JP2013008925A - Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2013008925A
JP2013008925A JP2011142057A JP2011142057A JP2013008925A JP 2013008925 A JP2013008925 A JP 2013008925A JP 2011142057 A JP2011142057 A JP 2011142057A JP 2011142057 A JP2011142057 A JP 2011142057A JP 2013008925 A JP2013008925 A JP 2013008925A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
quantum dots
molecular beam
single crystal
crystal substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011142057A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5772290B2 (en
Inventor
Yoshiaki Nakada
義昭 中田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2011142057A priority Critical patent/JP5772290B2/en
Publication of JP2013008925A publication Critical patent/JP2013008925A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5772290B2 publication Critical patent/JP5772290B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing technology of a semiconductor device for a longer emission wavelength from a quantum dot while suppressing occurrence of a misfit dislocation.SOLUTION: A single crystal substrate is mounted in a chamber, and a quantum dot containing In and As is formed on the single crystal substrate by molecular beam epitaxy. A first annealing is performed in the chamber by radiating at least Asmolecular beam to the quantum dot.

Description

本発明は、量子ドットを含む半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including quantum dots and the semiconductor device.

化合物半導体基板上に、格子整合しない化合物半導体をヘテロエピタキシャル成長させると、成長初期にS−K(ストランスキ・クラスタノフ)モード成長が出現する。S−Kモード成長を利用することにより、下地表面に離散的に分布する微細な結晶(量子ドット)を形成することができる。例えば、GaAs基板上に、InAs組成が50%程度のInGaAsを数分子層、分子線エピタキシ(MBE)により成長させると、直径30〜40nm程度のInGaAsの量子ドットが形成される。   When a compound semiconductor that is not lattice-matched is heteroepitaxially grown on a compound semiconductor substrate, SK (Stranceki / Kanonov) mode growth appears in the early stage of growth. By utilizing SK mode growth, fine crystals (quantum dots) distributed discretely on the underlying surface can be formed. For example, when InGaAs having an InAs composition of about 50% is grown on a GaAs substrate by several molecular layers and molecular beam epitaxy (MBE), InGaAs quantum dots with a diameter of about 30 to 40 nm are formed.

S−Kモード成長を利用することにより、リソグラフィ等による加工プロセスを用いた場合に比べて、簡便に量子ドットを形成することができる。さらに、S−Kモード成長を利用する場合には、加工プロセスを実行する必要がないため、加工時に導入され得る欠陥等のない高品質な量子ドットを得ることができる。   By utilizing SK mode growth, quantum dots can be easily formed as compared with the case where a processing process such as lithography is used. Furthermore, when SK mode growth is used, since it is not necessary to execute a processing process, it is possible to obtain high-quality quantum dots free from defects that can be introduced during processing.

GaAs基板上に、通常のMBEによりInAs量子ドットを形成した光素子の発光波長は、1.1〜1.2μm程度である。波長1.3μm帯の通信用の光素子に、量子ドット素子を適用する場合には、発光波長を長波長化しなければならない。InAs量子ドットを、InAs組成が20%程度で厚さが数nmのInGaAs層(歪緩和層)で覆うことにより、発光波長を長波長化できることが知られている。   The emission wavelength of an optical element in which InAs quantum dots are formed on a GaAs substrate by ordinary MBE is about 1.1 to 1.2 μm. When a quantum dot device is applied to a communication optical device having a wavelength of 1.3 μm, the emission wavelength must be increased. It is known that the emission wavelength can be increased by covering the InAs quantum dots with an InGaAs layer (strain relaxation layer) having an InAs composition of about 20% and a thickness of several nanometers.

InAs量子ドットを形成した後、アンチモン照射等を行うことにより、巨大ドット構造等の結晶欠陥の発生を抑制し、量子ドットの結晶性を向上させる技術が知られている。   A technique is known in which after formation of InAs quantum dots, antimony irradiation or the like is performed, thereby suppressing the generation of crystal defects such as a giant dot structure and improving the crystallinity of the quantum dots.

特開2009−176821号公報JP 2009-176821 A

D. Leonard et al.: Appl. Phys. Lett., Vol. 63, No. 23, pp. 3203-3205 (1993)D. Leonard et al .: Appl. Phys. Lett., Vol. 63, No. 23, pp. 3203-3205 (1993) K. Nishi et al.: Appl. Phys. Lett., Vol. 74 (1999), p. 1111K. Nishi et al .: Appl. Phys. Lett., Vol. 74 (1999), p. 1111

歪緩和層は、基板と格子整合しないため、歪緩和層を配置しない場合に比べて、エピタキシャル層内に蓄積される歪が大きくなる。特に、量子ドットと歪緩和層とを積層する繰り返し回数を増やすと、ミスフィット転位が発生しやすくなる。ミスフィット転位の発生を抑制するために、量子ドットと歪緩和層とを積層する繰り返し回数の上限は、例えば10回程度に制限される。   Since the strain relaxation layer does not lattice match with the substrate, the strain accumulated in the epitaxial layer becomes larger than when the strain relaxation layer is not disposed. In particular, when the number of repetitions of stacking the quantum dots and the strain relaxation layer is increased, misfit dislocations are likely to occur. In order to suppress the occurrence of misfit dislocations, the upper limit of the number of repetitions of stacking the quantum dots and the strain relaxation layer is limited to about 10 times, for example.

ミスフィット転位の発生を抑制しつつ、量子ドットからの発光波長を長波長化することができる半導体装置の製造技術が望まれている。   There is a demand for a technology for manufacturing a semiconductor device that can increase the emission wavelength from a quantum dot while suppressing the occurrence of misfit dislocations.

本発明の一観点によると、
チャンバ内に単結晶基板を装填し、前記単結晶基板上に、分子線エピタキシにより、In及びAsを含む量子ドットを形成する工程と、
前記チャンバ内で、前記量子ドットに、少なくともAs分子線を照射しながら第1アニールを行う工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
Loading a single crystal substrate into the chamber and forming quantum dots containing In and As on the single crystal substrate by molecular beam epitaxy;
In the chamber, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device including a step of performing a first annealing while irradiating the quantum dots with at least an As 2 molecular beam.

本発明の他の観点によると、
単結晶基板の上に、面内分布密度が5×1010cm−2以上になるように分布し、各々の高さが6nm〜8nmの範囲内である複数の量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように、前記単結晶基板の上に形成され、前記量子ドットよりもバンドギャップが大きく、前記単結晶基板の格子定数と前記量子ドットの格子定数との中間の格子定数を有する半導体材料からなる歪緩和層と
を有する半導体装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
A plurality of quantum dots distributed on the single crystal substrate so that the in-plane distribution density is 5 × 10 10 cm −2 or more, and each height is in the range of 6 nm to 8 nm;
It is formed on the single crystal substrate so as to cover the quantum dots, has a larger band gap than the quantum dots, and has an intermediate lattice constant between the lattice constant of the single crystal substrate and the lattice constant of the quantum dots. A semiconductor device having a strain relaxation layer made of a semiconductor material is provided.

第1アニールを行うことにより、量子ドットの寸法の減少を抑制することができる。これにより、発光波長の短波長化が抑制される。   By performing the first annealing, it is possible to suppress a decrease in the size of the quantum dots. Thereby, shortening of the emission wavelength is suppressed.

