JP4583726B2

JP4583726B2 - 量子半導体装置およびその作製方法

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Publication number: JP4583726B2
Application number: JP2003146177A
Authority: JP
Inventors: 義昭中田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: JP2004349542A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドットで構成される量子半導体構造に関し、特に、下地半導体層に対して量子井戸となる濡れ層を排除した量子半導体構造を有する量子半導体装置とその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報のマルチメディア化や光通信の高速大容量化に伴い、小型、高密度、高機能なデバイスへの要望が高まる一方である。このような要望に対して、量子ドットの研究が注目を集めている。
【０００３】
量子ドットは、半導体原子が数百個から数千個集まった１０数ナノメートル程度のかたまりである。量子ドットでは、波動関数が３次元的に閉じ込められるため、状態密度がデルタ関数的に先鋭化する。キャリア閉じ込めのないバルク半導体では、キャリアの状態密度はエネルギとともに放物線的に連続して増大するが、キャリア閉じ込めの次元が高くなるほど、状態密度も離散的なものへと変化するからである。
【０００４】
量子ドットは、半導体結晶の成長モードのひとつであるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）型の成長モードを利用することによって形成される。Ｓ−Ｋモードでは、格子不整合系（たとえばＧａＡｓ上に成長するＩｎＡｓなど）のヘテロエピタキシャル成長の初期において、下地半導体結晶上に、２０ｎｍ〜４０ｎｍ程度の成長島あるいは量子結晶が、互いに離間して出現する。
【０００５】
たとえば、分子線結晶成長（ＭＢＥ）法により、ＧａＡｓ上に、これと３．５％程度の格子不整合を生じるＩｎＧａＡｓを２〜３分子相当成長すると、底面直径が３０〜４０ｎｍ、高さが３〜５ｎｍの円錐形の成長島が形成されることが知られている（非特許文献１参照）。このように形成された成長島は、三次元的にキャリアが閉じ込められた状態、すなわち量子箱（量子ドット）と同じく離散的なエネルギ状態密度を持つ。
【０００６】
量子ドットは、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法でも形成される。格子不整合の組み合わせとして、ＧａＡｓ上のＧａＳｂ量子ドット、ＩｎＰ基板上のＩｎＡｓ量子ドット、ＩｎＡｌＡｓ上に成長したＩｎＡｓ量子ドットなどが報告されている（非特許文献２参照）。
【０００７】
図１（ａ）は、Ｓ−Ｋモードでの量子ドットの成長を示す模式図、図１（ｂ）は、Ｓ−Ｋ成長したＩｎＡｓ量子ドットの断面の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。Ｓ−Ｋ成長モードでは、ＧａＡｓ下地結晶層１０１上に、まず２次元的に１〜２分子程度の厚さの平坦なＩｎＡｓ層１０２が成長し、その後、３次元的な成長島１０３が互いに離間して自己形成される。１〜２分子程度の平坦なＩｎＡｓ層１０２は「濡れ層（ＷＬ：wetting layer）」とよばれ、量子ドット１０３の成長に先立って必然的に形成される。
【０００８】
図２（ａ）は、図１に示すＳ−Ｋ成長で形成された量子ドットの断面模式図、図２（ｂ）は平面模式図、図２（ｃ）および２（ｄ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面およびＢ−Ｂ’断面におけるエネルギバンド図である。図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓ埋め込み層１０１と１０５の間に、ＩｎＡｓ濡れ層（ＷＬ）１０２とＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）１０３から成る量子構造が埋め込まれている。
図２（ｂ）に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット１０３は、そのサイズにばらつきがある状態で、ＩｎＡｓ濡れ層１０２上に散在する。
【０００９】
図２（ｃ）および２（ｄ）に示すように、ＩｎＡｓは、埋め込み層材料であるＧａＡｓに対してタイプＩ型のバンド不連続を示す。したがって、ＩｎＡｓ濡れ層１０２の発光エネルギは、埋め込み層の材料であるＧａＡｓよりも低エネルギ側にある。また、量子効果により、ＩｎＡｓ濡れ層１０２は、ＩｎＡｓ量子ドットよりも高エネルギ側に遷移エネルギを有する。
【００１０】
