JP2009231601A

JP2009231601A - 量子ドットの形成方法

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Publication number: JP2009231601A
Application number: JP2008076306A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Sawato; 義規沢渡; Katsumi Yoshizawa; 勝美吉沢
Original assignee: Pioneer Electronic Corp; Pioneer Micro Technology Corp
Current assignee: Pioneer Corp; Pioneer Micro Technology Corp
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】ＧａＡｓ層上に形成されるＩｎＡｓ量子ドットのサイズを適切に制御する。
【解決手段】量子ドットの形成方法は、基板（１１０）上にＧａＡｓを含んでなる第１半導体層（１２０）を形成する第１形成工程と、基板の基板温度を摂氏４８０度及び摂氏５３０度の間の温度にした後に、第１半導体層の上に、Ｉｎ及びＡｓを夫々照射して、ＩｎＡｓを含んでなる第２半導体層（１３０）を形成する第２形成工程とを備える。第２形成工程において、第２半導体層の成長速度を０．０２ＭＬ／ｓ及び０．１ＭＬ／ｓの間の成長速度とし、第２半導体層の成長量を１．２ＭＬ及び２．５ＭＬの間の成長量とすることにより、第２半導体層の第１半導体層と対向しない側の面（１３０ａ）にＩｎＡｓを含んでなる量子ドット（１３１）を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えばＧａＡｓ等のIII−Ｖ族化合物半導体上に、例えばＩｎＡｓ等のIII−Ｖ族化合物からなる量子ドットを形成する量子ドットの形成方法の技術分野に関する。

この種の形成方法として、例えば、ＩｎＧａＡｓ層上に、ＩｎＡｓからなる量子ドットを形成する際の成長温度を、摂氏４７０度〜５４０度の範囲を選択することによって、ドット密度を５倍以上調節する技術が提案されている（特許文献１参照）。或いは、ＡｌＧａＳｂ化合物半導体上に、Ｉｎ分子線及びＡｓ分子線を照射して、ＩｎＡｓ量子ドットを成長させて形成する技術が提案されている。ここでは特に、基板の温度を約摂氏５００度、Ａｓ分子線の照射量を約５．５×１０^−７Ｔｏｒｒとすることによって、波長約１．３μｍ（マイクロメートル）及び１．５５μｍの発光をする量子ドットを形成する技術が提案されている（特許文献２参照）。

或いは、基板温度摂氏５２０度、圧力６．６５×１０^−４Ｐａにおいて、ＧａＡｓからなるクラッド層に、Ａｓ及びＩｎを照射し、ＩｎＡｓ膜を１．９ＭＬ（モノレイヤー）まで結晶成長させグレインを形成する。その後、Ｉｎを間欠照射することによって、直径３０〜６５ｎｍ（ナノメートル）のＩｎＡｓからなる量子ドットを形成する技術が提案されている（特許文献３参照）。

或いは、ＧａＡｓ層上にＡｓ_２を供給しながら成長中断を６０秒入れた後、Ｉｎ及びＡｓ_２を供給して、ＩｎＡｓ量子ドットを形成する技術が提案されている。ここでは特に、ＩｎＡｓの成長速度を０．１ＭＬ／ｓ（モノレイヤー／秒）、成長温度を摂氏５２０度とすることによって、量子ドットの表面密度を１．１×１０^１１ｃｍ^−２とする技術が提案されている（特許文献４参照）。或いは、ＩｎＧａＡｓＰ層上にＩｎＡｓからなる量子ドットを形成する際の成長温度を、摂氏４５０度以下にすることによって、量子ドットの横方向のサイズを２５ｎｍ以下まで縮小する技術が提案されている（特許文献５参照）。

特開２００４−５２８７０５号公報特開２００５−９３５５３号公報特開２００６−２６９８８６号公報特開２００７−５３３２２号公報特開２００７−１５７９７５号公報

しかしながら、上述の背景技術によれば、量子ドットのサイズを適切に制御することが困難であるという技術的問題点がある。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、量子ドットのサイズを適切に制御することができる量子ドットの形成方法を提供することを課題とする。