実施例による方法で用いられるMBE装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an MBE apparatus used in a method according to an embodiment. クラッカーセルの概略図である。It is the schematic of a cracker cell. 実施例による製造方法で適用される基板温度、及び原料供給装置のシャッタの開閉を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows opening / closing of the substrate temperature applied with the manufacturing method by an Example, and the shutter of a raw material supply apparatus. (4A)〜(4D)は、実施例による製造方法で製造される半導体装置の、製造途中段階における断面図である。FIGS. 4A to 4D are cross-sectional views of a semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to the embodiment in the middle of manufacturing. FIGS. (4E)〜(4F)は、実施例による製造方法で製造される半導体装置の、製造途中段階における断面図であり、(4G)は、製造された半導体装置の断面図である。(4E) to (4F) are cross-sectional views of the semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to the embodiment in the middle of manufacturing, and (4G) is a cross-sectional view of the manufactured semiconductor device. (5A)は、実施李及び比較例による方法で製造した試料のPLスペクトルを示すグラフであり、(5B)は、歪緩和層のInAsの組成比を異ならせ、量子ドット形成後のアニール条件を異ならせて製造した試料のPL波長を示すグラフである。(5A) is a graph showing a PL spectrum of a sample produced by the method according to the implementation example and the comparative example, and (5B) shows the annealing conditions after forming the quantum dots by varying the composition ratio of InAs in the strain relaxation layer. It is a graph which shows PL wavelength of the sample manufactured by making it differ. (6A)は、量子ドット形成後のAFM写真であり、(6B)は、量子ドットをGaAs層で覆った後の断面TEM写真であり、(6C)は、量子ドット形成後に、AsとSbの分子線照射アニールを行った後のAM写真である。(6A) is an AFM photograph after quantum dots are formed, (6B) is a cross-sectional TEM photograph after the quantum dots are covered with a GaAs layer, and (6C) is As 2 and Sb after the quantum dots are formed. It is AM photograph after performing molecular beam irradiation annealing. (7A)は、実施例による方法で作製した量子ドットの近傍のSb及びInの原子濃度の測定結果を示すグラフであり、(7B)は、測定箇所を示す概略断面図である。(7A) is a graph showing the measurement results of the atomic concentrations of Sb and In in the vicinity of the quantum dots produced by the method according to the example, and (7B) is a schematic cross-sectional view showing the measurement location. (8A)及び(8B)は、実施例による半導体製造方法を用いて製造したレーザダイオードの断面図である。(8A) and (8B) are cross-sectional views of laser diodes manufactured using the semiconductor manufacturing method according to the example.

図1に、実施例による製造方法で用いられるMBE装置の概略図を示す。チャンバ10内にステージ11が収容されている。チャンバ10内が、排気管14を介して真空排気される。ステージ11に、基板28が保持される。ステージ11内にヒータ16が配置されており、基板28を加熱することができる。温度測定器13が、基板28の温度を測定し、測定結果が制御装置25に入力される。温度測定器13には、例えば放射温度計(パイロメータ)が用いられる。また、ヒータ16は、制御装置25により制御される。   FIG. 1 shows a schematic diagram of an MBE apparatus used in a manufacturing method according to an embodiment. A stage 11 is accommodated in the chamber 10. The inside of the chamber 10 is evacuated through the exhaust pipe 14. A substrate 28 is held on the stage 11. A heater 16 is disposed in the stage 11 so that the substrate 28 can be heated. The temperature measuring device 13 measures the temperature of the substrate 28, and the measurement result is input to the control device 25. For the temperature measuring device 13, for example, a radiation thermometer (pyrometer) is used. The heater 16 is controlled by the control device 25.

ステージ11に対向する位置に原料供給装置20が取り付けられている。原料供給装置20は、As、As、Sb、Ga、Inごとに準備される。As、Sb、Ga、Inの原料供給装置20には、例えばクヌードセンセル(Kセル)が用いられる。Asの原料供給装置20には、クラッカーセルが用いられる。供給量制御部21が、制御装置25からの指令を受けて各Kセル及びクラッカーセルの温度を制御することにより、原料ごとに供給量を変化させることができる。 A raw material supply device 20 is attached at a position facing the stage 11. The raw material supply device 20 is prepared for each of As 2 , As 4 , Sb, Ga, and In. For example, a Knudsen cell (K cell) is used for the As 4 , Sb, Ga, and In raw material supply apparatus 20. A cracker cell is used for the As 2 raw material supply apparatus 20. The supply amount control unit 21 can change the supply amount for each raw material by receiving a command from the control device 25 and controlling the temperature of each K cell and cracker cell.

原料供給装置20から見てステージ11の後方にビーム強度計12が配置されている。ビーム強度計12には、例えば電離真空計が用いられる。ビーム強度計12は、ステージ11をビーム経路から退避させた状態で、分子線のビーム強度を測定することができる。ビーム強度計12による測定結果が制御装置25に入力される。分子線のビーム強度は、等価圧力に換算することができる。   A beam intensity meter 12 is disposed behind the stage 11 when viewed from the raw material supply device 20. For the beam intensity meter 12, for example, an ionization vacuum gauge is used. The beam intensity meter 12 can measure the beam intensity of the molecular beam with the stage 11 retracted from the beam path. A measurement result by the beam intensity meter 12 is input to the control device 25. The beam intensity of the molecular beam can be converted into an equivalent pressure.

チャンバ10に、反射高速電子回折(RHEED)測定器15が取り付けられている。RHEED測定器15は、電子銃15A及び回折ビーム検出器15Bを含む。RHEED用電子銃15Aは、基板28に電子ビームを入射させる。基板28で回折された電子ビームが、検出器15Bにより検出される。検出結果が制御装置25に入力される。   A reflection high energy electron diffraction (RHEED) measuring instrument 15 is attached to the chamber 10. The RHEED measuring instrument 15 includes an electron gun 15A and a diffracted beam detector 15B. The RHEED electron gun 15 </ b> A causes an electron beam to enter the substrate 28. The electron beam diffracted by the substrate 28 is detected by the detector 15B. The detection result is input to the control device 25.

図2に、As用クラッカーセルの概略図を示す。原料貯蔵部30内に、金属砒素31が貯蔵されている。ヒータ32で加熱されて金属砒素31が昇華し、As分子が生成される。As分子は、輸送チューブ33を通ってクラッキング部35まで輸送される。輸送チューブ33内にもヒータ34が配置されている。 In FIG. 2, the schematic of the cracker cell for As 2 is shown. A metal arsenide 31 is stored in the raw material storage unit 30. Heated by the heater 32, the metal arsenic 31 is sublimated and As 4 molecules are generated. As 4 molecules are transported to the cracking section 35 through the transport tube 33. A heater 34 is also arranged in the transport tube 33.

クラッキング部35に配置されたヒータ36が、As分子を加熱する。As分子が加熱されることにより、クラッキングされ、As分子となって、チャンバ10(図1)内に放出される。 A heater 36 disposed in the cracking unit 35 heats As 4 molecules. When As 4 molecules are heated, they are cracked and become As 2 molecules that are released into the chamber 10 (FIG. 1).

図3、図4A〜図4Gを参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。   With reference to FIGS. 3 and 4A to 4G, a method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment will be described.

図3に、基板温度、及び原料供給装置20の各々のシャッタの開閉のタイミングチャートを示す。図3の横軸は、経過時間tを表す。なお、図3において、横軸方向の長さは、実際の時間の長さに対応していない。図3は、以下の製造方法の説明中で、適宜参照される。   FIG. 3 shows a timing chart of the opening and closing of each shutter of the substrate temperature and the raw material supply apparatus 20. The horizontal axis in FIG. 3 represents the elapsed time t. In FIG. 3, the length in the horizontal axis direction does not correspond to the actual length of time. FIG. 3 is appropriately referred to in the following description of the manufacturing method.

図4Aに示した単結晶基板28を、チャンバ10内のステージ11(図1)によって保持する。単結晶基板28には、例えば(100)面のGaAs基板が用いられる。Asの原料供給装置20のシャッタ(以下、単に「Asのシャッタ」という。他の原料供給装置20のシャッタについても同様とする。)を開け、基板温度をT1まで上昇させる。As分子線の強度は、基板表面からのAsの脱離を抑止するために、例えば2.67×10−3Pa(2×10−5Torr)とする。温度T1は、例えば580℃である。この状態を維持することにより、基板28の表面に形成されていた酸化膜が消滅し、GaAsの清浄な表面が現れる。 The single crystal substrate 28 shown in FIG. 4A is held by the stage 11 (FIG. 1) in the chamber 10. As the single crystal substrate 28, for example, a (100) plane GaAs substrate is used. The shutter of the As 4 raw material supply apparatus 20 (hereinafter simply referred to as “As 4 shutter”; the same applies to the shutters of the other raw material supply apparatuses 20) is opened, and the substrate temperature is increased to T1. The intensity of the As 4 molecular beam is, for example, 2.67 × 10 −3 Pa (2 × 10 −5 Torr) in order to suppress As desorption from the substrate surface. The temperature T1 is, for example, 580 ° C. By maintaining this state, the oxide film formed on the surface of the substrate 28 disappears, and a clean surface of GaAs appears.