Ｓ−Ｋモードで形成される量子ドットは、人工加工では得られない良好な界面特性を持つなど、すぐれた特徴があり、波長変換素子への適用（たとえば、特許文献１参照）、赤外線センサへの適用（たとえば、特許文献２参照）、光メモリへの適用（たとえば、特許文献３参照）、量子ドットレーザへの適用が知られている。
【００１１】
【非特許文献１】
D. Leonard, et al., Appl. Phys. Lett., 63(1993) at 3203
【００１２】
【非特許文献２】
S. Fafard, et al., Appl. Phys. Lett., 68(1996) at 991
【００１３】
【特許文献１】
特開２０００−２７５６９２号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平１０−２５６５８８号公報
【００１５】
【特許文献３】
特開平９−１７９２３７号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の量子ドットの形成では、Ｓ−Ｋモード特有の濡れ層１０２の形成を必ず伴う。濡れ層１０２は、半導体レーザの発光効率の低下や、赤外線検出器の暗電流の増大、メモリや光増幅器の波長多重性の低下などを引き起こし、装置特性に悪影響を与える可能性がある。
【００１７】
図３は、図１の手法でＧａＡｓ上に形成されたＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）からの室温での光ルミネッセンス発光スペクトルである。図３に示すように、中心波長が約１．１μｍで、スペクトル半値幅は１００ｍｅＶ程度のブロードな発光を示すが、０．９３μｍあたりに、ＩｎＡｓ濡れ層（ＷＬ）からの発光が観察される。これは、図２（ｃ）に示すように、ＩｎＡｓ濡れ層においても、電子と正孔が同じ空間内に閉じ込められ、再結合することに起因する。このような不必要な波長での発光は、レーザの発光効率、すなわち、注入キャリア数に対する出力光子数を低下させる原因のひとつになる。
【００１８】
また、量子ドットを、量子ドット光メモリや量子ドット光増幅素子などの波長多重性を利用した素子に適用する場合、濡れ層の存在が、波長多重性を劣化させる原因となる。量子ドットの不均一幅を利用した波長多重素子は、互いに孤立した量子ドット間での相関（異なる量子ドット間でのキャリアの出し入れ）がないことを前提としている。しかし、埋め込み層ＧａＡｓに対して量子井戸を形成するＩｎＡｓ濡れ層にはキャリアが分布する。ＩｎＡｓ濡れ層を介して量子ドットのキャリアが変動し、量子ドット間に相関が現われる。この結果、ある波長でホールバーニングを起こしても、他の量子ドットからキャリアが供給され、共鳴波長に変動を起こす。
【００１９】
また、利用できる波長帯域が広いほどメモリの書き込み、読み出しに使用できる光の波長体が増えることになるが、濡れ層の存在により、利用可能な波長帯域が、濡れ層からの発光波長と抵触しない帯域（図３のスペクトルで言えば、濡れ層からのピーク波長よりも高波長側）に限定されてしまう。すなわち、量子ドットの不均一幅の高エネルギ側が、母材のエネルギギャップではなく、濡れ層のエネルギで制限され、波長多重性が損なわれる。
【００２０】
さらに、量子ドットを赤外線検出器に適用する場合、量子ドットの直下にある濡れ層が量子井戸を構成するので、暗電流発生の原因となる。
【００２１】
図４（ａ）は、量子ドットの状態密度とキャリア分布を、図４（ｂ）は、量子ドットの赤外線照射による光電変換を示す模式図である。一方、図４（ｃ）は濡れ層における２次元量子井戸の状態密度とキャリア分布を、図４（ｄ）は、量子井戸の悪影響を示す模式図である。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、量子ドットでは状態密度が離散的であり、キャリア分布が先鋭的になっている。このため、図４（ｂ）に示すように、赤外線の入射に対して所定のエネルギ準位にあるキャリアが励起され、光電流となる。状態密度が離散的なので、熱の影響による好ましくないキャリアの放出がなく、暗電流が抑制される。また、高温動作が可能になる。さらに、キャリアの緩和を遅くできるので、光電流が近隣の量子ドットで別の準位に緩和することがなく、光電変換効率を高く維持できる。
【００２３】
これに対して、濡れ層の量子井戸内では、図４（ｃ）に示すように、電子のエネルギ構造は、面内の２次元的な自由電子の分散が付随したサブバンド構造となる。このため、図４（ｄ）の矢印▲１▼に示すように、熱の影響で高エネルギのキャリアが励起されて井戸から放出し、暗電流の原因となる。また、矢印▲３▼に示すようにキャリアの緩和が早く、緩和したキャリアが熱の影響でさらなる暗電流の原因となる。量子井戸から流れ出た電流が量子ドットで緩和した場合、理想的な量子ドットを想定した場合に比べて、量子ドットの光電変換効率や、暗電流抑制機能が阻害される。さらに、矢印▲２▼に示すように、熱の影響で高エネルギのキャリアがトンネリングして流れ出てしまう。
