットを成長させた場合、半導体量子ドットは化合物半導体基板上に高密度で形成されるが、成長工程中の化合物半導体基板の温度分布や、半導体量子ドットの原料の流量分布等の理由により、互いの半導体量子ドットのサイズ、つまり、その直径や高さはかなり不均一なものとして形成される。通常、半導体量子ドットの直径と高さとを両方均一に成長させることは難しく、化合物半導体基板全体に直径と高さとが両方均一な半導体量子ドットを成長させる場合には、さらに難しい技術を必要とする。 However, when semiconductor quantum dots are grown on a compound semiconductor substrate using the SK growth mode, the semiconductor quantum dots are formed at a high density on the compound semiconductor substrate. Due to temperature distribution, flow rate distribution of the raw material of the semiconductor quantum dots, etc., the sizes of the semiconductor quantum dots, that is, their diameters and heights are formed to be considerably nonuniform. Normally, it is difficult to uniformly grow both the diameter and height of a semiconductor quantum dot, and more difficult techniques are required to grow a semiconductor quantum dot having a uniform diameter and height on the entire compound semiconductor substrate. .
ブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いる方法や、電子線描画リソグラフィを用いる方法においても、制御できる半導体量子ドットのサイズは直径のみであり、高さに関してはこの方法で制御することはできない。このため、半導体量子ドットの高さを均一にするにはさらに新たな技術が必要となる。 Even in a method using a block copolymer microphase separation film or a method using electron beam lithography, the size of the semiconductor quantum dots that can be controlled is only the diameter, and the height cannot be controlled by this method. For this reason, a new technique is required to make the height of the semiconductor quantum dots uniform.
特に、半導体量子ドットを発光素子や光スイッチに応用する場合、バンドギャップの制御が重要になる。従来の形成方法で形成される半導体量子ドットは、その直径が高さより3〜5倍大きく、さらに、半導体量子ドットの材質によっては、10倍以上になる場合もある。このため、半導体量子ドットのバンドギャップは直径よりも高さによって制御され、直径はバンドギャップに関しては大きな影響を与えない。よって、半導体量子ドットを素子に利用する場合、広範囲な領域で、半導体量子ドットの高さをそろえることが重要な技術となる。
In particular, when semiconductor quantum dots are applied to light emitting elements and optical switches, it is important to control the band gap. The semiconductor quantum dots formed by the conventional forming method have a
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、化合物半導体基板上に形成された複数の半導体量子ドットの高さを均一にしてバンドギャップを広範囲に制御することできる半導体量子ドット素子、この半導体量子ドット素子の形成方法、および、この半導体量子ドット素子を利用した半導体レーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and a semiconductor quantum dot device capable of controlling the band gap over a wide range by making the height of a plurality of semiconductor quantum dots formed on a compound semiconductor substrate uniform. It is an object to provide a method for forming a semiconductor quantum dot device and a semiconductor laser using the semiconductor quantum dot device.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に形成された複数の半導体量子ドットと、を備え、前記複数の半導体量子ドットは、直径が前記化合物半導体基板の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さく高さがほぼ一定に形成されていること、を特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention includes a compound semiconductor substrate and a plurality of semiconductor quantum dots formed on the compound semiconductor substrate, and the plurality of semiconductor quantum dots includes: The diameter is gradually reduced from the center of the compound semiconductor substrate toward the peripheral side, and the height is substantially constant.
また、本発明は、化合物半導体基板上に中間層を形成する中間層形成工程と、前記中間層上に、前記化合物半導体基板の中心から周縁側に向かうに従って直径が徐々に小さくなる微細な複数のホールパターンを有するマスク層を作製するマスク層作製工程と、前記マスク層をマスクとして、ドライエッチングにより前記中間層をエッチングし、前記微細な複数のホールパターンに対応する部分の前記化合物半導体基板を露出させるエッチング工程と、前記エッチング工程により露出した部分の前記化合物半導体基板上に、複数の半導体量子ドットを選択的に自己形成する自己形成工程と、を含むこと、を特徴とする。 The present invention also provides an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer on the compound semiconductor substrate, and a plurality of fine layers on the intermediate layer that gradually decrease in diameter from the center of the compound semiconductor substrate toward the peripheral side. A mask layer manufacturing step of manufacturing a mask layer having a hole pattern, and using the mask layer as a mask, the intermediate layer is etched by dry etching to expose a portion of the compound semiconductor substrate corresponding to the plurality of fine hole patterns And a self-forming step of selectively self-forming a plurality of semiconductor quantum dots on a portion of the compound semiconductor substrate exposed by the etching step.