基板28の表面の酸化膜が除去されたことは、RHEEDの回折像を観測することにより検知することができる。基板28の表面に酸化膜が残存している状態では、ブロードな回折像が現れる。清浄なGaAs表面が現れると、(100)結晶面に対応したシャープなスポット像またはストリーク像が現れる。   The removal of the oxide film on the surface of the substrate 28 can be detected by observing the RHEED diffraction image. In the state where the oxide film remains on the surface of the substrate 28, a broad diffraction image appears. When a clean GaAs surface appears, a sharp spot image or streak image corresponding to the (100) crystal plane appears.

清浄なGaAs表面が現れた後、基板温度を約20℃昇温させ、数分間維持した後、再度、温度T1まで降下させる。   After the clean GaAs surface appears, the substrate temperature is raised by about 20 ° C., maintained for several minutes, and then lowered to the temperature T1 again.

基板温度がT1まで降下した時刻t2において、Gaのシャッタを開ける。As分子線の強度は、2.67×10−3Paに維持されており、Ga分子線の強度は、1.33×10−5Pa(1×10−7Torr)とする。この条件で、GaAsの成長速度は約0.8μm/hである。Gaのシャッタを開けてから30分後の時刻t3に、Gaのシャッタを閉じる。これにより、厚さ40nmのGaAsバッファ層40が形成される。 At time t2 when the substrate temperature drops to T1, the Ga shutter is opened. The intensity of As 4 molecular beam is maintained at 2.67 × 10 −3 Pa, and the intensity of Ga molecular beam is 1.33 × 10 −5 Pa (1 × 10 −7 Torr). Under this condition, the growth rate of GaAs is about 0.8 μm / h. The Ga shutter is closed at time t3, 30 minutes after the Ga shutter is opened. Thereby, a GaAs buffer layer 40 having a thickness of 40 nm is formed.

時刻t3からt4の間に、基板温度をT1からT2まで低下させる。温度T2は、例えば500℃である。このとき、Asのシャッタは開けたままとする。 Between times t3 and t4, the substrate temperature is decreased from T1 to T2. The temperature T2 is 500 ° C., for example. At this time, the shutter of As 4 is kept open.

図4Bに示すように、時刻t4からt5までの間に、InAs量子ドット42を形成する。以下、時刻t4からt5までの工程について説明する。   As shown in FIG. 4B, InAs quantum dots 42 are formed between times t4 and t5. Hereinafter, steps from time t4 to t5 will be described.

時刻t4において、As分子線の強度を1.07×10−3Pa(8×10−6Torr)まで下げ、Inのシャッタを開ける。Inの分子線の強度は、5.33×10−6Pa(4×10−8Torr)とする。この条件で、InAsの成長速度は、約0.05分子層/sである。時刻t4から約30秒が経過するまでの間は、ストリーク状のRHEED回折像が観測される。これは、基板表面が平坦であり、InAsの濡れ層41が均一に形成されていることを意味する。 At time t4, the intensity of the As 4 molecular beam is lowered to 1.07 × 10 −3 Pa (8 × 10 −6 Torr), and the In shutter is opened. The intensity of the molecular beam of In is 5.33 × 10 −6 Pa (4 × 10 −8 Torr). Under these conditions, the growth rate of InAs is about 0.05 molecular layer / s. A streak-like RHEED diffraction image is observed until about 30 seconds elapse from time t4. This means that the substrate surface is flat and the InAs wetting layer 41 is uniformly formed.

さらに成長を続けると、RHEED回折像がスポット状に変化する。これは、離散的に分布する量子ドット42が形成され始めたことを意味する。RHEED回折像がスポット状に変化してからさらに20秒程度、成長を継続した後、時刻t5においてInのシャッタを閉じる。これにより、InAs量子ドット42が形成される。量子ドット42と濡れ層41とを合わせて、量子ドット層43ということとする。   When the growth is further continued, the RHEED diffraction image changes in a spot shape. This means that quantum dots 42 that are discretely distributed have begun to be formed. After continuing the growth for about 20 seconds after the RHEED diffraction image changes to a spot shape, the In shutter is closed at time t5. Thereby, InAs quantum dots 42 are formed. The quantum dot 42 and the wetting layer 41 are collectively referred to as a quantum dot layer 43.

なお、量子ドット42を、In及びAsを含む他の化合物半導体で形成してもよい。例えば、InGaAsで量子ドット42を形成してもよい。   The quantum dots 42 may be formed of other compound semiconductors containing In and As. For example, the quantum dots 42 may be formed of InGaAs.

図4Cに示すように、時刻t5からt6までの間、As分子線及びSb分子線を、基板表面(量子ドット層43の表面)に照射しながら、基板温度T2でアニールを行う。アニール時間は、例えば約60秒間とする。以下、時刻t5からt6までの工程について説明する。 As shown in FIG. 4C, annealing is performed at the substrate temperature T2 while irradiating the As 2 molecular beam and the Sb molecular beam to the substrate surface (the surface of the quantum dot layer 43) from time t5 to t6. The annealing time is about 60 seconds, for example. Hereinafter, processes from time t5 to t6 will be described.

時刻t5において、Asのシャッタ及びInのシャッタを閉じ、Asのシャッタ及びSbのシャッタを開ける。これにより、基板に、As分子線及びSb分子線が照射される。As分子線の強度は、1.33×10−4Pa〜1.07×10−2Pa(1×10−6Torr〜8×10−5Torr)の範囲内とする。クラッキング部35(図2)の温度は、900℃とした。Sb分子線の強度は、6.67×10−6Pa〜6.67×10−5Pa(5×10−8Torr〜5×10−7Torr)の範囲内とする。 At time t5, the shutter of As 4 and the shutter of In are closed, and the shutter of As 2 and the shutter of Sb are opened. As a result, the substrate is irradiated with As 2 molecular beam and Sb molecular beam. The intensity of the As 2 molecular beam is in the range of 1.33 × 10 −4 Pa to 1.07 × 10 −2 Pa (1 × 10 −6 Torr to 8 × 10 −5 Torr). The temperature of the cracking part 35 (FIG. 2) was 900 degreeC. The intensity of the Sb molecular beam is in the range of 6.67 × 10 −6 Pa to 6.67 × 10 −5 Pa (5 × 10 −8 Torr to 5 × 10 −7 Torr).

基板にAs分子線を照射する場合には、As分子線を照射する場合に比べて、基板表面にAs原子が付着しやすい。従って、量子ドット層43の表面に、過剰なAs原子が付着する。さらに、SbはAsよりも、InAs表面に、付着しやすいため、量子ドット層43の表面にSbが残留する。これにより、量子ドット層43の表面に、As及びSbが過剰に付着した過剰付着層45が形成されると考えられる。 When the substrate is irradiated with an As 2 molecular beam, As atoms are more likely to adhere to the substrate surface than when an As 4 molecular beam is irradiated. Therefore, excessive As atoms adhere to the surface of the quantum dot layer 43. Furthermore, since Sb is more likely to adhere to the InAs surface than As, Sb remains on the surface of the quantum dot layer 43. Thereby, it is considered that an excessive adhesion layer 45 in which As and Sb are excessively adhered is formed on the surface of the quantum dot layer 43.

図4Dに示すように、時刻t6からt7の間に、量子ドット層43の上に、InGaAsからなる歪緩和層47を形成する。以下、時刻t6からt7までの工程について説明する。   As shown in FIG. 4D, a strain relaxation layer 47 made of InGaAs is formed on the quantum dot layer 43 between times t6 and t7. Hereinafter, processes from time t6 to time t7 will be described.