【００２４】
そこで、本発明は、量子井戸型の濡れ層に起因する劣性要因を排除した量子ドット半導体構造を有する量子半導体装置を提供することを目的とする。
【００２５】
また、このような量子半導体装置の作製方法を提供する。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、まず、量子ドット（成長島）の形成に先立って形成される平坦な薄膜結晶層（いわゆる「濡れ層」）が、下地半導体層（埋め込み半導体層）に対して量子井戸とならない構成、すなわち、取り出したいキャリアの閉じ込めを生じさせない構成にする。このような構成は、たとえば濡れ層の伝導帯側の基底準位が、下地半導体材料の伝導帯側の基底準位より高くなるような結晶材料を選択することで実現される。一方、量子ドットは、下地半導体材料に対してキャリアの３次元閉じ込めが可能になる材料で構成する。
【００２７】
一例として、Ｓ−Ｋモードの成長を利用した量子ドットの形成において、下地半導体（埋め込み半導体）材料に対するエネルギバンド不連続がタイプII型となる結晶材料で濡れ層を構成する。あるいは、下地半導体材料よりも大きなエネルギバンドギャップを有する結晶材料で濡れ層を構成する。そして、濡れ層の直上に、埋め込み半導体材料に対するエネルギバンド不連続がタイプＩ型となる結晶材料で、量子ドットのみを形成する。
【００２８】
量子ドットの直下に量子井戸となる濡れ層を伴わないので、量子ドットの直下でのターゲットキャリアの分布を防止することができる。したがって、濡れ層を介した量子ドット間のキャリアの流出入や、暗電流の発生、濡れ層での再結合を防止でき、理想的な量子ドットの特性が維持される。
【００２９】
より具体的には、本発明の第１の側面では、量子半導体装置は、（ａ）下地半導体層上に位置し、この下地半導体層に対して量子井戸を構成せず、かつ下地半導体層に対してＳ−Ｋモードでの成長が可能な材料で構成される薄膜結晶層（濡れ層）と、（ｂ）薄膜結晶層の直上に位置し、下地半導体層に対してタイプＩ型のバンド不連続を構成する量子ドットとを有する量子半導体構造を有する。
【００３０】
薄膜結晶層は、たとえば、下地半導体層に対してタイプII型のバンド不連続を構成する材料で構成される。あるいは、下地半導体層よりも大きなバンドギャップを有する材料で構成される。
【００３１】
前者の場合、たとえば、下地半導体層が（Ａｌ）ＧａＡｓ、薄膜結晶層がＧａ（Ａｓ）Ｓｂ、量子ドットがＩｎ（Ｇａ）Ａｓである。
【００３２】
後者の場合、たとえば、下地半導体層がＩｎＰ、薄膜結晶層が（Ａｌ）Ｇａ（Ａｓ）Ｓｂ、量子ドットがＩｎ（Ｇａ）Ａｓである。
【００３３】
本発明の第２の側面では、量子半導体装置の作製方法を提供する。量子半導体装置の作製方法は、
（ａ）下地半導体層上に、この下地半導体層に対してＳ−Ｋモードでの成長が可能であり、かつ下地半導体層に対して量子井戸を構成しない材料で濡れ層を成長する工程と、
（ｂ）前記濡れ層上に、前記下地半導体層に対してタイプＩ型のエネルギバンド不連続となる材料で、自己形成的に量子ドットのみを形成する工程と
を含む。
【００３４】
好ましくは、濡れ層を、下地半導体層に対してタイプII型のエネルギバンド不連続となる材料で形成する。あるいは、下地半導体層よりも大きなエネルギギャップを有する材料で形成する。
【００３５】
濡れ層の成長は、Ｓ−Ｋモードで島状成長が起きる直前で終了するのが望ましい。あるいは、Ｓ−Ｋモードで島状成長へ遷移する時点以降、かつ転位生成が生じるより前に終了する。
【００３６】
本発明の第３の側面では、量子半導体装置は、(a) 半導体基板と、(b) 前記半導体基板上に位置する埋め込み半導体層と、(c) 前記埋め込み半導体層上に位置し、この埋め込み半導体層に対して量子井戸を構成せず、かつＳ−Ｋモードでの成長が可能な材料で構成される薄膜結晶層と、当該薄膜結晶層の直上に位置し、前記埋め込み半導体層に対してタイプＩ型のエネルギバンド不連続を構成する量子ドットとで構成される量子半導体層とを備え、埋め込み半導体層と、量子半導体層との繰り返しを１層以上含む。
【００３７】
薄膜結晶層の膜厚は、Ｓ−Ｋ成長モードで島状成長が開始する直前のいわゆる濡れ層の膜厚である。
【００３８】
このような構造の量子半導体装置は、たとえば、量子ドットレーザ、量子ドット赤外線検出器、量子ドット光メモリ、量子ドット光増幅器などを含む。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下で、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００４０】
図５は、本発明の第１実施形態に係る量子半導体構造を示す。第１実施形態では、Ｓ−Ｋ成長により形成される量子ドットの直下に位置する濡れ層（薄膜結晶層）を、下地半導体層に対してタイプII型のエネルギバンド不連続となる材料で構成する。量子ドットには、下地半導体層に対してバンド不連続がタイプＩ型となる材料を用いる。これにより、濡れ層で量子井戸を形成することなく、量子ドットでのキャリアの３次元閉じ込めを確実にする。