本発明によれば、化合物半導体基板上に形成される複数の半導体量子ドットの高さを均一に制御できるので、半導体量子ドット素子のバンドギャップを広範囲に制御することができるという効果を奏する。 According to the present invention, since the height of the plurality of semiconductor quantum dots formed on the compound semiconductor substrate can be controlled uniformly, the band gap of the semiconductor quantum dot device can be controlled over a wide range.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体量子ドット素子、半導体量子ドット素子の形成方法、および、半導体量子ドット素子を利用した半導体レーザの最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下において示す図面では、説明の便宜上、図面の各部材の縮尺を異ならせて記載してある場合がある。 Exemplary embodiments of a semiconductor quantum dot device, a method for forming a semiconductor quantum dot device, and a semiconductor laser using the semiconductor quantum dot device will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings shown below, for convenience of explanation, the scales of the members of the drawings may be described differently.
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図1は、第1の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の上面図であり、図2は、図1のA−A矢視断面図である。半導体量子ドット素子1は、化合物半導体基板2の上に、複数の半導体量子ドット3が一定の間隔で形成された構造となっている。化合物半導体基板2の中心部に形成された半導体量子ドット3の直径D1は、半導体量子ドット3の中で最も大きい。そして、半導体量子ドット3の直径は、化合物半導体基板2の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さくなり、化合物半導体基板2の周縁部に形成された半導体量子ドット3の直径D2は、半導体量子ドット3の中で最も小さくなっている。また、半導体量子ドット3の高さHは、化合物半導体基板2の位置に関係なくほぼ一定となっている。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a top view of the semiconductor quantum dot device according to the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The semiconductor quantum dot device 1 has a structure in which a plurality of semiconductor
半導体量子ドット素子が上述のように形成されている理由を、従来の半導体量子ドット素子と比較して説明する。図3は、従来のブロックコポリマーのミクロ相分離膜を用いて作製された従来の半導体量子ドット素子の上面図であり、図4は、図3のA−A矢視断面図である。従来の半導体量子ドット素子4においては、化合物半導体基板2の上に形成された従来の半導体量子ドット5の直径dは、化合物半導体基板2の位置に関係なく一定となっている。一方、化合物半導体基板2の中心部に形成された従来の半導体量子ドット5の高さh1は、従来の半導体量子ドット5の中で最も高い。そして、従来の半導体量子ドット5の高さは、化合物半導体基板2の中心から周縁側に向かうに従って徐々に低くなり、その周縁部に形成された従来の半導体量子ドット5の高さh2は、従来の半導体量子ドット5の中で最も低くなっている。
The reason why the semiconductor quantum dot device is formed as described above will be described in comparison with a conventional semiconductor quantum dot device. FIG. 3 is a top view of a conventional semiconductor quantum dot device manufactured using a microphase separation film of a conventional block copolymer, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In the conventional semiconductor quantum dot device 4, the diameter d of the conventional
前述したように、従来の形成方法で形成される半導体量子ドットは、その直径が高さより3〜5倍大きく、さらに、半導体量子ドットの材質によっては、10倍以上になる場合もある。この関係は、本実施の形態にかかる半導体量子ドットにおいても変わらない。従って、図1〜4における半導体量子ドットは、その直径よりも高さの方が大きく描かれているが、実際には、その高さよりも直径の方が3〜5倍大きく、さらに、半導体量子ドットの材質によっては、10倍以上になる場合もある。このため、半導体量子ドットの直径は、バンドギャップに大きな影響を与えず、バンドギャップは、直径よりも高さによって制御される。
As described above, the semiconductor quantum dots formed by the conventional forming method have a
従って、本実施の形態にかかる半導体量子ドット素子は、半導体量子ドットの高さが化合物半導体基板の全面でほぼ一定に形成されるので、従来の形成方法で形成される半導体量子ドット素子に比べて、半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御することが可能となる。この結果、本実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を半導体レーザに用いると、高効率な半導体レーザの作製が可能となる。 Accordingly, the semiconductor quantum dot device according to the present embodiment is formed so that the height of the semiconductor quantum dot is almost constant over the entire surface of the compound semiconductor substrate, and therefore, compared with the semiconductor quantum dot device formed by the conventional formation method. The band gap of the semiconductor quantum dots can be controlled over a wide range. As a result, when the semiconductor quantum dot device according to this embodiment is used for a semiconductor laser, a highly efficient semiconductor laser can be manufactured.