時刻t6において、Asのシャッタ及びSbのシャッタを閉じ、As、Ga、及びInのシャッタを開ける。InAsの成長速度が0.05μm/h、GaAsの成長速度が0.28μm/hになるように、As、Ga、及びInの分子線の強度を調整する。これにより、InAs組成が0.15のInGaAsが成長する。時刻t6から約55秒後の時刻t7において、Inのシャッタを閉じる。ここまでの工程で、InGaAsからなる厚さ5nmの歪緩和層47が形成される。歪緩和層47は、単結晶基板28の格子定数と、量子ドット42の格子定数との中間の格子定数を持つ。また、歪緩和層47のバンドギャップは、量子ドット42のバンドギャップより大きい。 At time t6, the shutter of As 2 and the shutter of Sb are closed, and the shutters of As 4 , Ga, and In are opened. The molecular beam intensities of As 4 , Ga, and In are adjusted so that the growth rate of InAs is 0.05 μm / h and the growth rate of GaAs is 0.28 μm / h. As a result, InGaAs with an InAs composition of 0.15 grows. At time t7, which is about 55 seconds after time t6, the In shutter is closed. Through the steps so far, the strain relaxation layer 47 made of InGaAs and having a thickness of 5 nm is formed. The strain relaxation layer 47 has an intermediate lattice constant between the lattice constant of the single crystal substrate 28 and the lattice constant of the quantum dots 42. Further, the band gap of the strain relaxation layer 47 is larger than the band gap of the quantum dots 42.

量子ドット層43の表面に過剰に付着していたAs及びSbは、歪緩和層47の表面に偏析すると考えられる。これにより、歪緩和層47の上に、As及びSbの過剰付着層45が残留する。   It is considered that As and Sb adhering excessively to the surface of the quantum dot layer 43 segregate on the surface of the strain relaxation layer 47. Thereby, the excessive adhesion layer 45 of As and Sb remains on the strain relaxation layer 47.

図4Eに示すように、時刻t7からt8の間に、歪緩和層47の上に、GaAsからなる第1障壁層50を形成する。第1障壁層50は、単結晶基板28に格子整合し、量子ドット42のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する。以下、時刻t7からt8までの工程について説明する。   As shown in FIG. 4E, the first barrier layer 50 made of GaAs is formed on the strain relaxation layer 47 between times t7 and t8. The first barrier layer 50 is lattice-matched to the single crystal substrate 28 and has a band gap larger than the band gap of the quantum dots 42. Hereinafter, processes from time t7 to t8 will be described.

時刻t7において、Inのシャッタを閉じることにより、GaAsが成長し始める。時刻t7から約1分後の時刻t8において、Gaのシャッタを閉じる。ここまでの工程で、GaAsからなる厚さ約5nmの第1障壁層50が形成される。   At time t7, GaAs starts to grow by closing the In shutter. At time t8, which is approximately one minute after time t7, the Ga shutter is closed. Through the steps so far, the first barrier layer 50 made of GaAs and having a thickness of about 5 nm is formed.

歪緩和層47の上に過剰に付着していたAs及びSbが、第1障壁層50の表面に偏析する。これにより、第1障壁層50の上に、As及びSbの過剰付着層45が残留する。   As and Sb adhering excessively on the strain relaxation layer 47 are segregated on the surface of the first barrier layer 50. As a result, the excess adhesion layer 45 of As and Sb remains on the first barrier layer 50.

図4Fに示すように、時刻t8からt10の間に、過剰付着層45のAs及びSbを除去するためのアニールを行う。以下、時刻t8からt10までの工程について説明する。   As shown in FIG. 4F, annealing for removing As and Sb of the excessive adhesion layer 45 is performed between time t8 and time t10. Hereinafter, processes from time t8 to time t10 will be described.

時刻t8において、Gaのシャッタを閉じた後、基板温度をT2からT3まで昇温させる。As分子線は基板に照射されたままである。温度T3は、例えば560℃である。時刻t9で基板温度がT3に達した後、時刻t10までの約1分間、温度T3でアニールを行う。これにより、第1障壁層50の表面に過剰に付着していたAs及びSbが除去され、過剰付着層45(図4E)が消失する。過剰なAs及びSbを除去するためには、このアニール工程の基板温度T3を、量子ドット層43を形成するときの基板温度T2よりも高くすることが好ましい。 At time t8, after closing the Ga shutter, the substrate temperature is raised from T2 to T3. The As 4 molecular beam remains irradiated on the substrate. The temperature T3 is, for example, 560 ° C. After the substrate temperature reaches T3 at time t9, annealing is performed at temperature T3 for about one minute until time t10. As a result, As and Sb that are excessively attached to the surface of the first barrier layer 50 are removed, and the excessively attached layer 45 (FIG. 4E) disappears. In order to remove excess As and Sb, it is preferable that the substrate temperature T3 in this annealing step is higher than the substrate temperature T2 when the quantum dot layer 43 is formed.

図4Gに示すように、時刻t10からt11までの間に、第1障壁層50の上に、第1障壁層50と同一の材料、すなわちGaAsからなる第2障壁層51を形成する。以下、時刻t10からt11までの工程について説明する。   As shown in FIG. 4G, a second barrier layer 51 made of the same material as the first barrier layer 50, that is, GaAs, is formed on the first barrier layer 50 between time t10 and time t11. Hereinafter, steps from time t10 to t11 will be described.

時刻t10において、Gaのシャッタを開ける。これにより、GaAsの成長が始まる。時刻t10から約21分が経過した時刻t11に、Gaのシャッタを閉じる。ここまでの工程で、GaAsからなる厚さ約98nmの第2障壁層51が形成される。   At time t10, the Ga shutter is opened. Thereby, the growth of GaAs starts. The Ga shutter is closed at time t11 when about 21 minutes have elapsed from time t10. Through the steps so far, the second barrier layer 51 made of GaAs and having a thickness of about 98 nm is formed.

必要に応じて、量子ドット層43、歪緩和層47、第1障壁層50、及び第2障壁層51からなる単位積層構造55を複数回積み重ねてもよい。   If necessary, the unit laminated structure 55 including the quantum dot layer 43, the strain relaxation layer 47, the first barrier layer 50, and the second barrier layer 51 may be stacked a plurality of times.

次に、図5A、図5Bを参照して、上記実施例の効果について説明する。   Next, effects of the above embodiment will be described with reference to FIGS. 5A and 5B.

図5Aに、上記実施例による方法で作製した試料からのフォトルミネッセンス(PL)スペクトルの測定結果を、比較例による方法で作製した試料と比較して示す。比較例による方法では、図4Cに示したアニール工程、図4Eに示した第1障壁層50の形成工程、及び図4Fに示した過剰付着層45除去のためのアニール工程が実施されない。なお、比較例による試料においては、図4Gに示した第2障壁層51の膜厚を100nmとした。   FIG. 5A shows the measurement result of the photoluminescence (PL) spectrum from the sample prepared by the method according to the above-described example in comparison with the sample manufactured by the method according to the comparative example. In the method according to the comparative example, the annealing process shown in FIG. 4C, the formation process of the first barrier layer 50 shown in FIG. 4E, and the annealing process for removing the excessive adhesion layer 45 shown in FIG. 4F are not performed. In the sample according to the comparative example, the thickness of the second barrier layer 51 shown in FIG. 4G was set to 100 nm.

図5Aの実線が、実施例による方法で作製した試料のPLスペクトルを示し、破線が、比較例による方法で作製した試料のPLスペクトルを示す。比較例による試料のPLピーク波長が約1.25μmであるのに対し、実施例による試料のPLピーク波長は約1.33μmであった。実施例による方法を適用することにより、PL波長が長波長化し、1.3μm帯の発光が得られていることがわかる。   The solid line in FIG. 5A shows the PL spectrum of the sample produced by the method according to the example, and the broken line shows the PL spectrum of the sample produced by the method according to the comparative example. The PL peak wavelength of the sample according to the comparative example was about 1.25 μm, whereas the PL peak wavelength of the sample according to the example was about 1.33 μm. By applying the method according to the example, it can be seen that the PL wavelength is increased and light emission in the 1.3 μm band is obtained.