本発明の量子ドットの形成方法は、上記課題を解決するために、基板上にＧａＡｓを含んでなる第１半導体層を形成する第１形成工程と、前記基板の基板温度を摂氏４８０度及び摂氏５３０度の間の温度にした後に、前記第１半導体層の上に、Ｉｎ及びＡｓを夫々照射して、ＩｎＡｓを含んでなる第２半導体層を形成する第２形成工程とを備え、前記第２形成工程において、前記第２半導体層の成長速度を０．０２ＭＬ／ｓ及び０．１ＭＬ／ｓの間の成長速度とし、前記第２半導体層の成長量を１．２ＭＬ及び２．５ＭＬの間の成長量とすることにより、前記第２半導体層の前記第１半導体層と対向しない側の面にＩｎＡｓを含んでなる量子ドットを形成する。

本発明の量子ドットの形成方法によれば、例えば分子線エピタキシャル（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）成長装置内に、例えばＧａＡｓ等からなる基板を設置した後に、第１形成工程において、基板上にＧａ及びＡｓを夫々照射することによって、基板上にＧａＡｓを含んでなる第１半導体層をエピタキシャル成長させて形成する。

第２形成工程において、基板温度を摂氏４８０度及び摂氏５３０度の間の温度にした後に、第１半導体層の上に、Ｉｎ及びＡｓを夫々照射して、ＩｎＡｓを含んでなる第２半導体層を形成する。ここに、「摂氏４８０度及び摂氏５３０度の間の温度」とは、摂氏４８０度以上、摂氏５３０度以下の所定の温度を意味する。この所定の温度は、所望する量子ドットのサイズに応じて決定される。

第２形成工程では、第２半導体層の成長速度が０．０２ＭＬ／ｓ及び０．１ＭＬ／ｓの間の成長速度となるように、例えばＭＢＥ成長装置における蒸発源内のＩｎの温度等が設定されると共に、第２半導体層の成長量が１．２ＭＬ及び２．５ＭＬの間の成長量となるように、Ｉｎ及びＡｓが夫々照射されることにより、第２半導体層の第１半導体層と対向しない側の面（即ち、第２半導体層の上面）に、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットが自己組織化成長によって形成される。尚、「０．０２ＭＬ／ｓ及び０．１ＭＬ／ｓの間の成長速度」とは、０．０２ＭＬ／ｓ以上、０．１ＭＬ／ｓ以下の所定の成長速度を意味する。また、「１．２ＭＬ及び２．５ＭＬの間の成長量」とは、１．２ＭＬ以上、２．５ＭＬ以下の所定の成長量を意味する。これらの所定の成長速度及び所定の成長量は、所望する量子ドットのサイズに応じて決定される。

一般的に、量子ドットは、例えば半導体レーザの活性領域に用いられている（所謂、量子ドットレーザ）。量子ドットレーザに用いられる量子ドットの形成方法では、量子ドットの密度及びサイズの均一さに主眼が置かれている。他方で、近接した量子ドット間における近接場光を介したエネルギー移動を適用する、量子ドットを用いる光論理回路の実現が期待されている。光論理回路では、量子ドットのサイズ、及び近接する量子ドット各々のサイズの比が重要となる。従って、光論理回路の実現には、量子ドットのサイズを適切に制御可能な量子ドットの形成方法が求められるが、量子ドットレーザに用いられる量子ドットの形成方法では、量子ドットのサイズを適切に制御することが困難であることが判明している。

しかるに本発明では、第２形成工程における基板温度及び成長量を決定すれば、所望するサイズの量子ドットが形成される。言い換えれば、第２形成工程における基板温度及び成長量を決定すれば、量子ドットのサイズを適切に制御することができる。

本発明の量子ドットの形成方法の一態様では、前記形成される量子ドットの直径は、２０ｎｍ乃至６０ｎｍであり、前記形成される量子ドットの高さは、１５ｎｍ以下である。

この態様によれば、形成される量子ドットの直径は２０ｎｍ乃至６０ｎｍであり、高さは１５ｎｍ以下であるので、該形成される量子ドット内に電子等がトラップされることにより量子理論的効果が発現される。従って、比較的容易にして、例えば光論理回路、量子ドットレーザ等に適用可能な量子ドットを形成することができる。

本発明の作用及びその他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。

以下、本発明に係る量子ドットの形成方法の実施形態を図１乃至図１０を参照して説明する。尚、以下の図では、各層・各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、該各層・各部材毎に縮尺を異ならしめてある。