(半導体量子ドット素子の形成方法)
次に、本実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の形成方法について説明する。図5−1〜図5−9は、第1の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子の断面工程図であり、図1のA−A矢視断面部分に相当する。
(Method of forming semiconductor quantum dot device)
Next, a method for forming a semiconductor quantum dot device according to the present embodiment will be described. 5-1 to 5-9 are cross-sectional process diagrams of the semiconductor quantum dot device according to the first embodiment, and correspond to a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
初めに、図5−1に示すように化合物半導体基板2を準備する。化合物半導体基板2には、III−V族元素を含む半導体が使用され、具体的には、GaAs、または、AlNが好ましいが、InGaAs、InP、AlGaAs、GaN、AlGaN、または、InGaNのいずれでも使用することができる。
First, the
そして、図5−2に示すように、化合物半導体基板2の上に、中間層6を形成する。中間層6は、AlGaAs、SiN、または、AlGaN等の半導体、または、SiO2等の金属酸化物を使用し、CVD(化学気相成長)やスピンコーティングの技術を用いて、数十nmの厚さまで堆積する。
Then, as shown in FIG. 5B, the
次に、図5−3に示すように、中間層6の上に、ブロックポリマー層7を形成する。ブロックポリマー層7は、PS−PMMAを溶解した溶液を使用し、スピンコーティングの技術を用いて形成する。なお、ブロックポリマー層7中のPMMAに対するPSの分子量の比PS/PMMAは、4〜5.2程度である。
Next, as illustrated in FIG. 5C, the
次に、化合物半導体基板2、中間層6およびブロックポリマー層7から成る多層膜をアニール(熱処理)する。この場合、アニールの処理時間は8時間に設定し、アニールの処理温度は、化合物半導体基板2の中心部を100度、周縁部を70度に設定し、さらに、処理温度が中心から周縁側に向かうに従って徐々に下がるように設定する。このアニールにより、ブロックポリマー層7は、図5−4に示すようなPSマトリックス8中に複数のPMMA微粒子9が相分離しているブロックコポリマー層10に変化する。
Next, the multilayer film composed of the
ここで、ブロックコポリマー層10(化合物半導体基板2)の中心部に形成されたPMMA微粒子9の直径は、PMMA微粒子9の中で最も大きい。そして、PMMA微粒子9の直径は、ブロックコポリマー層10(化合物半導体基板2)の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さくなり、その周縁部に形成されたPMMA微粒子9の直径は、PMMA微粒子9の中で最も小さくなっている。
Here, the diameter of the PMMA
これは、化合物半導体基板2の中心部と周縁部との間で温度差を設けてアニールすることにより、PMMA微粒子9のサイズを異ならせてブロックコポリマー層10中に析出させたためである。温度が高い部分では、ブロックコポリマー層10中に析出されるPMMA微粒子9のサイズは大きくなり、温度が低い部分では、ブロックコポリマー層10中に析出されるPMMA微粒子9のサイズは小さくなる。このように、ブロックポリマー層7に加える熱の温度を変化させることにより、相分離するPMMA微粒子9のサイズを変更させることが可能である。
This is because the PMMA
次に、ブロックコポリマー層10の一部をエッチングにより除去する。このエッチングには酸素ガスが使用されるが、PSの方がPMMAよりエッチングレートが低いため、PMMA微粒子9が選択的にエッチングされる。この結果、ブロックコポリマー層10は、PMMA微粒子9が存在していた箇所に、PMMA微粒子9と同サイズ(数十nm)のホールパターン11を有するPSのみで形成されたPS多孔質層12となる。図5−5は、ブロックコポリマー層10の一部がエッチングにより除去され、PS多孔質層12となった後の断面図である。
Next, a part of the
次に、PS多孔質層12をエッチングマスクとして、中間層6をエッチングする。このエッチングには、フッ化物ガス使用され、エッチングの結果、中間層6には、複数の数十nmのホールパターン13が形成される。そして、図5−6に示すように、化合物半導体基板2の上面の一部が、ホールパターン13により露出した状態となる。
Next, the
次に、図5−7に示すように、露出した部分の化合物半導体基板2上に、半導体量子ドット3を形成する。半導体量子ドット3は、MBE(分子線エピタキシー)、または、MOCVD(有機金属気相成長)の技術を用いることにより、選択的に成長する。半導体量子ドット3は、III−V族元素を含む半導体を使用し、例えば、InAs、InGaAs、または、GaNを使用するが、InP、InN、AlGaAs、AlGaN、または、InGaNのいずれでも使用することができる。
Next, as shown in FIGS. 5-7,
この工程で形成された半導体量子ドット3は、その直径がホールパターン13のサイズと同じとなり、化合物半導体基板2の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さくなる。また、その高さは化合物半導体基板2の位置に関係なくほぼ一定となる。この理由を説明する。
