JP2980175B2 - 量子ドット構造の製造方法及びそれを用いた半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
量子ドット構造の製造方法及びそれを用いた半導体発光素子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、次世代のデジタル
バーサタイルディスク（ＤＶＤ）等の高密度光ディスク
用光源、信号、照明等の用途で用いられるＡｌＧａＩｎ
Ｎ系発光素子に関する。
バーサタイルディスク（ＤＶＤ）等の高密度光ディスク
用光源、信号、照明等の用途で用いられるＡｌＧａＩｎ
Ｎ系発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、量子ドット構造（あるいは量子箱
構造とも呼ばれる）を活性層に用いた半導体発光素子の
研究が盛んに行われている。量子ドット構造では、キャ
リアの３次元的な閉じこめによる量子効果のため、電子
状態が離散化し、半導体レーザの低しきい値化、温度特
性の改善、変調特性・雑音特性の改善など多くの効果が
期待されている。
構造とも呼ばれる）を活性層に用いた半導体発光素子の
研究が盛んに行われている。量子ドット構造では、キャ
リアの３次元的な閉じこめによる量子効果のため、電子
状態が離散化し、半導体レーザの低しきい値化、温度特
性の改善、変調特性・雑音特性の改善など多くの効果が
期待されている。
【０００３】従来、量子ドット構造を実現する手段とし
て、電子線描画とエッチングを組み合わせた方法、Ｖ溝
基板上への成長を用いた方法などが試みられている。し
かし、微細構造を作製する技術的な困難さ等からあまり
良好な結果が得られていない。
て、電子線描画とエッチングを組み合わせた方法、Ｖ溝
基板上への成長を用いた方法などが試みられている。し
かし、微細構造を作製する技術的な困難さ等からあまり
良好な結果が得られていない。
【０００４】最近、上記の方法に代わり、鎌田らから以
下の文献に示すように自己形成的な量子ドット構造の作
製方法が報告されている（Ｈ．Ｋａｍａｄａ ｅｔ ａ
ｌ，１３ｔｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｒｅｃｏｒｄ ｏ
ｎ Ａｌｌｏｙ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｐ２５−
２６（１９９４））。自己形成量子ドット構造（自己形
成量子ディスクと呼ばれている）は、有機金属気相成長
法（ＭＯＶＰＥ法）による結晶成長において、ＡｌＧａ
Ａｓ下地結晶の上に、格子整合する組成からずれたＩｎ
ＧａＡｓ薄膜を成長し、その後待機時間を設けること
で、図５に示すように、ＩｎＧａＡｓ薄膜自身が表面エ
ネルギを最低化するようにディスク状に再変形する現象
である。
下の文献に示すように自己形成的な量子ドット構造の作
製方法が報告されている（Ｈ．Ｋａｍａｄａ ｅｔ ａ
ｌ，１３ｔｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｒｅｃｏｒｄ ｏ
ｎ Ａｌｌｏｙ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｐ２５−
２６（１９９４））。自己形成量子ドット構造（自己形
成量子ディスクと呼ばれている）は、有機金属気相成長
法（ＭＯＶＰＥ法）による結晶成長において、ＡｌＧａ
Ａｓ下地結晶の上に、格子整合する組成からずれたＩｎ
ＧａＡｓ薄膜を成長し、その後待機時間を設けること
で、図５に示すように、ＩｎＧａＡｓ薄膜自身が表面エ
ネルギを最低化するようにディスク状に再変形する現象
である。
【０００５】図５において、（３１１）Ｂ ＧａＡｓ基
板３７０上に、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓ層３６０、Ｉｎy Ｇ
ａ1-y Ａｓ層３５０、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓ層３４０、Ｉ
ｎyＧａ1-y Ａｓ層３３０、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓ層３２
０が順に形成され、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓ層３２０にＩｎ
z Ｇａ1-z Ａｓディスク３１０が作製されている。
板３７０上に、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓ層３６０、Ｉｎy Ｇ
ａ1-y Ａｓ層３５０、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓ層３４０、Ｉ
ｎyＧａ1-y Ａｓ層３３０、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓ層３２
０が順に形成され、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓ層３２０にＩｎ
z Ｇａ1-z Ａｓディスク３１０が作製されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、鎌田ら
の自己形成量子ディスクの作製方法には以下の問題があ