比較例による方法で、1.33μm程度のPL波長を実現するためには、歪緩和層47のInAsの組成比を0.2程度にしなければならない。これに対し、実施例による方法では、歪緩和層47のInAsの組成比が0.15程度であっても、1.33μm程度のPL波長を実現することができた。歪緩和層47のInAsの組成比が小さいということは、その格子定数が、GaAs基板の格子定数に近いということである。このため、歪緩和層47内の歪量が小さくなる。   In order to realize a PL wavelength of about 1.33 μm by the method according to the comparative example, the InAs composition ratio of the strain relaxation layer 47 must be about 0.2. In contrast, in the method according to the example, even if the InAs composition ratio of the strain relaxation layer 47 is about 0.15, a PL wavelength of about 1.33 μm can be realized. The fact that the InAs composition ratio of the strain relaxation layer 47 is small means that its lattice constant is close to the lattice constant of the GaAs substrate. For this reason, the amount of strain in the strain relaxation layer 47 is reduced.

歪緩和層47内の歪量が大きくなると、単位積層構造55を積み重ねることができる積層数の上限が少なくなる。実施例においては、歪緩和層47内の歪量を小さくすることができるため、単位積層構造55の積み重ね数を多くすることが可能である。さらに、単位積層構造55を積み重ねたときのミスフィット転位の発生を抑制することができる。   As the amount of strain in the strain relaxation layer 47 increases, the upper limit of the number of stacks in which the unit stack structure 55 can be stacked decreases. In the embodiment, since the amount of strain in the strain relaxation layer 47 can be reduced, the number of stacked unit laminated structures 55 can be increased. Furthermore, generation | occurrence | production of the misfit dislocation when the unit laminated structure 55 is stacked can be suppressed.

図5Bに、歪緩和層47の組成が異なる複数の試料のPL波長の測定結果を示す。横軸は、InGaAs歪緩和層47のInAsの組成比を表し、縦軸はPL波長を単位「μm」で表す。図5B中の中空の丸記号、中空の三角記号、中実の四角記号、及び中実の三角記号は、それぞれ図4Cに示したアニール工程で照射する分子線を、As+Sb、As、As+Sb、及びAsとして作製した試料を示す。 FIG. 5B shows the measurement results of the PL wavelength of a plurality of samples having different compositions of the strain relaxation layer 47. The horizontal axis represents the InAs composition ratio of the InGaAs strain relaxation layer 47, and the vertical axis represents the PL wavelength in the unit of “μm”. In FIG. 5B, a hollow circle symbol, a hollow triangle symbol, a solid square symbol, and a solid triangle symbol indicate molecular beams irradiated in the annealing process shown in FIG. 4C, respectively, As 2 + Sb, As 2 , Samples prepared as As 4 + Sb and As 4 are shown.

歪緩和層47の組成を同一にした試料同士を比較すると、アニール工程で、As+Sb分子線を照射した試料のPL波長が最も長いことがわかる。アニール工程で、As分子線を照射した試料のPL波長が2番目に長く、As+Sb分子線を照射した試料のPL波長が3番目に長く、As分子線を照射した試料のPL波長が最も短い。 When samples having the same composition of the strain relaxation layer 47 are compared, it can be seen that the PL wavelength of the sample irradiated with the As 2 + Sb molecular beam is the longest in the annealing process. In the annealing process, the PL wavelength of the sample irradiated with As 2 molecular beam is the second longest, the PL wavelength of the sample irradiated with As 4 + Sb molecular beam is the third longest, and the PL wavelength of the sample irradiated with As 4 molecular beam Is the shortest.

この評価結果から分かるように、図4Cに示したアニール工程で照射する分子線を、成膜時等に用いたAs分子線からAs分子線に切り替えることにより、PL波長を長くすることができる。さらに、アニール工程で照射する分子線に、Sb分子線を含めることにより、PL波長を、より長くすることができる。 As can be seen from this evaluation result, the PL wavelength can be lengthened by switching the molecular beam irradiated in the annealing process shown in FIG. 4C from the As 4 molecular beam used during film formation to the As 2 molecular beam. it can. Furthermore, the PL wavelength can be made longer by including the Sb molecular beam in the molecular beam irradiated in the annealing step.

次に、図6A〜図6Cを参照して、上述の長波長化の効果が得られる理由について説明する。   Next, with reference to FIGS. 6A to 6C, the reason why the above-described effect of increasing the wavelength can be obtained will be described.

図6Aに、図4Bに示した量子ドット層43を形成した状態の原子間力顕微鏡(AFM)写真を示す。基板表面に点在する複数の量子ドットが観察される。量子ドットの高さは、6nm〜8nmであった。   FIG. 6A shows an atomic force microscope (AFM) photograph in a state where the quantum dot layer 43 shown in FIG. 4B is formed. A plurality of quantum dots scattered on the substrate surface are observed. The height of the quantum dots was 6 nm to 8 nm.

図6Bに、InAs量子ドット層の上にGaAs障壁層を形成した状態の1つの量子ドットの透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す。黒く表示された量子ドットの直下のGaAsバッファ層、及び直上のGaAs障壁層も、歪が内在することによってやや黒く表示されている。上方の黒色の領域と、下方の黒色領域との間の白い湾曲した領域が、量子ドットの表面に対応する。このTEM写真から、量子ドットの高さは3nm〜5nmであると見積もられる。   FIG. 6B shows a transmission electron microscope (TEM) photograph of one quantum dot in a state where a GaAs barrier layer is formed on the InAs quantum dot layer. The GaAs buffer layer immediately below the quantum dots displayed in black and the GaAs barrier layer immediately above are also displayed slightly black due to the inherent strain. The white curved area between the upper black area and the lower black area corresponds to the surface of the quantum dot. From this TEM photograph, the height of the quantum dots is estimated to be 3 nm to 5 nm.

GaAs障壁層を形成することによって、量子ドットの高さが、6nm〜8nmから3nm〜5nmまで低くなることがわかった。これは、GaAs障壁層の成膜中に、量子ドット中のInが障壁層内に偏析または拡散したためと考えられる。量子ドットの底面の直径は約20nmであり、その高さに比べて十分大きい。このため、PL波長は、量子ドットの高さに大きく依存する。量子ドットが低くなると、PL波長が短くなってしまう。   It has been found that the formation of the GaAs barrier layer reduces the height of the quantum dots from 6 nm to 8 nm to 3 nm to 5 nm. This is presumably because In in the quantum dots was segregated or diffused in the barrier layer during the formation of the GaAs barrier layer. The diameter of the bottom surface of the quantum dot is about 20 nm, which is sufficiently larger than its height. For this reason, the PL wavelength greatly depends on the height of the quantum dot. When the quantum dot is lowered, the PL wavelength is shortened.

図6Cに、図4Cに示したアニール後の表面のAFM写真を示す。アニール後においても、量子ドットの高さが6nm〜8nmに保たれていることが確認された。実施例による方法では、図4Dに示した歪緩和層47を形成する際に、過剰付着層45を構成するAs及びSbが、歪緩和層47の表面に偏析する。As及びSbの偏析係数は、Inの偏析係数より大きいため、As及びSbがInよりも優先的に偏析し、量子ドット中のInの偏析または拡散が抑制されると考えられる。これにより、量子ドットの高さの減少が防止される。   FIG. 6C shows an AFM photograph of the surface after annealing shown in FIG. 4C. Even after annealing, it was confirmed that the height of the quantum dots was maintained at 6 nm to 8 nm. In the method according to the embodiment, As and Sb constituting the excessive adhesion layer 45 are segregated on the surface of the strain relaxation layer 47 when the strain relaxation layer 47 shown in FIG. 4D is formed. Since the segregation coefficient of As and Sb is larger than the segregation coefficient of In, As and Sb are preferentially segregated over In, and it is considered that the segregation or diffusion of In in the quantum dots is suppressed. This prevents a decrease in quantum dot height.