【００４１】
具体例として、量子半導体構造は、図５（ａ）に示すように、たとえばＧａＡｓ基板１１上に形成したＧａＡｓ埋め込み層（下地半導体層）１２上に、ＧａＡｓに対してタイプII型のバンド不連続を構成するＧａＳｂ濡れ層（薄膜結晶層）１３を有する。ＧａＳｂの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数よりも大きく、ＧａＡｓに対する格子不整合は約７．５％である。この濡れ層１３の直上に、ＧａＡｓに対してタイプＩ型のバンド不連続となるＩｎＡｓ量子ドット１４を有する。
ＧａＡｓに対するＩｎＡｓの格子不整合は約７．２％である。ＧａＳｂ濡れ層１３の膜厚は、Ｓ−ＫモードでＧａＳｂの成長を継続した場合に島状成長が開始する直前の膜厚、具体的には、１．３分子相当の膜厚とする。
【００４２】
GａＳｂ薄膜結晶層１３とＩｎＡｓ量子ドット１４で構成される量子半導体構造上に第２の埋め込み層１５を配置して、量子半導体構造全体を埋め込む。
【００４３】
図５（ｂ）および５（ｃ）は、図５（ａ）の量子半導体構造のＡ−Ａ’断面とＢ−Ｂ’断面でのエネルギバンド図をそれぞれ示す。
【００４４】
図５（ａ）および５（ｂ）に示すように、濡れ層（薄膜結晶層）１３の材料であるＧａＳｂは、伝導帯の基底準位がＧａＡｓの伝導帯側の基底準位よりも高く、電子に対して障壁を構成する。一方、荷電子帯側では、ＧａＳｂの基底準位は、ＧａＡｓの荷電子帯側基底準位よりも高く、正孔に対して井戸となるが、電子と正孔が同一半導体内に閉じ込められるような量子井戸は形成されない。
【００４５】
一方、量子ドット１４を構成するＩｎＡｓは、埋め込み層１２、１５の材料であるＧａＡｓに対して、タイプＩ型のバンド不連続となる。したがって、ＩｎＡｓ量子ドット１４内では、キャリアが３次元的に閉じ込められる。
【００４６】
このような量子半導体構造は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により作製することができる。ＭＢＥ装置に入れた（００１）ＧａＡｓ基板１１の表面をクリーニング後、基板温度６００℃でＧａＡｓを４５０ｎｍ成長し、基板温度を５００℃まで下げながら、さらに５０ｎｍ程度ＧａＡｓを連続的に成長してＧａＡｓ埋め込み層１２を形成する。
【００４７】
その後、ＧａおよびＡｓの分子線を遮断して、Ｓｂ分子線を２秒間照射する。
これにより、ＡｓとＳｂを確実に切り替えるとともに、表面からＡｓが抜けるのを防止する。さらにＳｂを照射しながら、Ｇａの分子線を照射して、１．３分子層程度のＧａＳｂ濡れ層１３を形成する。この時点で、ＧａＡｓ埋め込み層１２に対するＧａＳｂ濡れ層１３の格子歪は相当量に達し、島状成長が開始する直前の状態にある。
【００４８】
その後、ＳｂとＧａの分子線を遮断し、ＩｎとＡｓの分子線を照射して、１分子層程度成長する。ＩｎＡｓの格子定数は、ＧａＳｂの格子定数に比較的近い。
ＩｎＡｓは、すでに歪が相当量蓄積されているＡｓＳｂ濡れ層１３上に成長するので、もはや平坦な層にはならずにそのまま量子ドット１４を形成する。Ｉｎ分子線を遮断して、Ａｓ照射下で３０秒程度保持し、その後同じ基板温度でＧａＡｓを再度成長して、ＧａＡｓ埋め込み層１５を形成する。
【００４９】
第１実施形態では、ＧａＳｂ濡れ層１３の成長を１．３分子程度、すなわち、ＧａＳｂが島状成長を開始する直前の膜厚で終了しているが、これ以上の膜厚にまで成長してもよい。この場合は、ＧａＳｂ濡れ層１３の成長は島状成長に遷移するので、量子ドットの底面部分をＧａＳｂが占有することになる。この状態で、上述したように分子線を切り換えると、ＧａＳｂの円錐底面上にＩｎＡｓ量子ドットが形成されることになる。
【００５０】
この場合、ＩｎＡｓ量子ドットの実効体積が減少し、キャリア閉じ込めがさらに強くなる。ただし、島状成長に遷移した後のＧａＳｂの成長は、転位生成の臨界膜厚未満で終了させるのが望ましい。
【００５１】
図６は、第１実施形態の量子半導体構造において、Ｓ−Ｋ成長とリアルタイムで観察された反射高速電子解析（ＲＨＥＥＤ：reflection high energy electron diffraction）強度の変化を示すグラフである。まず、ＧａＡｓ上にＧａＳｂの成長が始めるまで、すなわち時間０までは、電子線回析（ＲＨＥＥＤ）像は平面からの２次元的な回析を示すストリーク像である。その後、ＧａＳｂ濡れ層の形成によって、回析像の強度が変動するが、回析像は２次元平面からのストリークの様相を示す。ＧａＡｓへのＧａＳｂの供給量が１．３分子層程度に達し、分子線ビームをＩｎとＡｓに切り換えた直後から、電子線回析像は、３次元的な回析を示すスポット像へと急変する。これは、成長表面が、平面から微小な凹凸のある３次元形状に変化したことを示している。
【００５２】