る。自己形成量子ディスク構造では、ＩｎＧａＡｓの格
子ずれによる表面エネルギの変調を利用して量子ドット
構造を作製する。このため、ドットサイズを大きく変化
させることが難しく、現状量子効果が得られる程度に十
分小さいドットは得られていない。また、ＩｎＧａＡｓ
の組成ずれでドットのサイズが決まるため、サイズと組
成を独立に制御することが原理的に困難である。また、
ＩｎＧａＡｓがエネルギの大きいＡｌＧａＡｓで埋め込
まれた図５に示すような最終的な量子ドットの構造を作
製するためには、ＩｎＧａＡｓドットがＡｌＧａＡｓ層
の下に潜り込むマストランスポートという特殊な現象を
用いる。このため、工程が複雑で高度な制御性を必要と
する問題がある。
の自己形成量子ディスクの作製方法には以下の問題があ
る。自己形成量子ディスク構造では、ＩｎＧａＡｓの格
子ずれによる表面エネルギの変調を利用して量子ドット
構造を作製する。このため、ドットサイズを大きく変化
させることが難しく、現状量子効果が得られる程度に十
分小さいドットは得られていない。また、ＩｎＧａＡｓ
の組成ずれでドットのサイズが決まるため、サイズと組
成を独立に制御することが原理的に困難である。また、
ＩｎＧａＡｓがエネルギの大きいＡｌＧａＡｓで埋め込
まれた図５に示すような最終的な量子ドットの構造を作
製するためには、ＩｎＧａＡｓドットがＡｌＧａＡｓ層
の下に潜り込むマストランスポートという特殊な現象を
用いる。このため、工程が複雑で高度な制御性を必要と
する問題がある。
【０００７】本発明の課題は、量子効果の得られる程度
に十分小さな量子ドット構造を簡便かつ容易に作製でき
る製造方法を提供することにある。
に十分小さな量子ドット構造を簡便かつ容易に作製でき
る製造方法を提供することにある。
【０００８】本発明の他の課題は、量子ドット構造のサ
イズと組成を独立に制御できる製造方法を提供すること
にある。
イズと組成を独立に制御できる製造方法を提供すること
にある。
【０００９】本発明の更に他の課題は、量子ドット構造
の形状を制御することにより、偏光制御性を有する量子
ドット構造を作製する製造方法を提供することにある。
の形状を制御することにより、偏光制御性を有する量子
ドット構造を作製する製造方法を提供することにある。
【００１０】本発明のより他の課題は、上記の製造方法
を用いた半導体発光素子の製造方法を提供することにあ
る。
を用いた半導体発光素子の製造方法を提供することにあ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明による量子ドット
構造は、活性層が、該活性層よりも高エネルギの半導体
で埋め込まれた量子ドット構造において、該活性層の結
晶成長温度が該活性層を構成する半導体の融点の絶対温
度の０．４倍以下の低温成長であり、かつ該活性層が引
っ張り歪みを受けるような条件下で成長することを特徴
とする。
構造は、活性層が、該活性層よりも高エネルギの半導体
で埋め込まれた量子ドット構造において、該活性層の結
晶成長温度が該活性層を構成する半導体の融点の絶対温
度の０．４倍以下の低温成長であり、かつ該活性層が引
っ張り歪みを受けるような条件下で成長することを特徴
とする。
【００１２】本発明による量子ドット構造はまた、活性
層が、該活性層よりも高エネルギの半導体で埋め込まれ
た量子ドット構造において、該活性層の結晶成長温度が
該活性層を構成する半導体の融点の絶対温度の０．３倍
以下の低温成長であり、かつ該活性層がほぼ無歪みとな
るような条件下で成長することを特徴とする。
層が、該活性層よりも高エネルギの半導体で埋め込まれ
た量子ドット構造において、該活性層の結晶成長温度が
該活性層を構成する半導体の融点の絶対温度の０．３倍
以下の低温成長であり、かつ該活性層がほぼ無歪みとな
るような条件下で成長することを特徴とする。
【００１３】また、前記活性層は、ＧａＮ、またはＧａ
ＩｎＮ、もしくはＡｌＧａＮで構成されることを特徴と
する。
ＩｎＮ、もしくはＡｌＧａＮで構成されることを特徴と
する。
【００１４】本発明による量子ドット構造の作製工程
は、基板上に下地となる平坦な結晶層を作製する工程
と、その上に量子ドット構造を作製する工程と、さらに
その上に量子ドット構造を埋め込む全面成長層を作製す
る工程をこの記載順に含むことを特徴とする。
は、基板上に下地となる平坦な結晶層を作製する工程
と、その上に量子ドット構造を作製する工程と、さらに
その上に量子ドット構造を埋め込む全面成長層を作製す
る工程をこの記載順に含むことを特徴とする。
【００１５】なお、歪みの制御方法は、活性層が化合物
半導体である場合、ＧａあるいはＡｌによる陽イオンと
Ｎによる陰イオンの原料供給比を変えることで該活性層
を構成する化合物半導体のストイキオメトリを変化さ
せ、該活性層に印加される静水圧性の歪み量を制御する
ことができる。
半導体である場合、ＧａあるいはＡｌによる陽イオンと
Ｎによる陰イオンの原料供給比を変えることで該活性層
を構成する化合物半導体のストイキオメトリを変化さ
せ、該活性層に印加される静水圧性の歪み量を制御する
ことができる。
【００１６】あるいは、下地となる結晶層の成長温度
と、量子ドッ卜構造の成長温度の成長温度差を変化させ
ることにより、活性層に印加される２軸性の歪み量を制
御することができる。
と、量子ドッ卜構造の成長温度の成長温度差を変化させ