図１に示すように、ＭＢＥ成長装置２００の成長室２０１内における基板回転加熱機構２１１上に、ＧａＡｓ基板１１０が設置される。ここに、図１は、本実施形態に係る形成方法の工程の一部を示す工程図である。尚、図１では、ＭＢＥ成長装置２００の詳細な部材については適宜省略し、直接関連のある部材のみを示している。

次に、成長室２０１内を、例えば１×１０^−９Ｔｏｒｒ以下にした後に、ＧａＡｓ基板１１０に対し、蒸発源２１４からＡｓを、例えば約１×１０^−５Ｔｏｒｒの照射量で照射する。Ａｓ照射下において、基板回転加熱機構２１１によって、ＧａＡｓ基板１１０の基板温度を、例えば摂氏６００度程度に加熱して、ＧａＡｓ基板１１０の表面を清浄にする。

次に、基板温度を、例えば摂氏５６０度にした後に、ＧａＡｓ基板１１０に対し、蒸発源２１４及び２１２から夫々Ａｓ及びＧａを、例えば約１０分間照射して、図２に示すように、ＧａＡｓ基板１１０の（００１）面上に、本発明に係る「第１半導体層」の一例としてのＧａＡｓバッファ層１２０を形成する。ここで、Ａｓ及びＧａ各々の照射量は、例えばＧａＡｓバッファ層１２０が１ＭＬ／ｓ程度の成長速度で成長可能な照射量として設定される。形成されたＧａＡｓ層の厚さは、例えば約１５０ｎｍである。尚、図２は、図１の工程に続く工程を示す工程図である。以降の図においては、ＭＢＥ成長装置２００に係る部材ついては図示を省略する。

次に、基板温度を摂氏４８０度及び摂氏５３０度の間の温度にした後に、ＧａＡｓバッファ層１２０上に、蒸発源２１４及び２１３から夫々Ａｓ及びＩｎを照射して、図３に示すように、ＧａＡｓバッファ層１２０上に、本発明に係る「第２半導体層」の一例としてのＩｎＡｓ層１３０を形成する。ここで、Ａｓ及びＩｎ各々の照射量は、ＩｎＡｓ層１３０が０．０２ＭＬ／ｓ及び０．１ＭＬ／ｓの間の成長速度で成長可能な照射量として設定される。尚、図３は、図２の工程に続く工程を示す工程図である。

ＩｎＡｓ層１３０の成長に伴い、ＩｎＡｓ層１３０の上面１３０ａに、ＩｎＡｓを含んでなる複数の量子ドット１３１が自己組織化成長により形成される。ＩｎＡｓ層１３０の成長量を１．２ＭＬ及び２．５ＭＬの間の成長量とすることによって、直径２０ｎｍ乃至６０ｎｍ、高さ１５ｎｍ以下の量子ドット１３１を形成することができる。尚、本実施形態に係る「上面１３０ａ」は、本発明に係る「第２半導体層の第１半導体層と対向しない側の面」の一例である。

ここで、ＩｎＡｓ層１３０を形成する際の、成長速度、基板温度及びＩｎＡｓ層１３０の成長量について、図５乃至図１０を参照して説明を加える。ここに、図５は、成長速度を０．０４ＭＬ／ｓとした場合における基板温度及び量子ドットの直径の関係をＩｎＡｓ層１３０の成長量毎に示す実験値の一例であり、図６は、成長速度を０．０４ＭＬ／ｓとした場合における基板温度及び量子ドットの高さの関係をＩｎＡｓ層１３０の成長量毎に示す実験値の一例である。尚、図５及び図６においては、便宜上、記号が相互に重ならないように、基板温度をずらして示している。また、以降の図において、図中の記号に付されている縦線は誤差を示している。

成長速度が決定（又は固定）されることにより得られる図５及び図６に示すように、基板温度及びＩｎＡｓ層１３０の成長量が決定されれば、形成される量子ドット１３１の直径及び高さを適切に決定することができる。言い換えれば、所望する量子ドットの直径及び高さから、基板温度及びＩｎＡｓ層１３０の成長量を夫々決定することができる。

図５及び図６を用いて、所望する量子ドットの直径及び高さから、基板温度及びＩｎＡｓ層１３０の成長量を夫々決定する場合、先ず、例えば所望する量子ドットの直径及び高さを形成可能な基板温度の範囲を特定する。次に、該特定された基板温度の範囲内において基板温度を決定する。