The
通常、半導体量子ドット3の形成時には、化合物半導体基板2の温度分布や、半導体量子ドット3の原料の流量分布等の理由により、化合物半導体基板2の中央部の方が、その周縁部より半導体量子ドット3の原料が多く堆積する。よって従来例のように、化合物半導体基板2上に形成するホールパターン13のサイズをすべて同じにすると、化合物半導体基板2の中心部に形成される従来の半導体量子ドット5の高さが高くなり、その周縁部に形成される従来の半導体量子ドット5の高さが低くなってしまう。
Usually, at the time of forming the
これに対し、本実施の形態では、半導体量子ドット3の原料の堆積量が多い中心部のホールパターン13のサイズを大きくし、原料の堆積量が少ない周縁部のホールパターン13のサイズを小さくすることにより、半導体量子ドット3の高さを化合物半導体基板2の全体でほぼ一定とすることを可能にしている。
In contrast, in the present embodiment, the size of the
例えば、従来の形成方法で、GaNからなる従来の半導体量子ドット5を成長させた場合、化合物半導体基板2の中心部〜周縁部にかけて、従来の半導体量子ドット5の直径分布は、約19.9nm〜15.0nmであり、その高さ分布は、約1.1nm〜0.7nmとなる。これに対し、本実施の形態にかかる形成方法で、GaNからなる半導体量子ドット3を同じ条件で成長させた場合、化合物半導体基板2の中心部〜周縁部にかけて、半導体量子ドット3の直径分布は、約19.9nm〜10nmであり、その高さ分布は、約1.1nmでほぼ一定となる。この時のPMMA微粒子9の直径は、化合物半導体基板2の中心部で約19.9nm、周縁部で約10nmであり、成長した半導体量子ドット3の直径と同じであることがわかる。
For example, when a conventional
また、従来の形成方法で、InAsからなる従来の半導体量子ドット5を成長させた場合、化合物半導体基板2の中心部〜周縁部にかけて、従来の半導体量子ドット5の直径分布は、約40nm〜31nmであり、その高さ分布は、約10nm〜7nmとなる。これに対し、本実施の形態にかかる形成方法で、InAsからなる半導体量子ドット3を同じ条件で成長させた場合、化合物半導体基板2の中心部〜周縁部にかけて、半導体量子ドット3の直径分布は、約40nm〜20nmであり、高さ分布は、約10nmでほぼ一定となる。この時のPMMA微粒子9の直径は、化合物半導体基板2の中心部で約40nm、周縁部で約20nmであり、成長した半導体量子ドット3の直径と同じであることがわかる。
Further, when the conventional
半導体量子ドット3の形成後、図5−8に示すように、中間層6の残り全てをドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去することにより、半導体量子ドット素子1が完成する。なお、図5−8の状態が、図1および図2の状態に相当する。
After the
この後さらに、図5−9に示すように、半導体量子ドット3の周囲を半導体量子ドット3とは異なる種類の半導体14で埋め込むと、半導体量子ドット3と半導体14とからなる層が半導体量子ドット活性層15となり、半導体量子ドットレーザ等へ応用することが可能となる。半導体14は、例えば、GaAsまたはAlNを使用するが、InGaAs、InP、AlGaAs、GaN、AlGaN、または、InGaNのいずれでも使用することができる。
Thereafter, as shown in FIG. 5-9, when the periphery of the
本実施の形態では、化合物半導体基板2、中間層6およびブロックポリマー層7から成る多層膜をアニールし、ブロックポリマー層7をブロックコポリマー層10に変化させる工程での処理温度については、化合物半導体基板2の中心部〜周縁部までの温度が100度〜70度に徐々に変化するように設定している。この処理温度が低いとPMMA微粒子9が相分離せず、反対に、処理温度が高いとPMMA微粒子9の形が崩れてしまうため、周縁部の温度に対して中心部の温度を1.1〜1.5倍の範囲で変化させることが望ましい。
In the present embodiment, the processing temperature in the step of annealing the multilayer film composed of the
このように、第1の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子によれば、半導体量子ドットを形成するための中間層のホールパターンのサイズを制御することにより、化合物半導体基板上に形成される複数の半導体量子ドットの高さを均一に制御できるので、半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御することが可能となる。 Thus, according to the semiconductor quantum dot device according to the first embodiment, a plurality of semiconductor quantum dots formed on the compound semiconductor substrate by controlling the size of the hole pattern of the intermediate layer for forming the semiconductor quantum dots. Since the height of the semiconductor quantum dots can be controlled uniformly, the band gap of the semiconductor quantum dots can be controlled over a wide range.