図６のＲＨＥＥＤ観察結果から、（１）ＧａＡｓ上に、これよりも格子定数が大きくＳ−Ｋモードでの成長が可能なＧａＳｂを成長し、（２）ＧａＡｓに対するＧａＳｂの歪量が限界に達する直前でＧａＳｂの成長を終了して、ＩｎＡｓの成長を開始させることにより、ＧａＡｓとのエネルギバンド不連続がタイプII型である材料で濡れ層のみが形成され、ＧａＡｓとのエネルギバンド不連続がタイプＩ型である材料で量子ドットのみが形成されることが確認される。
【００５３】
ＧａＳｂ濡れ層１３は、電子に対して障壁となり、濡れ層での２次元的な電子の閉じ込めは生じない。この結果、濡れ層での再結合や、濡れ層からの電子の流出入、流出した電子の量子ドットでの緩和などを防止することができる。
【００５４】
図７は、本発明の第２実施形態に係る量子半導体構造を示す。第２実施形態では、量子ドット直下の濡れ層（薄膜結晶層）に、埋め込み層材料のエネルギバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料を用いる。量子ドットには、第１実施形態と同様に、埋め込み層材料に対してバンド不連続がタイプＩ型となる材料を用いる。
【００５５】
具体例として、図７（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板２１上で、ＧａＡｓ埋め込み層２２上に、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きいＡｌＳｂの濡れ層（薄膜結晶層）２３を配置する。ＡｌＳｂの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数よりも大きい。この濡れ層２３の直上に、ＧａＡｓに対してタイプＩ型のバンド不連続となるＩｎＡｓの量子ドット２４を形成する。ＡａＳｂ濡れ層２３とＩｎＡｓ量子ドット２４上に、第２の埋め込み層２５を配置して、量子ドット２４全体を埋め込む構成とする。
【００５６】
ＡｌＳｂ濡れ層２３の膜厚は、Ｓ−ＫモードでＡｌＳｂの成長を継続した場合に島状成長が開始する直前の膜厚、たとえば１．５分子相当の膜厚とする。
【００５７】
図７（ｂ）および７（ｃ）は、図７（ａ）の量子半導体構造のＡ−Ａ’断面とＢ−Ｂ’断面でのエネルギバンド図をそれぞれ示す。濡れ層（薄膜結晶層）２３の材料であるＡｌＳｂは、伝導帯の基底準位がＧａＡｓの伝導帯側の基底準位よりも高く、電子に対して障壁を構成する。また、価電子帯側では、ＡｌＳｂの基底準位は、ＧａＡｓの荷電子帯側基底準位よりも低い。したがって、ＡｌＳｂ濡れ層２３は、キャリアに対する障壁を構成し、埋め込み層２２、２５の材料ＧａＡｓに対して量子井戸にはならない。
【００５８】
一方、量子ドット２４を構成するＩｎＡｓは、埋め込み層２２、２５の材料であるＧａＡｓに対して、タイプＩ型のバンド不連続となる。したがって、ＩｎＡｓ量子ドット１４内では、キャリアが３次元的に閉じ込められる。
【００５９】
このような量子半導体構造は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により作製することができる。ＭＢＥ装置に入れた（００１）ＧａＡｓ基板２１の表面をクリーニング後、基板温度６００℃でＧａＡｓを４５０ｎｍ成長し、基板温度を５００℃まで下げながら、さらに５０ｎｍ程度ＧａＡｓを連続的に成長してＧａＡｓ埋め込み層２２を形成する。
【００６０】
その後、ＧａおよびＡｓの分子線を遮断して、Ｓｂ分子線を２秒間照射する。
これにより、ＡｓとＳｂを確実に切り替えるとともに、表面からＡｓが抜けるのを防止する。さらにＳｂを照射しながら、Ａｌの分子線を照射して、１．５分子層程度のＡｌＳｂ濡れ層２３を形成する。この時点で、ＧａＡｓ埋め込み層２２に対するＡｌＳｂ濡れ層２３の格子歪は相当量に達し、島状成長が開始する直前の状態にある。
【００６１】
その後、ＳｂとＡｌの分子線を遮断し、ＩｎとＡｓの分子線を照射して、１分子層程度成長する。ＩｎＡｓの格子定数は、ＡｌＳｂの格子定数に比較的近い。
ＩｎＡｓは、すでに歪が相当量蓄積されているＡｌＳｂ濡れ層２３上に成長するので、もはや平坦な層にはならずに、そのまま量子ドット２４を形成する。Ｉｎ分子線を遮断して、Ａｓ照射下で３０秒程度保持し、その後同じ基板温度でＧａＡｓを再度成長して、ＧａＡｓ埋め込み層２５を形成する。
【００６２】
第２実施形態でも、ＡｌＳｂの成長を島状成長に遷移する直前で終了させる代わりに、その後しばらく継続してもよい。この場合、ＡｌＳｂの円錐底面上にＩｎＡｓの量子ドットが形成されることになり、閉じ込めがいっそう強くなる。ただし、転位生成の臨界膜厚に達する前にＡｌＳｂの成長は終了させる。
【００６３】
図８〜１０は、本発明の量子半導体構造を適用した量子半導体装置の具体例を示す。
【００６４】