ることにより、活性層に印加される２軸性の歪み量を制
御することができる。
【００１７】半導体発光素子は、上記の量子ドット構造
をダブルヘテロ構造中に含むようにして製造することが
できる。
をダブルヘテロ構造中に含むようにして製造することが
できる。
【００１８】また、上記の量子ドット構造をダブルヘテ
ロ構造中に含むようにして偏光制御型の半導体発光素子
を製造することができる。
ロ構造中に含むようにして偏光制御型の半導体発光素子
を製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の量子ドット構造の製造方
法を用いて作製したＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザの構
造図を図１に、本発明の偏光制御型量子ドット構造の製
造方法を用いて作製したＡｌＧａＩｎＮ系偏光制御型半
導体発光素子の構造図を図２に、分子線エピタキシー法
（ＭＢＥ法）成長ＧａＮにおけるグレインサイズの成長
温度依存性を図３に、ＭＢＥ成長ＧａＮにおけるグレイ
ンサイズの歪み量依存性を図４にそれぞれ示す。
法を用いて作製したＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザの構
造図を図１に、本発明の偏光制御型量子ドット構造の製
造方法を用いて作製したＡｌＧａＩｎＮ系偏光制御型半
導体発光素子の構造図を図２に、分子線エピタキシー法
（ＭＢＥ法）成長ＧａＮにおけるグレインサイズの成長
温度依存性を図３に、ＭＢＥ成長ＧａＮにおけるグレイ
ンサイズの歪み量依存性を図４にそれぞれ示す。
【００２０】ここでは、結晶成長法として、ＭＯＶＰＥ
法及びＭＢＥ法を、結晶材料としてＡｌＧａＩｎＮ系を
用いて説明するが、他の結晶成長法、他の結晶材料につ
いても同様に適用できる。
法及びＭＢＥ法を、結晶材料としてＡｌＧａＩｎＮ系を
用いて説明するが、他の結晶成長法、他の結晶材料につ
いても同様に適用できる。
【００２１】まず、図１を用いて本発明の第１の実施の
形態である、量子ドット構造の製造方法及びそれを用い
た半導体レーザの製造方法について説明する。図１の半
導体レーザは２回のＭＯＶＰＥ成長と１回のＭＢＥ成長
で作製される。まず、１回目のＭＯＶＰＥ成長におい
て、サファイア（０００１）面（ｃ面）基板１９０上
に、ＧａＮバッファ層１８０を介して、厚膜のｎ−Ｇａ
Ｎクラッド層１７０を平坦な下地結晶として成長させ
る。
形態である、量子ドット構造の製造方法及びそれを用い
た半導体レーザの製造方法について説明する。図１の半
導体レーザは２回のＭＯＶＰＥ成長と１回のＭＢＥ成長
で作製される。まず、１回目のＭＯＶＰＥ成長におい
て、サファイア（０００１）面（ｃ面）基板１９０上
に、ＧａＮバッファ層１８０を介して、厚膜のｎ−Ｇａ
Ｎクラッド層１７０を平坦な下地結晶として成長させ
る。
【００２２】次に、この平坦な下地の上に、ＭＢＥ成長
によりｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０、ＧａＮ量子ド
ット活性層１１０（この層は多重量子井戸構造でも良
い）、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１２０で成る量子ドッ
ト構造を作製する。このとき、ＭＢＥ成長の成長条件と
して、結晶成長温度がＧａＮ結晶の融点の絶対温度の
０．４倍以下の低温成長（例えば５００℃程度）で、な
おかつ引っ張り歪みがかかるような成長条件で成長させ
る。これは、例えば、原子半径の小さいＮ原子の組成比
をストイキオメトリより大きくすることにより引っ張り
歪みを印加できる。あるいは、下地結晶の成長温度と量
子ドットの成長温度差を変化させることにより、下地結
晶との間で生じる２軸性歪みの量を制御できる。
によりｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１３０、ＧａＮ量子ド
ット活性層１１０（この層は多重量子井戸構造でも良
い）、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１２０で成る量子ドッ
ト構造を作製する。このとき、ＭＢＥ成長の成長条件と
して、結晶成長温度がＧａＮ結晶の融点の絶対温度の
０．４倍以下の低温成長（例えば５００℃程度）で、な
おかつ引っ張り歪みがかかるような成長条件で成長させ
る。これは、例えば、原子半径の小さいＮ原子の組成比
をストイキオメトリより大きくすることにより引っ張り
歪みを印加できる。あるいは、下地結晶の成長温度と量
子ドットの成長温度差を変化させることにより、下地結
晶との間で生じる２軸性歪みの量を制御できる。
【００２３】このような成長条件で成長させることによ
り、量子効果の得られる程度に十分小さいサイズの量子
ドットを簡便に得られる。しかも、量子ドットのサイズ
は、成長温度・歪み量の組み合わせで調整できるため、
ドットサイズと活性層の組成を独立に制御することが可
能である。なお、ここで言う活性層の組成とは、例えば
活性層の組成をＩｎＧａＮとし、Ｉｎ量により発振波長
を制御しようとした場合、本発明ではＩｎとＧａの比率
を自由に選べるという意味である。
り、量子効果の得られる程度に十分小さいサイズの量子
ドットを簡便に得られる。しかも、量子ドットのサイズ
は、成長温度・歪み量の組み合わせで調整できるため、