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を半導体レーザに適用したものである。図6は、第1の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を使用した半導体レーザの断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. In the present embodiment, the semiconductor quantum dot device according to the first embodiment is applied to a semiconductor laser. FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor laser using the semiconductor quantum dot device according to the first embodiment.
半導体レーザ20は、AuGe/Ni/Au電極30、n型GaAs基板40、n型GaAs成長層50、n型Al0.3Ga0.7As成長層60、GaAs成長層70、InAs量子ドット素子活性層80、GaAs成長層90、p型Al0.3Ga0.7As成長層100、p型GaAs成長層110、SiO2120、ポリイミド130、および、Ti/Pt/Au電極140からなる。
The
ここで、GaAs成長層70は、第1の実施の形態における化合物半導体基板2に相当し、InAs量子ドット素子活性層80は、第1の実施の形態における半導体量子ドット活性層15に相当する。そして、InAs量子ドット素子活性層80は、第1の実施の形態における半導体量子ドット3と同じ構造であるInAsで形成された半導体量子ドット81と、第1の実施の形態における半導体14と同じ構造であるGaAsまたはAlNで形成された半導体82とからなる。従って、GaAs成長層70とInAs量子ドット素子活性層80とで構成される部分は、第1の実施の形態における半導体量子ドット素子1と半導体14とで構成される部分に相当し、第1の実施の形態と同じ方法で作製される。
Here, the
半導体レーザ20は、以下の様に作製される。初めに、清浄化したn型GaAs基板40上に、厚さ500nmのn型GaAs成長層50、厚さ1500nmのn型Al0.3Ga0.7As成長層60、および、厚さ150nmのGaAs成長層70を、MOCVD法で順次積層する。ここで、n型GaAs成長層50、および、n型Al0.3Ga0.7As成長層60のドーピング濃度は、それぞれ、2×1018cm−3、1×1019cm−3とする。
The
次に、GaAs成長層70上に、InAs量子ドット素子活性層80を、第1の実施の形態における半導体量子ドット素子活性層15と同じ方法で積層する。
Next, the InAs quantum dot device
さらに、InAs量子ドット素子活性層80上に、厚さ150nmのGaAs成長層90、厚さ2000nmのp型Al0.3Ga0.7As成長層100、および、厚さ100nmのp型GaAs成長層110を、MOCVD法で順次積層する。ここで、p型Al0.3Ga0.7As成長層100、および、p型GaAs成長層110のドーピング濃度は、ともに5×1018cm−3とする。
Furthermore, on the InAs quantum dot device
上記工程を経た後、p型Al0.3Ga0.7As成長層100、および、p型GaAs成長層110を削り、幅が3〜40μmのリッジを作成する。さらに、SiO2120、および、ポリイミド130の塗布と、ストライプのパターニングの工程を行う。その後、Ti/Pt/Au電極140の蒸着、加熱を行い合金化する。また、Ti/Pt/Au電極140と反対側の面は、研磨した後にAuGe/Ni/Au電極30の蒸着、加熱を行い合金化する。最後に、完成した素子をストライプの方向と直行する方向にへきかいして共振器を作成し、半導体レーザ20を作製する。
After the above steps, the p-type Al 0.3 Ga 0.7 As
本実施の形態にかかる半導体レーザは、半導体量子ドットをGaAsまたはAlN等の半導体層で埋め込むデバイス構造をとることで、面内における均一性の高い量子ドットによる高効率な反転分布を形成し、均一な発光および低閾値でのレーザ発振が可能となる。 The semiconductor laser according to the present embodiment has a device structure in which the semiconductor quantum dots are embedded with a semiconductor layer such as GaAs or AlN, thereby forming a highly efficient inversion distribution with highly uniform quantum dots in the surface, and uniform Light emission and laser oscillation at a low threshold are possible.