量子ドット42が、InGaAs歪緩和層47(図4D)で被われてしまうと、量子ドット42は安定になる。このため、第1障壁層50(図4E)及び第2障壁層51(図4G)の成膜時には、Inの偏析は生じにくい。   If the quantum dots 42 are covered with the InGaAs strain relaxation layer 47 (FIG. 4D), the quantum dots 42 become stable. Therefore, segregation of In hardly occurs when the first barrier layer 50 (FIG. 4E) and the second barrier layer 51 (FIG. 4G) are formed.

実施例による方法では、量子ドットの高さを、6nm〜8nmに維持することができるため、図5Aに示した比較例に比べて、PL波長が長くなっていると考えられる。   In the method according to the example, the height of the quantum dot can be maintained at 6 nm to 8 nm, and thus it is considered that the PL wavelength is longer than that of the comparative example shown in FIG. 5A.

Sbが結晶内に残留すると、InSbやGaSbが生成される。InSb及びGaSbは、基板のGaAsに比べて格子定数が大きいため、歪源となる。また、Sbは、アンチサイト欠陥を生じさせやすい元素である。アンチサイト欠陥は、非発光センターとして作用する。従って、Sbを結晶内に残留させることは好ましくない。   When Sb remains in the crystal, InSb and GaSb are generated. InSb and GaSb are strain sources because they have a larger lattice constant than GaAs on the substrate. Sb is an element that easily causes antisite defects. Antisite defects act as non-luminescent centers. Therefore, it is not preferable to leave Sb in the crystal.

実施例においては、図4Fに示したように、Sb除去のためのアニールを行っている。このため、Sbに起因する素子特性の低下を抑制することができる。   In the embodiment, as shown in FIG. 4F, annealing for removing Sb is performed. For this reason, it is possible to suppress deterioration of element characteristics due to Sb.

図7Aに、残留Sbの濃度を測定した結果を示す。残留Sbの濃度測定は、図7Bに示すように、量子ドット42の中心を高さ方向に貫通する直線上で行った。図7Aの横軸は、高さ方向の位置を単位「nm」で表し、縦軸は、原子濃度を単位「原子%」で表す。図7A中の中空の丸記号がSb濃度を示す。比較のために、In濃度を中実の丸記号で示す。Sbは、量子ドット42の近傍に残留していないことがわかる。   FIG. 7A shows the result of measuring the concentration of residual Sb. The concentration measurement of residual Sb was performed on a straight line penetrating the center of the quantum dot 42 in the height direction, as shown in FIG. 7B. The horizontal axis of FIG. 7A represents the position in the height direction in the unit “nm”, and the vertical axis represents the atomic concentration in the unit “atomic%”. A hollow circle symbol in FIG. 7A indicates the Sb concentration. For comparison, the In concentration is indicated by a solid circle symbol. It can be seen that Sb does not remain in the vicinity of the quantum dots 42.

残留Sbが観測されないのは、図4Cの工程で、量子ドット42の表面に過剰に付着したSbが、図4D及び図4Eの工程で、それぞれ歪緩和層47及び第1障壁層50の表面に偏析し、図4Fの工程で除去されたためであると考えられる。   Residual Sb is not observed because Sb excessively attached to the surface of the quantum dots 42 in the step of FIG. 4C is formed on the surfaces of the strain relaxation layer 47 and the first barrier layer 50 in the steps of FIGS. 4D and 4E, respectively. It is thought that it is because it was segregated and removed in the process of FIG. 4F.

Sbを除去するためのアニールは、相対的に厚い第2障壁層51(図4G)を形成する前に、相対的に薄い第1障壁層50を形成した時点で行われる。このため、Sbを効率的に除去することができる。Sbを効率的に除去するために、第1障壁層50の厚さを10 nm以下にすることが好ましい。 Annealing for removing Sb is performed when the relatively thin first barrier layer 50 is formed before the relatively thick second barrier layer 51 (FIG. 4G) is formed. For this reason, Sb can be efficiently removed. In order to efficiently remove Sb, the thickness of the first barrier layer 50 is set to 10 It is preferable to make it nm or less.

第1障壁層50を形成する前に、すなわち歪緩和層47(図4D)を形成した直後に、Sb除去のためのアニールを行うと、歪緩和層47内のInの再蒸発起こる。これに伴って、量子ドット42内のInが歪緩和層47内に拡散しやすくなり、量子ドット42の高さが低くなってしまう。量子ドット42の高さが低下する現象を防止するために、歪緩和層47と第1障壁層50との合計の厚さを、量子ドット42の高さ以上にすることが好ましい。   If annealing for removing Sb is performed before the first barrier layer 50 is formed, that is, immediately after the strain relaxation layer 47 (FIG. 4D) is formed, In re-evaporation occurs in the strain relaxation layer 47. As a result, In in the quantum dots 42 is easily diffused into the strain relaxation layer 47, and the height of the quantum dots 42 is lowered. In order to prevent a phenomenon in which the height of the quantum dot 42 is lowered, it is preferable that the total thickness of the strain relaxation layer 47 and the first barrier layer 50 is equal to or greater than the height of the quantum dot 42.

上記実施例では、図4Cに示したアニール工程で、As及びSbの分子線を照射したが、As分子線のみを照射してもよい。As分子線のみを照射する場合にも、図5Bに示したように、PL波長の長波長化の効果が得られる。 In the above embodiment, the As 2 and Sb molecular beams were irradiated in the annealing step shown in FIG. 4C, but only the As 2 molecular beam may be irradiated. Even when only the As 2 molecular beam is irradiated, as shown in FIG. 5B, the effect of increasing the PL wavelength can be obtained.

図3の時刻t1〜t5、及びt6〜t11の間に、As分子線を基板に照射すると、チャンバ10(図1)の内壁や、チャンバ10内の種々の測定器に、Asが付着しやすくなる。従って、クリーニング等のメンテナンス周期を短くしなければならない。このため、時刻t1〜t5、及びt6〜t11の間には、As分子線ではなく、As分子線を基板に照射することが好ましい。 When the As 2 molecular beam is irradiated to the substrate between times t1 to t5 and t6 to t11 in FIG. 3, As is attached to the inner wall of the chamber 10 (FIG. 1) and various measuring instruments in the chamber 10. It becomes easy. Accordingly, the maintenance cycle such as cleaning must be shortened. For this reason, it is preferable to irradiate the substrate with As 4 molecular beam instead of As 2 molecular beam between times t1 to t5 and t6 to t11.

上記実施例では、図4Cの工程でアニールを行い、過剰なAs及びSbを量子ドット層43の表面に付着させることにより、量子ドット42の高さの減少を抑制した。量子ドットの成長速度を遅くすることによっても、量子ドットの寸法を大きくすることが可能である。ただし、成長速度を遅くすると、量子ドットの面内分布密度が低下してしまう。   In the above example, annealing was performed in the process of FIG. 4C to attach excess As and Sb to the surface of the quantum dot layer 43, thereby suppressing a decrease in the height of the quantum dots 42. It is also possible to increase the size of the quantum dots by slowing the growth rate of the quantum dots. However, if the growth rate is slowed, the in-plane distribution density of the quantum dots will decrease.

上記実施例による方法を適用することにより、量子ドットの高さの低下を抑制し、かつ量子ドットの面内分布密度の低下も抑制することができる。実施例による方法では、例えば、 面内分布密度が5×1010cm−2以上になり、かつ各々の量子ドットの高さが6nm〜8nmの範囲内である半導体装置を製造することが可能である。従来の方法を用いて量子ドットの高さを6nm〜8nmにすると、面内分布密度が5×1010cm−2よりも低くなってしまう。 By applying the method according to the above embodiment, it is possible to suppress the decrease in the height of the quantum dots and also suppress the decrease in the in-plane distribution density of the quantum dots. In the method according to the embodiment, for example, a semiconductor device in which the in-plane distribution density is 5 × 10 10 cm −2 or more and the height of each quantum dot is in the range of 6 nm to 8 nm can be manufactured. is there. When the height of the quantum dots is set to 6 nm to 8 nm using a conventional method, the in-plane distribution density is lower than 5 × 10 10 cm −2 .