ドットサイズと活性層の組成を独立に制御することが可
能である。なお、ここで言う活性層の組成とは、例えば
活性層の組成をＩｎＧａＮとし、Ｉｎ量により発振波長
を制御しようとした場合、本発明ではＩｎとＧａの比率
を自由に選べるという意味である。
【００２４】最後に、２回目のＭＯＶＰＥ成長により、
量子ドット構造をＡｌＧａＮクラッド層１２０で埋込成
長させ、その後、全面にｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５
０、ｐ−ＧａＮキャップ層１６０を成長させて結晶成長
を完了する。
量子ドット構造をＡｌＧａＮクラッド層１２０で埋込成
長させ、その後、全面にｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５
０、ｐ−ＧａＮキャップ層１６０を成長させて結晶成長
を完了する。
【００２５】その後、フォトリソグラフィーとドライエ
ッチングにより、図１に示すように、メサストライプ状
のレーザ構造を形成し、表面にＳｉＯ2 誘電体絶縁膜２
００を形成すると共に、ｐ電極２１０、ｎ電極２２０を
形成することにより、本発明のＡｌＧａＩｎＮ系量子ド
ット構造半導体レーザが得られる。
ッチングにより、図１に示すように、メサストライプ状
のレーザ構造を形成し、表面にＳｉＯ2 誘電体絶縁膜２
００を形成すると共に、ｐ電極２１０、ｎ電極２２０を
形成することにより、本発明のＡｌＧａＩｎＮ系量子ド
ット構造半導体レーザが得られる。
【００２６】以下、上記において、量子ドットサイズを
成長温度及び印加される歪み量で制御できる理由を図
３、図４を用いて説明する。図３はＭＢＥ成長ＧａＮの
グレインサイズの成長温度依存性を示し、横軸は成長温
度の逆数でアーレニウスプロットしている。図４はＭＢ
Ｅ成長ＧａＮのグレインサイズの歪み量依存性を示して
いる。歪みの指標として低温フォトルミネセンスのエキ
シトンピーク波長がよく対応することが知られており、
その波長を図４の横下軸に示している。また、同波長か
ら換算した２軸性歪みの歪み量を図４の横上軸に併記し
ている。図３、図４は、我々の実験において明らかにな
った結果である（Ｈ．Ｆｕｊｉｉ ｅｔａｌ．，Ｍａｔ
ｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓ
ｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ＶＯｌ．
４４９，ｐ．２２７−２３２（１９９７））。
成長温度及び印加される歪み量で制御できる理由を図
３、図４を用いて説明する。図３はＭＢＥ成長ＧａＮの
グレインサイズの成長温度依存性を示し、横軸は成長温
度の逆数でアーレニウスプロットしている。図４はＭＢ
Ｅ成長ＧａＮのグレインサイズの歪み量依存性を示して
いる。歪みの指標として低温フォトルミネセンスのエキ
シトンピーク波長がよく対応することが知られており、
その波長を図４の横下軸に示している。また、同波長か
ら換算した２軸性歪みの歪み量を図４の横上軸に併記し
ている。図３、図４は、我々の実験において明らかにな
った結果である（Ｈ．Ｆｕｊｉｉ ｅｔａｌ．，Ｍａｔ
ｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓ
ｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ＶＯｌ．
４４９，ｐ．２２７−２３２（１９９７））。
【００２７】図３において、成長温度を下げていくとグ
レインサイズが指数関数的に減少する様子が分かる。グ
レインサイズは結晶成長中に結晶表面を拡散する成長原
料種の拡散長を示していると考えられ、拡散長が成長温
度に律速されることを示している。このことから、成長
温度の制御により量子ドットのサイズを制御可能である
ことがわかる。
レインサイズが指数関数的に減少する様子が分かる。グ
レインサイズは結晶成長中に結晶表面を拡散する成長原
料種の拡散長を示していると考えられ、拡散長が成長温
度に律速されることを示している。このことから、成長
温度の制御により量子ドットのサイズを制御可能である
ことがわかる。
【００２８】図４において、横軸の右側は圧縮性歪み
を、左側は引っ張り性歪みを示す。図４より、圧縮性歪
みが大きいほどグレインサイズが大きく拡散長が大きい
ことがわかる。これは、圧縮性歪みを印加することによ
り、面内での結晶格子間隔が狭くなり、結晶成長中の原
料種の拡散に対するエネルギバリアが小さくなり、拡散
長が大きくなるためと考えられる。逆に、引っ張り歪み
を印加することで、格子間隔を広げ拡散に対するエネル
ギバリアを高めることで、量子ドットのサイズを小さく
することが可能であると考えられる。
を、左側は引っ張り性歪みを示す。図４より、圧縮性歪
みが大きいほどグレインサイズが大きく拡散長が大きい
ことがわかる。これは、圧縮性歪みを印加することによ
り、面内での結晶格子間隔が狭くなり、結晶成長中の原
料種の拡散に対するエネルギバリアが小さくなり、拡散
長が大きくなるためと考えられる。逆に、引っ張り歪み
を印加することで、格子間隔を広げ拡散に対するエネル
ギバリアを高めることで、量子ドットのサイズを小さく
することが可能であると考えられる。
【００２９】なお、歪み量制御の方法としては、原子半