ここで、例えば基板温度を摂氏５２０度と決定した場合、次に、図７及び図８に示すような、決定された基板温度における量子ドットの直径又は高さとＩｎＡｓ層１３０の成長量との関係から、所望する量子ドットの直径及び高さを形成可能な成長量を決定する。ここに、図７は、基板温度を摂氏５２０度とした場合のＩｎＡｓ層１３０の成長量及び量子ドットの直径の関係を示す実験値の一例であり、図８は、基板温度を摂氏５２０度とした場合のＩｎＡｓ層１３０の成長量及び量子ドットの高さの関係を示す実験値の一例である。尚、成長量は、例えば量子ドット１３１を含む半導体装置全体のサイズ、製造コスト等に応じて決定すればよい。

或いは、上述の如く、最初に成長速度が決定（又は固定）されることに代えて、基板温度及びＩｎＡｓ層１３０の成長量が決定された後に、図９及び図１０に示すような、量子ドットの直径又は高さと成長速度との関係から、所望する量子ドットの直径及び高さを形成可能な成長速度を決定してもよい。ここに、図９は、基板温度摂氏５００度、成長量２．０ＭＬとした場合における成長速度及び量子ドットの直径の関係を示す実験値の一例であり、図１０は、基板温度摂氏５００度、成長量２．０ＭＬとした場合における成長速度及び量子ドットの高さの関係を示す実験値の一例である。

量子ドット１３１が形成された後に、ＩｎＡｓ層１３０上に、蒸発源２１４及び２１３から夫々Ａｓ及びＧａを照射することにより、図４に示すように、ＧａＡｓ被覆層１４０を形成する。ここに、図４は、図３の工程に続く工程を示す工程図である。尚、このＧａＡｓ被覆層１４０上に、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットを上述の方法で形成し、更に、該量子ドットを上述の如くＧａＡｓにより被覆することを繰り返すことによって、ＩｎＡｓを含んでなる量子ドットを多層化してもよい。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う量子ドットの形成方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の実施形態に係る形成方法の工程の一部を示す工程図である。図１の工程に続く工程を示す工程図である。図２の工程に続く工程を示す工程図である。図３の工程に続く工程を示す工程図である。成長速度を０．０４ＭＬ／ｓとした場合における基板温度及び量子ドットの直径の関係をＩｎＡｓ層の成長量毎に示す実験値の一例である。成長速度を０．０４ＭＬ／ｓとした場合における基板温度及び量子ドットの高さの関係をＩｎＡｓ層の成長量毎に示す実験値の一例である。基板温度を摂氏５２０度とした場合のＩｎＡｓ層の成長量及び量子ドットの直径の関係を示す実験値の一例である。基板温度を摂氏５２０度とした場合のＩｎＡｓ層の成長量及び量子ドットの高さの関係を示す実験値の一例である。基板温度摂氏５００度、成長量２．０ＭＬとした場合における成長速度及び量子ドットの直径の関係を示す実験値の一例である。基板温度摂氏５００度、成長量２．０ＭＬとした場合における成長速度及び量子ドットの高さの関係を示す実験値の一例である。

符号の説明

１１０…ＧａＡｓ基板、１２０…ＧａＡｓバッファ層、１３０…ＩｎＡｓ層、１３１…量子ドット、１４０…ＧａＡｓ被覆層、２００…ＭＢＥ成長装置、２１１…基板回転加熱機構、２１２、２１３、２１４…蒸発源

Claims

基板上にＧａＡｓを含んでなる第１半導体層を形成する第１形成工程と、
前記基板の基板温度を摂氏４８０度及び摂氏５３０度の間の温度にした後に、前記第１半導体層の上に、Ｉｎ及びＡｓを夫々照射して、ＩｎＡｓを含んでなる第２半導体層を形成する第２形成工程と
を備え、
前記第２形成工程において、前記第２半導体層の成長速度を０．０２ＭＬ／ｓ及び０．１ＭＬ／ｓの間の成長速度とし、前記第２半導体層の成長量を１．２ＭＬ及び２．５ＭＬの間の成長量とすることにより、前記第２半導体層の前記第１半導体層と対向しない側の面にＩｎＡｓを含んでなる量子ドットを形成する
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。
前記形成される量子ドットの直径は、２０ｎｍ乃至６０ｎｍであり、前記形成される量子ドットの高さは、１５ｎｍ以下であ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。