図8A及び図8Bに、上記実施例による方法を用いて製造されるレーザダイオードの断面図を示す。図8Aは、レーザ光の伝搬方向に平行な断面図を示し、図8Bは、レーザ光の伝搬方向に垂直な断面図を示す。   8A and 8B are cross-sectional views of laser diodes manufactured using the method according to the above embodiment. FIG. 8A shows a cross-sectional view parallel to the propagation direction of laser light, and FIG. 8B shows a cross-sectional view perpendicular to the propagation direction of laser light.

以下、レーザダイオードの製造方法について説明する。(100)面が露出したn型GaAs基板60の上に、n型GaAsからなる厚さ400nm〜500nmのバッファ層61を形成する。バッファ層61の上に、n型AlGaAsからなる厚さ約1300nmの下側クラッド層62を形成する。下側クラッド層62の上に、n型GaAsからなる厚さ約10nmの下側導波層63を形成する。下側導波層63の上に、厚さ約20nmのアンドープGaAs層64を形成する。これらの層は、例えば基板温度580℃の条件で、MBEにより形成される。 Hereinafter, a method for manufacturing a laser diode will be described. A buffer layer 61 made of n + -type GaAs and having a thickness of 400 nm to 500 nm is formed on the n + -type GaAs substrate 60 with the (100) plane exposed. On the buffer layer 61, a lower cladding layer 62 made of n + type AlGaAs and having a thickness of about 1300 nm is formed. A lower waveguide layer 63 made of n-type GaAs and having a thickness of about 10 nm is formed on the lower cladding layer 62. An undoped GaAs layer 64 having a thickness of about 20 nm is formed on the lower waveguide layer 63. These layers are formed by MBE, for example, under the condition of a substrate temperature of 580 ° C.

アンドープGaAs層64の上に、活性層65を形成する。活性層65の形成は、図4Bに示した量子ドット層43の形成から図4Gに示した第2障壁層51の形成までの工程と同一である。なお、第2障壁層51の厚さは、例えば20nmに設定される。この工程を、合計で10回繰り返すことにより、活性層65が形成される。すなわち、活性層65は、図4Gに示した単位積層構造55を10層積み重ねることにより形成される。   An active layer 65 is formed on the undoped GaAs layer 64. The formation of the active layer 65 is the same as the process from the formation of the quantum dot layer 43 shown in FIG. 4B to the formation of the second barrier layer 51 shown in FIG. 4G. The thickness of the second barrier layer 51 is set to 20 nm, for example. By repeating this process 10 times in total, the active layer 65 is formed. That is, the active layer 65 is formed by stacking 10 unit laminated structures 55 shown in FIG. 4G.

活性層65の上に、厚さ約20nmのアンドープGaAs層66を形成する。アンドープGaAs層66の上に、p型GaAsからなる厚さ約20nmの上側導波層67を形成する。上側導波層67の上に、p型AlGaAsからなる厚さ約1300nmの上側クラッド層68を形成する。上側クラッド層68の上に、p型GaAsからなる厚さ約50nmのキャップ層69を形成する。これらの層は、基板温度580℃の条件で、MBEにより形成される。 On the active layer 65, an undoped GaAs layer 66 having a thickness of about 20 nm is formed. On the undoped GaAs layer 66, an upper waveguide layer 67 made of p-type GaAs and having a thickness of about 20 nm is formed. On the upper waveguide layer 67, an upper cladding layer 68 made of p + type AlGaAs and having a thickness of about 1300 nm is formed. On the upper cladding layer 68, a cap layer 69 made of p + -type GaAs and having a thickness of about 50 nm is formed. These layers are formed by MBE at a substrate temperature of 580 ° C.

図8Bに示すように、キャップ層69から下側クラッド層62までを、バッファ層61が露出するまでメサエッチングすることにより、メサ72を形成する。メサエッチング後、バッファ層61の表面、及びメサ72の表面を、SiNからなる保護膜70で覆う。この保護膜70に、電極を形成するための複数の開口を形成する。開口内に、バッファ層61の一部、及びキャップ層69の一部が露出する。開口内に露出したキャップ層69及びバッファ層61の上に、それぞれ電極71を形成する。電極形成後、基板60をレーザダイオードごとに個片化する。   As shown in FIG. 8B, mesa 72 is formed by performing mesa etching from the cap layer 69 to the lower cladding layer 62 until the buffer layer 61 is exposed. After the mesa etching, the surface of the buffer layer 61 and the surface of the mesa 72 are covered with a protective film 70 made of SiN. A plurality of openings for forming electrodes are formed in the protective film 70. A part of the buffer layer 61 and a part of the cap layer 69 are exposed in the opening. Electrodes 71 are formed on the cap layer 69 and the buffer layer 61 exposed in the openings. After the electrodes are formed, the substrate 60 is separated into individual laser diodes.

図8Aに示すように、一方の端面に高反射膜73を形成し、他方の端面に低反射膜74を形成する。これにより、1.3μm帯のレーザダイオードが完成する。活性層65の形成に、上記実施例による方法を適用するため、活性層65内のミスフィット転位の発生が抑制される。このため、高品質なレーザダイオードが得られる。   As shown in FIG. 8A, a high reflection film 73 is formed on one end face, and a low reflection film 74 is formed on the other end face. Thereby, a 1.3 μm band laser diode is completed. Since the method according to the above embodiment is applied to the formation of the active layer 65, the occurrence of misfit dislocations in the active layer 65 is suppressed. For this reason, a high-quality laser diode can be obtained.

なお、下側クラッド層62と下側導波層63との間に、回折格子を配置することにより、分布帰還型レーザダイオードを作製することもできる。また、図8Aに示した一対の端面の両方に、低反射膜を形成することにより、光増幅器とすることもできる。   A distributed feedback laser diode can also be fabricated by arranging a diffraction grating between the lower cladding layer 62 and the lower waveguide layer 63. Further, by forming a low reflection film on both of the pair of end faces shown in FIG. 8A, an optical amplifier can be obtained.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

10 チャンバ
11 ステージ
12 ビーム強度計
13 温度測定器
14 排気管
15 RHEED測定器
15A 電子銃
15B 検出器
16 ヒータ
20 原料供給装置
21 供給量制御部
25 制御装置
28 基板
30 原料貯蔵部
31 金属砒素
32 ヒータ
33 輸送チューブ
34 ヒータ
35 クラッキング部
36 ヒータ
40 バッファ層
41 濡れ層
42 量子ドット
43 量子ドット層
45 過剰付着層
47 歪緩和層
50 第1障壁層
51 第2障壁層
55 単位積層構造
60 GaAs基板
61 バッファ層
62 下側クラッド層
63 下側導波層
64 アンドープGaAs層
65 活性層
66 アンドープGaAs層
67 上側導波層
68 上側クラッド層
69 キャップ層
70 保護膜
71 電極
72 メサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Chamber 11 Stage 12 Beam intensity meter 13 Temperature measuring device 14 Exhaust pipe 15 RHEED measuring device 15A Electron gun 15B Detector 16 Heater 20 Raw material supply device 21 Supply amount control part 25 Control device 28 Substrate 30 Raw material storage part 31 Metal arsenic 32 Heater 33 Transport tube 34 Heater 35 Cracking portion 36 Heater 40 Buffer layer 41 Wetting layer 42 Quantum dot 43 Quantum dot layer 45 Excess adhesion layer 47 Strain relaxation layer 50 First barrier layer 51 Second barrier layer 55 Unit laminated structure 60 GaAs substrate 61 Buffer Layer 62 Lower cladding layer 63 Lower waveguide layer 64 Undoped GaAs layer 65 Active layer 66 Undoped GaAs layer 67 Upper waveguide layer 68 Upper cladding layer 69 Cap layer 70 Protective film 71 Electrode 72 Mesa

Claims (5)