図８（ａ）は、図５に示す量子半導体構造を備える量子ドットレーザ３０の断面模式図である。量子ドットレーザ３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板３２上で、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure：光閉じ込め）層３４、３６に挟まれた活性層３５を有する。活性層３５は、詳細は図示しないが、図５（ａ）に示すＧａＳｂ濡れ層と、ＩｎＡｓ量子ドットを有する量子半導体層である。また、ＳＣＨ層３４、３６はＧａＡｓで構成される。活性層３５とＳＣＨ層３４、３６の積層構造は、ｎ型およびｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層３２、３７で挟み込まれる。ｐ型クラッド層３７上には、ｐ型コンタクト層３９を介して、ｐ電極４０が設けられる。一方、ｎ型基板３２の裏面に、ｎ電極３１が設けられる。
【００６５】
図８（ｂ）は、図８（ａ）のＥ−Ｅ’断面におけるエネルギバンド図である。
活性層３５を構成するＩｎＡｓ量子ドットは、サークルＣで示すようにキャリア閉じ込め領域となる。従来の濡れ層とは異なり、ＧａＳｂ濡れ層はＧａＡｓに対して量子井戸とならないので、ＩｎＡｓ量子ドットの中にだけキャリアを閉じ込める。したがって、たとえばｐ型電極４０から電流が注入されると、ＧａＳｂ濡れ層での再結合は抑制され、ＩｎＡｓ量子ドットで効率的にキャリアが再結合する。
【００６６】
発生した光は、ＧａＡｓ光閉じ込め（ＳＣＨ）層３４、３６と、ＡｌＧａＡｓクラッド層３２、３７との屈折率の差により、サークルＤで示すように、ＳＣＨ層３４、３６の内部に閉じ込められる。
【００６７】
このような量子ドットレーザは、従来の量子ドットの生成に伴って必然的に形成されていた量子井戸型の濡れ層による劣性要因、たとえば濡れ層からの不要な発光が抑制され、発光効率が改善される。
【００６８】
図９は、図５に示す量子半導体構造を備える量子ドット赤外線検出器５０を示す。量子ドット赤外線検出器５０は、ＧａＡｓ基板５１上に、ＧａＡｓコンタクトを介して、ＧａＡｓ埋め込み層５４と、量子半導体層５３とを繰り返す積層構造５８を有する。積層構造５８上には、ＧａＡｓコンタクト５５が設けられ、コンタクト５２、５５には、電極５７、５６がそれぞれ接続される。
【００６９】
量子半導体層５３は、図５に示す量子半導体構造を有し、量子ドット赤外線検出器５０の活性層として機能する。すなわち、１．３分子相当程度の膜厚を有するＧａＳｂ濡れ層５３ｂと、ＧａＳｂ濡れ層５３ｂ上に散在するＩｎＡｓ量子ドット５３ａとで構成され、矢印で示すように赤外線が照射されると、ＩｎＡｓ量子ドット５３ａにおいて赤外線の共鳴吸収が起きる。この結果、基底準位を占めていた電子が励起される。励起された電子は電位障壁を超えて光電流になる。ＧａＳｂ濡れ層５３ｂは、ＧａＡｓ埋め込み層５４に対してタイプII型のバンド不連続を示し、量子井戸を構成しない。したがって、赤外線の入射にともなう熱的な刺激による濡れ層５３ｂでのキャリアの励起や、キャリアの緩和を防止することができる。このような赤外線検出器は、暗電流を低減し、高温動作が可能になる。
【００７０】
図１０は、図５に示す量子半導体構造を備える量子ドット光メモリ６０の断面模式図である。量子ドット光メモリ６０は、ｎ型ＧａＡｓ基板６１上にｎ型ＧａＡｓバッファ層６２を介して、ＧａＡｓ埋め込み層６４，６６と、量子半導体層６５を交互に５層繰り返す。量子半導体層６５は、それぞれＩｎＡｓ量子ドット６５ａとＧａＳｂ濡れ層６５ｂで構成され、量子ドット光メモリ６０の活性層として機能する。最上層のＧａＡｓ埋め込み層６６上に、ＡｌＡｓ層６７、ＡｌＧａＡｓ層６８、ＧａＡｓ層６９、ＡｌＧａＡｓ層７０を積層し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７１上にＡｓ電極７１を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面にもｎ電極６１を設ける。
【００７１】
ＩｎＡｓ量子ドット６５ａは、そのサイズに揺らぎがあるため、電子・正孔間の遷移エネルギの異なる量子ドットが存在する。たとえば、第１の電子・正孔間遷移エネルギに対応する波長の第１書き込み光を照射すると、この遷移エネルギを有する量子ドット６５ａ₁で共鳴が起こり、電子、正孔対が生成される。このうち、電子はトンネリングして外部に抜け出して電界中を移動し、正孔が量子ドットに残る。この正孔の存在をたとえば「１」で表す。第２の電子・正孔間遷移エネルギを有する量子ドット６５ａ₂では、第１の書き込み光の吸収は起きず、「０」が書き込まれる。さらに第２の遷移エネルギに対応する第２の書き込み光を照射すると、量子ドット６５ａ₂ で電子、正孔対が生成され、電子が流れ出て「１」が書き込まれる。これにより、波長多重光メモリが実現される。なお、図示はしないが、膜厚方向に向かって（ｎ電極６１からｐ電極７２に向かって）電界がかけられているものとする。
【００７２】