このように、第2の実施の形態にかかる半導体レーザによれば、半導体量子ドット活性層の半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御することができるので、発光効率を高くすることが可能となる。 As described above, according to the semiconductor laser according to the second embodiment, the band gap of the semiconductor quantum dots of the semiconductor quantum dot active layer can be controlled over a wide range, so that the light emission efficiency can be increased. .
なお、第2の実施の形態では、第1の実施の形態にかかる半導体量子ドット素子を半導体レーザに適用したが、同じく、半導体量子ドットのバンドギャップを制御することで高効率化が可能となる光スイッチ、光増幅器、または、光検出器に適用してもよい。 In the second embodiment, the semiconductor quantum dot device according to the first embodiment is applied to the semiconductor laser. Similarly, the efficiency can be increased by controlling the band gap of the semiconductor quantum dot. You may apply to an optical switch, an optical amplifier, or a photodetector.
本発明は、半導体量子ドット素子の半導体量子ドットのバンドギャップを広範囲に制御することが要求されるあらゆる半導体量子ドットデバイスに有効である。 The present invention is effective for any semiconductor quantum dot device that is required to control the band gap of the semiconductor quantum dots of the semiconductor quantum dot device over a wide range.
1 半導体量子ドット素子
2 化合物半導体基板
3、81 半導体量子ドット
4 従来の半導体量子ドット素子
5 従来の半導体量子ドット
6 中間層
7 ブロックポリマー層
8 PSマトリックス
9 PMMA微粒子
10 ブロックコポリマー層
11、13 ホールパターン
12 PS多孔質層
14、82 半導体
15 半導体量子ドット活性層
20 半導体レーザ
30 AuGe/Ni/Au電極
40 n型GaAs基板
50 n型GaAs成長層
60 n型Al0.3Ga0.7As成長層
70、90 GaAs成長層
80 InAs量子ドット素子活性層
100 p型Al0.3Ga0.7As成長層
110 p型GaAs成長層
120 SiO2
130 ポリイミド
140 Ti/Pt/Au電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor
Claims (14)
前記化合物半導体基板上に形成された複数の半導体量子ドットと、を備え、
前記複数の半導体量子ドットは、直径が前記化合物半導体基板の中心から周縁側に向かうに従って徐々に小さく高さがほぼ一定に形成されていること、
を特徴とする半導体量子ドット素子。 A compound semiconductor substrate;
A plurality of semiconductor quantum dots formed on the compound semiconductor substrate,
The plurality of semiconductor quantum dots are formed such that the diameter gradually decreases from the center of the compound semiconductor substrate toward the peripheral side, and the height is substantially constant.
A semiconductor quantum dot device.
を特徴とする請求項1に記載の半導体量子ドット素子。 The plurality of semiconductor quantum dots are formed on the compound semiconductor substrate at substantially constant intervals;
The semiconductor quantum dot device according to claim 1.
を特徴とする請求項1または2に記載の半導体量子ドット素子。 Further, a semiconductor of a different type from the plurality of semiconductor quantum dots is embedded around the plurality of semiconductor quantum dots,
The semiconductor quantum dot device according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子。 The compound semiconductor substrate is one of GaAs, InGaAs, InP, AlGaAs, GaN, AlN, AlGaN, or InGaN;
The semiconductor quantum dot device according to any one of claims 1 to 3.
を特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子。 The semiconductor quantum dot is any one of InAs, InGaAs, InP, InN, AlGaAs, GaN, AlGaN, or InGaN.