径の大きく異なるＧａ原子（またはＡｌ原子）とＮ原子
の組成比（原料供給比）を変えることで、活性層を構成
する化合物半導体のストイキオメトリを変化させること
により静水圧性の歪みを導入する第１の方法がある。あ
るいは、下地結晶の成長温度と量子ドット構造の成長温
度に温度差を設け、下地との間で２軸性の歪みを与える
第２の方法でも良い。いずれにしても上記の２つの方法
が可能で、どちらか一方、あるいは両者を適当に組み合
わせることで、量子ドット構造に印加される歪み量の制
御が可能となる。
径の大きく異なるＧａ原子（またはＡｌ原子）とＮ原子
の組成比（原料供給比）を変えることで、活性層を構成
する化合物半導体のストイキオメトリを変化させること
により静水圧性の歪みを導入する第１の方法がある。あ
るいは、下地結晶の成長温度と量子ドット構造の成長温
度に温度差を設け、下地との間で２軸性の歪みを与える
第２の方法でも良い。いずれにしても上記の２つの方法
が可能で、どちらか一方、あるいは両者を適当に組み合
わせることで、量子ドット構造に印加される歪み量の制
御が可能となる。
【００３０】以上から、本発明では、成長温度の低温化
と引っ張り歪み量の制御をうまく組み合わせることで、
量子効果の得られる程度に十分小さい量子ドット構造を
作製することが可能となる。本発明では、量子ドットサ
イズの制御に、成長温度の変化及び引っ張り歪み量の変
化による成長原料種の運動学的な変化（具体的には拡散
長の変化）を利用している。このため、従来の自己形成
量子ディスク構造の表面エネルギの変化を利用した方法
と異なり、本発明では量子ドット構造を広範な範囲で制
御可能で、なおかつ、量子ドット活性層の組成とサイズ
の制御を独立に行うことが可能である。その結果、本発
明の図１のＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザでは、従来に
比べ、大幅に低しきい値で良好な特性を有する発振特性
を得ることができる。
と引っ張り歪み量の制御をうまく組み合わせることで、
量子効果の得られる程度に十分小さい量子ドット構造を
作製することが可能となる。本発明では、量子ドットサ
イズの制御に、成長温度の変化及び引っ張り歪み量の変
化による成長原料種の運動学的な変化（具体的には拡散
長の変化）を利用している。このため、従来の自己形成
量子ディスク構造の表面エネルギの変化を利用した方法
と異なり、本発明では量子ドット構造を広範な範囲で制
御可能で、なおかつ、量子ドット活性層の組成とサイズ
の制御を独立に行うことが可能である。その結果、本発
明の図１のＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザでは、従来に
比べ、大幅に低しきい値で良好な特性を有する発振特性
を得ることができる。
【００３１】次に、図２を参照して、本発明の第２の実
施の形態である、偏光制御型の半導体発光素子について
説明する。図２に示された構造の製造方法は、基本的に
図１と同様で、２回のＭＯＶＰＥ成長と１回のＭＢＥ成
長、ドライエッチングの組み合わせで作製できる。図１
と異なる点は、量子ドット構造形成の際に、量子ドット
構造がほぼ無歪みとなる成長条件で作製することであ
る。
施の形態である、偏光制御型の半導体発光素子について
説明する。図２に示された構造の製造方法は、基本的に
図１と同様で、２回のＭＯＶＰＥ成長と１回のＭＢＥ成
長、ドライエッチングの組み合わせで作製できる。図１
と異なる点は、量子ドット構造形成の際に、量子ドット
構造がほぼ無歪みとなる成長条件で作製することであ
る。
【００３２】我々の実験から、量子ドット構造の形状は
印加された歪みに依存することがわかっており、ほぼ無
歪み状態で形成された量子ドット構造は［１１−２０］
方向に１辺を有する六角錘形状となることがわかってい
る。このことから、量子ドット構造をほぼ無歪みで形成
することにより、図２に示すように、活性層に六角錘量
子ドット構造の密集した量子ドット半導体発光素子を得
ることができる。なお、この場合、量子ドットサイズの
制御は成長温度のみで行うため、図１よりも低温の、融
点の絶対温度の０．３倍以下（例えば３５０℃）で成長
させる必要がある。また、図２では、発光ダイオードと
して動作し、光を上面から取り出すためｐ電極２１５を
透明電極とする。これにより得られた図２の半導体発光
素子では、六角錘の形状に対応した６回対称の対称性を
有する方向に偏光制御された量子ドット半導体発光素子
が得られる。
印加された歪みに依存することがわかっており、ほぼ無
歪み状態で形成された量子ドット構造は［１１−２０］
方向に１辺を有する六角錘形状となることがわかってい
る。このことから、量子ドット構造をほぼ無歪みで形成
することにより、図２に示すように、活性層に六角錘量
子ドット構造の密集した量子ドット半導体発光素子を得
ることができる。なお、この場合、量子ドットサイズの
制御は成長温度のみで行うため、図１よりも低温の、融
点の絶対温度の０．３倍以下（例えば３５０℃）で成長
させる必要がある。また、図２では、発光ダイオードと
して動作し、光を上面から取り出すためｐ電極２１５を
透明電極とする。これにより得られた図２の半導体発光
素子では、六角錘の形状に対応した６回対称の対称性を
有する方向に偏光制御された量子ドット半導体発光素子
が得られる。
【００３３】
【実施例】以下、本発明による量子ドット構造の製造方