チャンバ内に単結晶基板を装填し、前記単結晶基板上に、分子線エピタキシにより、In及びAsを含む量子ドットを形成する工程と、
前記チャンバ内で、前記量子ドットに、少なくともAs分子線を照射しながら第1アニールを行う工程と
を有する半導体装置の製造方法。
Loading a single crystal substrate into the chamber and forming quantum dots containing In and As on the single crystal substrate by molecular beam epitaxy;
And a first annealing step while irradiating the quantum dots with at least an As 2 molecular beam in the chamber.
前記第1アニールを行う工程において、さらに、Sb分子線を照射しながらアニールを行う請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of performing the first annealing, annealing is further performed while irradiating with Sb molecular beam. 前記量子ドットを形成する工程では、Asの原料としてAs分子線を、前記単結晶基板に照射する請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the quantum dots, the single crystal substrate is irradiated with an As 4 molecular beam as an As raw material. 前記第1のアニールの後、前記チャンバ内において、分子線エピタキシにより、前記量子ドットを覆うように、前記単結晶基板の上に、前記単結晶基板の格子定数と前記量子ドットの格子定数との中間の格子定数を持つ半導体からなる歪緩和層を形成する工程と、
前記歪緩和層の上に、前記単結晶基板に格子整合する半導体からなる第1障壁層を、分子線エピタキシにより形成する工程と、
前記第1障壁層を形成した後、前記第1障壁層にAs分子線を照射しながら、前記単結晶基板を昇温させて、第2アニールを行う工程と、
前記第2アニールの後、前記第1障壁層の上に、前記第1障壁層と同一の半導体材料からなる第2障壁層を、分子線エピタキシにより形成する工程と
を、さらに有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
After the first annealing, a lattice constant of the single crystal substrate and a lattice constant of the quantum dots are formed on the single crystal substrate so as to cover the quantum dots by molecular beam epitaxy in the chamber. Forming a strain relaxation layer made of a semiconductor having an intermediate lattice constant;
Forming a first barrier layer made of a semiconductor lattice-matched to the single crystal substrate on the strain relaxation layer by molecular beam epitaxy;
After forming the first barrier layer, heating the single crystal substrate while irradiating the first barrier layer with an As 4 molecular beam, and performing a second anneal;
2. The method according to claim 1, further comprising: forming a second barrier layer made of the same semiconductor material as the first barrier layer by molecular beam epitaxy on the first barrier layer after the second annealing. 4. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 3 above.
単結晶基板の上に、面内分布密度が5×1010cm−2以上になるように分布し、各々の高さが6nm〜8nmの範囲内である複数の量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように、前記単結晶基板の上に形成され、前記量子ドットよりもバンドギャップが大きく、前記単結晶基板の格子定数と前記量子ドットの格子定数との中間の格子定数を有する半導体材料からなる歪緩和層と
を有する半導体装置。
A plurality of quantum dots distributed on the single crystal substrate so that the in-plane distribution density is 5 × 10 10 cm −2 or more, and each height is in the range of 6 nm to 8 nm;
It is formed on the single crystal substrate so as to cover the quantum dots, has a larger band gap than the quantum dots, and has an intermediate lattice constant between the lattice constant of the single crystal substrate and the lattice constant of the quantum dots. A semiconductor device having a strain relaxation layer made of a semiconductor material.
JP2011142057A 2011-06-27 2011-06-27 Manufacturing method of semiconductor device Active JP5772290B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011142057A JP5772290B2 (en) 2011-06-27 2011-06-27 Manufacturing method of semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011142057A JP5772290B2 (en) 2011-06-27 2011-06-27 Manufacturing method of semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013008925A true JP2013008925A (en) 2013-01-10
JP5772290B2 JP5772290B2 (en) 2015-09-02

Family

ID=47676006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011142057A Active JP5772290B2 (en) 2011-06-27 2011-06-27 Manufacturing method of semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5772290B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014157994A (en) * 2013-02-18 2014-08-28 Asahi Kasei Corp Compound semiconductor laminate and manufacturing method of the same
JP2016127131A (en) * 2014-12-26 2016-07-11 富士通株式会社 Optical semiconductor device and method for manufacturing the same

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006005256A (en) * 2004-06-18 2006-01-05 Advanced Telecommunication Research Institute International Semiconductor device
JP2007035968A (en) * 2005-07-27 2007-02-08 Sharp Corp Method for manufacturing a compound semiconductor element
JP2007053322A (en) * 2004-08-26 2007-03-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Semiconductor light emitting device and its manufacturing method
JP2007335848A (en) * 2006-05-15 2007-12-27 Fujitsu Ltd Method for manufacturing semiconductor device
JP2009043887A (en) * 2007-08-08 2009-02-26 Fujitsu Ltd Manufacturing method of compound semiconductor device
JP2009231364A (en) * 2008-03-19 2009-10-08 Fujitsu Ltd Optical semiconductor device and infrared detector

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006005256A (en) * 2004-06-18 2006-01-05 Advanced Telecommunication Research Institute International Semiconductor device
JP2007053322A (en) * 2004-08-26 2007-03-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Semiconductor light emitting device and its manufacturing method
JP2007035968A (en) * 2005-07-27 2007-02-08 Sharp Corp Method for manufacturing a compound semiconductor element
JP2007335848A (en) * 2006-05-15 2007-12-27 Fujitsu Ltd Method for manufacturing semiconductor device
JP2009043887A (en) * 2007-08-08 2009-02-26 Fujitsu Ltd Manufacturing method of compound semiconductor device
JP2009231364A (en) * 2008-03-19 2009-10-08 Fujitsu Ltd Optical semiconductor device and infrared detector

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014157994A (en) * 2013-02-18 2014-08-28 Asahi Kasei Corp Compound semiconductor laminate and manufacturing method of the same
JP2016127131A (en) * 2014-12-26 2016-07-11 富士通株式会社 Optical semiconductor device and method for manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP5772290B2 (en) 2015-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4705079B2 (en) III-V / II-VI Semiconductor Interface Manufacturing Method
KR101209151B1 (en) Method for fabricating quantum dot and semiconductor structure containing quantum dot
JP5417694B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing epitaxial wafer
JPH0888345A (en) Semiconductor device utilizing three-dimensional quantum confinement
Yurasov et al. Impact of growth and annealing conditions on the parameters of Ge/Si (001) relaxed layers grown by molecular beam epitaxy
JP5772290B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
Lunin et al. Structure of Ge nanoclusters grown on Si (001) by ion beam crystallization
CN104409556A (en) Nitride composite-barrier quantum-well infrared detector and preparation method thereof
JP5685555B2 (en) Nitride semiconductor element, nitride semiconductor wafer, and method of manufacturing nitride semiconductor layer
US20130228745A1 (en) Nitride semiconductor device, nitride semiconductor wafer, and method for manufacturing nitride semiconductor layer
JP2006253414A (en) Method for forming semiconductor thin film on si substrate and its structure
Banerjee et al. Stranski–Krastanow growth of multilayer In (Ga) As/GaAs QDs onáGermanium substrate
WO2023173619A1 (en) Ordered semiconductor quantum dot preparation method and device
Curbelo et al. Capping of InAs quantum dots by migration enhanced epitaxy
Ikeda et al. Characterization of Ge films on Si (001) substrates grown by nanocontact epitaxy
JP6153224B2 (en) GaSb / InAs / Si (111) structure excellent in surface flatness and crystal structure perfectness, method for forming the same, and MOS device and infrared detection device using the structure
JP5163295B2 (en) Method of growing nitride semiconductor layer
Roy Characterization of Bismuth Containing Compounds
Hombu et al. Post-Growth Annealing and InGaSb Layer Insertion Effects on Metamorphic InAsSb on GaAs Substrate
Baidakova et al. Growth of light-emitting SiGe heterostructures on strained silicon-on-insulator substrates with a thin oxide layer
US20120119188A1 (en) Semiconductor apparatus manufacturing method and semiconductor apparatus
KR100721479B1 (en) Method for making low density compound semiconductor quantum dots by interrupting growth time
Tanoto et al. Growth of GaAs on (100) Ge and vicinal Ge surface by migration enhanced epitaxy
Chang et al. Selective-area growth of heavily n–doped GaAs nanostubs on Si (001) by molecular beam epitaxy
Priante Study of ultraviolet AlGaN nanowires light-emitting diodes

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140304

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20141225

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150127

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150306

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150602

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150615

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5772290

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150