次に、読み出し時には、波長可変読み出し光を照射する。このとき、「１」が書き込まれている量子ドットでは変化は生じないが、「０」が書き込まれている量子ドット、たとえば第３の電子・正孔間遷移エネルギを有する量子ドットでは、この遷移エネルギに対応する波長の光が照射されると電子・正孔対が発生し、電子が流れ出る。この電子の流出による電流変化を、たとえば電流検出器（不図示）で検知することによって、情報「０」が書き込まれていたことがわかる。
【００７３】
図８〜図１０に示す適用例では、図５の量子半導体構造を用いたが、図７に示す第２実施形態の量子半導体構造を適用しても同様の効果が得られる。
【００７４】
第１および第２実施形態では、埋め込み材料としてＧａＡｓを用い、濡れ層にＧａＡｓに対してタイプII型のバンド不連続となるＧａＳｂ、または、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きいＡｌＳｂを用いた。自己形成的に得られる量子ドットは、ＧａＡｓに対してタイプＩ型のバンド不連続となるＩｎＡｓを用いた。
しかし、本発明はこれらの例に限定されず、濡れ層が母材（埋め込み半導体層）に対して量子井戸とならない材料で、かつ、量子ドットが母材に対してキャリアの３次元閉じ込めが可能になる材料であれば、任意の組み合わせを採用することができる。
【００７５】
たとえば、埋め込み層材料を（Ａｌ）ＧａＡｓ、濡れ層（薄膜結晶層）をＧａ（Ａｓ）Ｓｂ、自己形成的に得られる量子ドットをＩｎ（Ｇａ）Ａｓで形成してもよい。
【００７６】
また、埋め込み層材料をＩｎＰ，濡れ層（薄膜結晶層）を（Ａｌ）Ｇａ（Ａｓ）Ｓｂ、自己形成的に得られる量子ドットをＩｎ（Ｇａ）Ａｓで形成してもよい。いずれの場合も、濡れ層と量子ドットの双方の格子定数は、母材である埋め込み層の格子定数よりも大きい。
【００７７】
さらに別の例として、埋め込み層材料をＩｎＰ、濡れ層（薄膜結晶層）をＡｌＡｓ、量子ドットをＧａＡｓとしてもよい。単独の状態では、ＧａＡｓのバンドギャップは母材のＩｎＰよりも広い。しかし、ＩｎＰ上にＡｌＡｓを介してＧａＡｓをヘテロ成長させた場合、ＧａＡｓの格子定数が母材のＩｎＰよりも小さいため、格子不整合による引っ張り歪によりＧａＡｓのバンドギャップがシュリンクすると考えられる。結果として、ＧａＡｓ量子ドットのバンドギャップは、母材のＩｎＰよりも狭くなり、キャリアの３次元閉じ込めが可能になる。
【００７８】
最後に、以下の付記を開示する。
（付記１）下地半導体層上に位置し、この下地半導体層に対して量子井戸を構成せず、かつ下地半導体層に対してＳ−Ｋモードでの成長が可能な材料で構成される薄膜結晶層と、
薄膜結晶層の直上に位置し、下地半導体層に対してタイプＩ型のエネルギバンド不連続を構成する量子ドットと
を備える量子半導体構造を有する量子半導体装置。
（付記２）量子半導体構造の薄膜結晶層は、下地半導体層に対してタイプII型のバンド不連続を構成することを特徴とする付記１に記載の量子半導体装置。
（付記３）量子半導体構造の薄膜結晶層は、下地半導体層よりも大きなバンドギャップを有する材料で構成されることを特徴とする付記１に記載の量子半導体装置。
（付記４）量子半導体構造の薄膜結晶層の膜厚は、Ｓ−Ｋモード成長において島状成長が開始する直前の、いわゆる濡れ層の膜厚であることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の量子半導体装置。
（付記５）前記量子ドットの格子定数は、前記下地半導体層および薄膜結晶層の格子定数と異なり、前記薄膜結晶層と下地半導体層の格子定数の差は、薄膜結晶層と量子ドットの格子定数の差よりも大きいことを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の量子半導体装置。
（付記６）下地半導体層上に、この下地半導体層に対してＳ−Ｋモードでの成長が可能であり、かつ下地半導体層に対して量子井戸を構成しない材料で濡れ層を成長する工程と、
濡れ層上に、下地半導体層に対してタイプＩ型のエネルギバンド不連続となる材料で、自己形成的に量子ドットのみを形成する工程と
を含むことを特徴とする量子半導体装置の作製方法。
（付記７）濡れ層を、前記下地半導体層に対してタイプII型のエネルギバンド不連続となる材料で形成することを特徴とする付記６に記載の量子半導体装置の作製方法。
（付記８）濡れ層を、前記下地半導体層よりもバンドギャップが大きい材料で形成することを特徴とする付記６に記載の量子半導体装置の作製方法。
（付記９）濡れ層の成長を、Ｓ−Ｋ成長モードで島状成長が起きる直前で終了することを特徴とする付記６に記載の量子半導体装置の作製方法。
（付記１０）濡れ層の成長を、Ｓ−Ｋ成長モードで島状成長へ遷移する時点以降、かつ転位生成が生じるより前に終了することを特徴とする付記６に記載の量子半導体装置の作製方法。
（付記１１）半導体基板と、
半導体基板上に位置する埋め込み半導体層と、
埋め込み半導体層上に位置し、この下地半導体層に対して量子井戸を構成せず、かつ下地半導体層に対してＳ−Ｋモードでの成長が可能な材料で構成される薄膜結晶層と、薄膜結晶層の直上に位置し、埋め込み半導体層に対してタイプＩ型のエネルギバンド不連続を構成する量子ドットとで構成される量子半導体層と、を備え、埋め込み半導体層と、量子半導体層との繰り返しを１層以上含むことを特徴とする量子半導体装置。