The semiconductor quantum dot device according to any one of claims 1 to 4, wherein:
前記中間層上に、前記化合物半導体基板の中心から周縁側に向かうに従って直径が徐々に小さくなる微細な複数のホールパターンを有するマスク層を作製するマスク層作製工程と、
前記マスク層をマスクとして、ドライエッチングにより前記中間層をエッチングし、前記微細な複数のホールパターンに対応する部分の前記化合物半導体基板を露出させるエッチング工程と、
前記エッチング工程により露出した部分の前記化合物半導体基板上に、複数の半導体量子ドットを選択的に自己形成する自己形成工程と、を含むこと、
を特徴とする半導体量子ドット素子の形成方法。 An intermediate layer forming step of forming an intermediate layer on the compound semiconductor substrate;
On the intermediate layer, a mask layer manufacturing step of manufacturing a mask layer having a plurality of fine hole patterns whose diameter gradually decreases from the center of the compound semiconductor substrate toward the peripheral side;
Etching the intermediate layer by dry etching using the mask layer as a mask to expose a portion of the compound semiconductor substrate corresponding to the plurality of fine hole patterns;
A self-forming step of selectively self-forming a plurality of semiconductor quantum dots on the compound semiconductor substrate in a portion exposed by the etching step,
A method for forming a semiconductor quantum dot device.
前記中間層上に、ポリスチレンおよびポリメチルメタクリレートを用いて合成されたブロックポリマーから成るマスク層を塗布する塗布工程と、
前記マスク層を加熱し、前記ポリスチレンを層状に、前記ポリメチルメタクリレートを微粒子状に、それぞれ相分離させる相分離工程と、
前記相分離工程での前記加熱時の温度分布を利用して、相分離する前記ポリメチルメタクリレートの直径を一定の割合で変化させる直径変化工程と、
ドライエッチングにより前記マスク層をエッチングし、前記微細な複数のホールパターンを形成するホールパターン形成工程と、を含むこと、
を特徴とする請求項6に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。 The mask manufacturing process includes
On the intermediate layer, an application step of applying a mask layer made of a block polymer synthesized using polystyrene and polymethyl methacrylate;
A phase separation step in which the mask layer is heated, and the polystyrene is layered and the polymethyl methacrylate is finely divided;
Using the temperature distribution during heating in the phase separation step, a diameter changing step for changing the diameter of the polymethyl methacrylate to be phase-separated at a constant rate;
Etching the mask layer by dry etching to form the plurality of fine hole patterns, and a hole pattern forming step,
A method for forming a semiconductor quantum dot device according to claim 6.
を特徴とする請求項7に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。 The temperature at which the mask layer is heated in the phase separation step is centered from the peripheral side of the compound semiconductor substrate so that the central portion is 1.1 to 1.5 times the peripheral portion of the compound semiconductor substrate. Gradually changing
A method for forming a semiconductor quantum dot device according to claim 7.
を特徴とする請求項8に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。 The diameter of the polymethyl methacrylate fine particles to be phase-separated in the phase separation step is 1.1 to 1.5 times the central portion of the peripheral portion of the compound semiconductor substrate, and from the peripheral side of the compound semiconductor substrate. Gradually changing towards the center,
The method of forming a semiconductor quantum dot device according to claim 8.
を特徴とする請求項6〜9のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。 The fine hole patterns of the mask layer produced in the mask layer production step are provided on the intermediate layer at substantially constant intervals;
The method for forming a semiconductor quantum dot device according to any one of claims 6 to 9.
を特徴とする請求項6〜10のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。 Further comprising an intermediate layer removing step of removing the intermediate layer on the compound semiconductor substrate after the self-forming step;
The method of forming a semiconductor quantum dot device according to any one of claims 6 to 10.
を特徴とする請求項11に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。 A semiconductor embedding step of embedding a semiconductor of a type different from the plurality of semiconductor quantum dots around the plurality of semiconductor quantum dots after the intermediate layer removing step;
The method of forming a semiconductor quantum dot device according to claim 11.
を特徴とする請求項6〜12のいずれか一項に記載の半導体量子ドット素子の形成方法。 The intermediate layer is formed of a semiconductor such as AlGaAs, SiN, or AlGaN, or a metal oxide such as SiO 2 ;
The method of forming a semiconductor quantum dot device according to any one of claims 6 to 12.
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