法及びそれを用いた半導体発光素子の製造方法の実施例
について具体的に説明する。図１は、本発明による量子
ドット構造の製造方法を用いて作製したＡｌＧａＩｎＮ
系半導体レーザの構造を示し、図２は、本発明による偏
光制御型量子ドッ卜構造の製造方法を用いて作製したＡ
ｌＧａＩｎＮ系偏光制御型半導体発光素子の構造を示
す。
法及びそれを用いた半導体発光素子の製造方法の実施例
について具体的に説明する。図１は、本発明による量子
ドット構造の製造方法を用いて作製したＡｌＧａＩｎＮ
系半導体レーザの構造を示し、図２は、本発明による偏
光制御型量子ドッ卜構造の製造方法を用いて作製したＡ
ｌＧａＩｎＮ系偏光制御型半導体発光素子の構造を示
す。
【００３４】本実施例では、結晶成長方法として、ＭＯ
ＶＰＥ法及びＭＢＥ法を、結晶材料としてＡｌＧａＩｎ
Ｎ系を用いて説明するが、他の結晶成長方法、他の結晶
材料についても同様に適用できる。また、基板としてサ
ファイア（０００１）面（ｃ面）をあげるが、他の基
板、方位についても同様な効果が得られる。
ＶＰＥ法及びＭＢＥ法を、結晶材料としてＡｌＧａＩｎ
Ｎ系を用いて説明するが、他の結晶成長方法、他の結晶
材料についても同様に適用できる。また、基板としてサ
ファイア（０００１）面（ｃ面）をあげるが、他の基
板、方位についても同様な効果が得られる。
【００３５】まず、図１について説明する。１回目のＭ
ＯＶＰＥ成長において、サファイア（０００１）面（ｃ
面）基板１９０上に、５００℃にてＧａＮバッファ層１
８０を成長させた後、１０５０℃にて４μｍ厚のｎ−Ｇ
ａＮクラッド層１７０を平坦な下地結晶として成長させ
る。次に、この平坦な下地の上に、ＭＢＥ成長により５
００℃にて、１．０μｍ厚のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１３０、５ｎｍ厚のＧａＮ量子ドット活性層１１０（こ
の層はＩｎＧａＮ／ＧａＮ等の多重量子井戸構造でも良
い）、０．２μｍ厚のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１２０
で成る量子ドット構造を作製する。このとき、ＭＢＥ成
長の成長条件として、量子ドット構造に引っ張り歪みが
かかるように、Ｎ組成の大きい条件（Ｎ／III 族比を大
きくする）で成長を行い、量子ドットサイズとして１０
ｎｍ程度の小さいものとした。
ＯＶＰＥ成長において、サファイア（０００１）面（ｃ
面）基板１９０上に、５００℃にてＧａＮバッファ層１
８０を成長させた後、１０５０℃にて４μｍ厚のｎ−Ｇ
ａＮクラッド層１７０を平坦な下地結晶として成長させ
る。次に、この平坦な下地の上に、ＭＢＥ成長により５
００℃にて、１．０μｍ厚のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１３０、５ｎｍ厚のＧａＮ量子ドット活性層１１０（こ
の層はＩｎＧａＮ／ＧａＮ等の多重量子井戸構造でも良
い）、０．２μｍ厚のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１２０
で成る量子ドット構造を作製する。このとき、ＭＢＥ成
長の成長条件として、量子ドット構造に引っ張り歪みが
かかるように、Ｎ組成の大きい条件（Ｎ／III 族比を大
きくする）で成長を行い、量子ドットサイズとして１０
ｎｍ程度の小さいものとした。
【００３６】次に、２回目のＭＯＶＰＥ成長により、１
０５０℃において、量子ドット構造をＡｌＧａＮクラッ
ド層１４０で埋込成長させ、その後、全面に０．８μｍ
厚のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５０、０．３μｍ厚の
ｐ−ＧａＮキャップ層１６０を成長させ、結晶成長を完
了する。その後、フォトリソグラフィーとドライエッチ
ングによりｎ−ＧａＮクラッド層１７０の途中までエッ
チングを行い、図１に示すようにメサストライプ状のレ
ーザ構造を形成する。最後に、表面にＳｉＯ2絶縁膜２
００及びｐ電極２１５、ｎ電極２２０を形成して、Ａｌ
ＧａＩｎＮ系量子ドット構造の半導体レーザが作製され
る。
０５０℃において、量子ドット構造をＡｌＧａＮクラッ
ド層１４０で埋込成長させ、その後、全面に０．８μｍ
厚のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５０、０．３μｍ厚の
ｐ−ＧａＮキャップ層１６０を成長させ、結晶成長を完
了する。その後、フォトリソグラフィーとドライエッチ
ングによりｎ−ＧａＮクラッド層１７０の途中までエッ
チングを行い、図１に示すようにメサストライプ状のレ
ーザ構造を形成する。最後に、表面にＳｉＯ2絶縁膜２
００及びｐ電極２１５、ｎ電極２２０を形成して、Ａｌ
ＧａＩｎＮ系量子ドット構造の半導体レーザが作製され
る。
【００３７】図１のＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザで
は、図５の従来例に比べ、広範な範囲で量子ドット構造
のサイズ制御が可能で、量子効果を得られる程度に十分
小さくすることができる。しかも、量子ドット活性層の
組成とサイズを独立に制御可能である。この結果、本発
明のＡｌＧａＩｎＮ系量子ドット構造半導体レーザで
は、従来例に比べ、大幅に低しきい値で、良好な特性を
有する発振特性が得られた。