（付記１２）前記薄膜結晶層の膜厚は、Ｓ−Ｋ成長モードで島状成長が開始する直前のいわゆる濡れ層の膜厚であることを特徴とする付記１１に記載の量子半導体装置。
（付記１３）量子半導体装置は量子ドットレーザであり、前記量子半導体装置を挟み込む一対の光閉じ込め層をさらに有することを特徴とする付記１１に記載の量子半導体装置。
（付記１４）量子半導体装置は量子ドット赤外線検出器であり、赤外線入射面を有し、前記量子ドットで入射赤外線に応じた光電流を生成し、前記濡れ層で暗電流を抑制することを特徴とする付記１１に記載の量子半導体装置。
（付記１５）量子半導体装置は量子ドット光メモリであり、前記量子ドットで情報を記憶し、前記濡れ層で量子ドットにおけるキャリアの変動を抑制することを特徴とする付記１１に記載の量子半導体装置。
【００７９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、量子ドットの形成に伴う量子井戸型の濡れ層に起因する劣性要因を排除し、自己形成された量子ドットの優位性を確実に維持できる。
【００８０】
このような量子半導体構造を量子半導体装置に適用すると、発光効率や波長多重性が改善され、暗電流の低減も可能になる。結果として、高感度、高性能の量子半導体装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＳ−Ｋモードによる量子ドットの成長を示す図である。
【図２】従来のＳ−Ｋモードで形成された量子ドット構造と、エネルギバンド構造を示す図である。
【図３】従来のＳ−Ｋモードで形成された量子ドットから観察される発光スペクトルを示す図である。
【図４】量子ドットと量子井戸の状態密度とキャリア分布、およびその物性を説明するための図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る量子半導体構造の断面模式図とエネルギバンド図である。
【図６】第１実施形態の量子半導体構造におけるＳ−Ｋ成長時のＲＨＥＥＤ（反射高速電子回析）像を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る量子半導体構造の断面模式図とエネルギバンド図である。
【図８】本発明の量子半導体構造を適用した量子ドットレーザの模式図である。
【図９】本発明の量子半導体構造を適用した量子ドット赤外線検出器の模式図である。
【図１０】本発明の量子半導体構造を適用した量子ドット光メモリの模式図である。
【符号の説明】
１１、２１、３２、５１、６２ＧａＡｓ基板
１２、２２、５４、６４、ＧａＡｓ層（下地半導体層）
１３、６３ｂ、６５ｂＧａＳｂ濡れ層
１４、２４，５３ａ、６５ａＩｎＡｓ量子ドット
１５、２５、６６ＧａＡ埋め込み層
２３ＡｌＳｂ濡れ層
３１、４０、５６、５７、６１、７２電極
３５、６５、５３活性層（量子半導体層）
３４、３６ＳＣＨ層
３３、３７クラッド層

Claims

下地半導体層上に位置し、この下地半導体層に対して量子井戸を構成せず、かつ下地半導体層に対してＳ−Ｋモードでの成長が可能な材料で構成される薄膜結晶層と、
前記薄膜結晶層の直上に位置し、前記下地半導体層に対してタイプＩ型のエネルギバンド不連続を構成する量子ドットと
を備える量子半導体構造を有する量子半導体装置において、
前記量子半導体構造の薄膜結晶層は、前記下地半導体層に対してタイプII型のバンド不連続を構成する量子半導体構造を有する量子半導体装置。
前記量子半導体構造の薄膜結晶層の膜厚は、Ｓ−Ｋモード成長において島状成長が開始される直前の、いわゆる濡れ層の膜厚であることを特徴とする請求項１に記載の量子半導体装置。
下地半導体層上に、この下地半導体層に対してＳ−Ｋモードでの成長が可能であり、かつ下地半導体層に対して量子井戸とならない材料で濡れ層を成長する工程と、
前記濡れ層上に、前記下地半導体層に対してタイプＩ型のエネルギバンド不連続となる材料で、自己形成的に量子ドットのみを形成する工程と
を含み、
前記濡れ層を形成する材料は、前記下地半導体層に対してタイプII型のバンド不連続を構成する
ことを特徴とする量子半導体装置の作製方法。
半導体基板と、
前記半導体基板上に位置する埋め込み半導体層と、
前記埋め込み半導体層上に位置し、当該埋め込み半導体層に対して量子井戸を構成せず、かつＳ−Ｋモードでの成長が可能な材料で構成される薄膜結晶層と、当該薄膜結晶層の直上に位置し、前記埋め込み半導体層に対してタイプＩ型のエネルギバンド不連続を構成する量子ドットとで構成される量子半導体層と、
を備え、
前記量子半導体層の薄膜結晶層は、前記埋め込み半導体層に対してタイプII型のバンド不連続を構成し、
前記埋め込み半導体層と、前記量子半導体層との繰り返しを１層以上含むことを特徴とする量子半導体装置。