は、図５の従来例に比べ、広範な範囲で量子ドット構造
のサイズ制御が可能で、量子効果を得られる程度に十分
小さくすることができる。しかも、量子ドット活性層の
組成とサイズを独立に制御可能である。この結果、本発
明のＡｌＧａＩｎＮ系量子ドット構造半導体レーザで
は、従来例に比べ、大幅に低しきい値で、良好な特性を
有する発振特性が得られた。
【００３８】次に、図２を参照して偏光制御型の半導体
発光素子について説明する。図２の半導体発光素子の製
造方法は、基本的に図１と同様で、２回のＭＯＶＰＥ成
長と１回のＭＢＥ成長、ドライエッチングの組み合わせ
で作製できる。図１と異なる点は、量子ドット構造形成
の際に、量子ドット構造がほぼ無歪みとなる成長条件で
作製することである。
発光素子について説明する。図２の半導体発光素子の製
造方法は、基本的に図１と同様で、２回のＭＯＶＰＥ成
長と１回のＭＢＥ成長、ドライエッチングの組み合わせ
で作製できる。図１と異なる点は、量子ドット構造形成
の際に、量子ドット構造がほぼ無歪みとなる成長条件で
作製することである。
【００３９】本実施例では、ＭＢＥ成長温度を３５０℃
とし、量子ドットはほぼ無歪みとなるように、Ｎ／III
族比を調整した。具体的には、Ｇａセルの温度は一定と
し、原料として用いた、Ｎ2 プラズマガンを通して供給
するＮ2 流量を変化させた。これにより、図２に示すよ
うな六角錘が密集した量子ドット構造が得られた。その
後、図１と同様に電極形成プロセスまでを完了し、偏光
制御型の半導体発光素子を作製した。なお、図２では導
波路形状を有しているが、上面から光を取り出す構造で
あれば、どんな形状でも良い。
とし、量子ドットはほぼ無歪みとなるように、Ｎ／III
族比を調整した。具体的には、Ｇａセルの温度は一定と
し、原料として用いた、Ｎ2 プラズマガンを通して供給
するＮ2 流量を変化させた。これにより、図２に示すよ
うな六角錘が密集した量子ドット構造が得られた。その
後、図１と同様に電極形成プロセスまでを完了し、偏光
制御型の半導体発光素子を作製した。なお、図２では導
波路形状を有しているが、上面から光を取り出す構造で
あれば、どんな形状でも良い。
【００４０】このようにして得られた図２の半導体発光
素子では、六角錘の形状に対応した偏光制御された発光
が得られた。
素子では、六角錘の形状に対応した偏光制御された発光
が得られた。
【００４１】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の量子
ドット構造の製造方法及びそれを用いた半導体発光素子
の製造方法によれば、量子ドット構造のサイズの制御を
成長原料種の拡散長の制御により行うため、サイズの広
範な制御が可能で、しかも組成とサイズを独立して制御
することが可能である。その結果、従来例に比べ、大幅
に低しきい値で良好な特性を有するＡｌＧａＩｎＮ系半
導体レーザが作製可能である。
ドット構造の製造方法及びそれを用いた半導体発光素子
の製造方法によれば、量子ドット構造のサイズの制御を
成長原料種の拡散長の制御により行うため、サイズの広
範な制御が可能で、しかも組成とサイズを独立して制御
することが可能である。その結果、従来例に比べ、大幅
に低しきい値で良好な特性を有するＡｌＧａＩｎＮ系半
導体レーザが作製可能である。
【００４２】一方、量子ドット構造をほぼ無歪み状態で
形成することにより、偏光制御性を有する半導体発光素
子が作製可能である。
形成することにより、偏光制御性を有する半導体発光素
子が作製可能である。
【図１】本発明の第１の実施の形態による量子ドット構
造の製造方法を用いて作製したＡｌＧａＩｎＮ系半導体
レーザの構造を示す。
造の製造方法を用いて作製したＡｌＧａＩｎＮ系半導体
レーザの構造を示す。
【図２】本発明の第２の実施の形態による量子ドット構
造の製造方法を用いて作製した偏光制御型の半導体発光
素子の構造を示す。
造の製造方法を用いて作製した偏光制御型の半導体発光
素子の構造を示す。
【図３】本発明におけるＭＢＥ成長ＧａＮにおけるグレ
インサイズの成長温度依存性を説明するための測定結果
を示した図である。
インサイズの成長温度依存性を説明するための測定結果
を示した図である。
【図４】本発明におけるＭＢＥ成長ＧａＮにおけるグレ
インサイズの歪み量依存性を説明するための測定結果を
示した図である。
インサイズの歪み量依存性を説明するための測定結果を
示した図である。
【図５】従来のＩｎＧａＡｓ系量子ディスクの断面構造
図を示す。
図を示す。
１１０ ＧａＮ量子ドット活性層 １２０ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層 １３０ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層 １４０ ＡｌＧａＮクラッド層 １５０ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層 １６０ ｐ−ＧａＮキャップ層 １６５ ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層 １７０ ｎ−ＧａＮクラッド層 １８０ ＧａＮバッファ層 １９０ サファイア基板 ２００ ＳｉＯ2 誘電体絶縁膜 ２１０ ｐ電極 ２１５ ｐ電極（透明電極） ２２０ ｎ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｃ
Claims (8)
- 【請求項１】 活性層が、該活性層よりも高エネルギの
半導体で埋め込まれた量子ドット構造において、前記活
性層の結晶成長温度が該活性層を構成する半導体の融点
の絶対温度の０．４倍以下の低温成長であり、かつ該活
性層が引っ張り歪みを受けるような条件下で成長するこ
とを特徴とする量子ドット構造の製造方法。 - 【請求項２】 活性層が、該活性層よりも高エネルギの
半導体で埋め込まれた量子ドット構造において、前記活
性層の結晶成長温度が該活性層を構成する半導体の融点
の絶対温度の０．３倍以下の低温成長であり、かつ該活
性層がほぼ無歪みとなるような条件下で成長することを
特徴とする量子ドット構造の製造方法。 - 【請求項３】 前記活性層がＧａＮ、またはＧａＩｎ
Ｎ、もしくはＡｌＧａＮで構成される請求項１あるいは
２記載の量子ドット構造の製造方法。 - 【請求項４】 基板上に下地となる平坦な結晶層を作製
する工程と、 その上に量子ドット構造を作製する工程と、 さらにその上に量子ドット構造を埋め込む全面成長層を
作製する工程をこの記載順に含むことを特徴とする請求
項１あるいは２記載の量子ドット構造の製造方法。 - 【請求項５】 前記活性層が化合物半導体であり、前記
ＧａあるいはＡｌによる陽イオンと前記Ｎによる陰イオ
ンの原料供給比を変えることで該活性層を構成する化合
物半導体のストイキオメトリを変化させ、該活性層に印
加される静水圧性の歪み量を制御することを特徴とする
請求項１記載の量子ドット構造の製造方法。 - 【請求項６】 前記下地となる結晶層の成長温度と、前
記量子ドット構造の成長温度の成長温度差を変化させる
ことにより、該活性層に印加される２軸性の歪み量を制
御することを特徴とする請求項１記載の量子ドット構造
の製造方法。 - 【請求項７】 請求項１記載の量子ドット構造をダブル
ヘテロ構造中に含むように製造することを特徴とする半
導体発光素子の製造方法。 - 【請求項８】 請求項２記載の量子ドット構造をダブル
ヘテロ構造中に含むように製造することを特徴とする偏
光制御型の半導体発光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31883297A JP2980175B2 (ja) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | 量子ドット構造の製造方法及びそれを用いた半導体発光素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31883297A JP2980175B2 (ja) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | 量子ドット構造の製造方法及びそれを用いた半導体発光素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11154771A JPH11154771A (ja) | 1999-06-08 |
| JP2980175B2 true JP2980175B2 (ja) | 1999-11-22 |
Family
ID=18103460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31883297A Expired - Fee Related JP2980175B2 (ja) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | 量子ドット構造の製造方法及びそれを用いた半導体発光素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2980175B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000027365A1 (en) * | 1998-11-10 | 2000-05-18 | Biocrystal Limited | Functionalized nanocrystals and their use in detection systems |
| JP2003092455A (ja) * | 2001-09-17 | 2003-03-28 | Japan Science & Technology Corp | 半導体レーザ |
| JP2003101069A (ja) * | 2001-09-25 | 2003-04-04 | Nagoya Industrial Science Research Inst | Ｉｉｉ族窒化物量子ドットおよびその製造方法 |
| KR100721479B1 (ko) * | 2006-01-02 | 2007-05-23 | 한국과학기술연구원 | 성장 시간 정지를 이용한 저밀도 화합물 반도체 양자점제작방법 |
-
1997
- 1997-11-20 JP JP31883297A patent/JP2980175B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11154771A (ja) | 1999-06-08 |
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