JP4587456B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体装置及びその製造方法に係り、特に所望の密度で量子ドットを形成しうる光半導体装置及びその製造方法に関する。

従来より、量子ドットの形成方法としては、Stranski-Krastanawモード（Ｓ−Ｋモード）による形成方法が知られている。

Ｓ−Ｋモードは、エピタキシャル成長する半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３次元成長するモードのことである。下地の材料と格子定数の異なる膜をエピタキシャル成長することにより、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の３次元成長島より成る量子ドットが自己形成される。

Ｓ−Ｋモードは、量子ドットを容易に自己形成することができるモードであるため、光半導体装置等の分野で広く用いられている。

光半導体装置を広い分野で応用することを考慮すると、量子ドットを所望の密度で形成することが望ましい。

量子ドットの密度を制御する技術としては、以下のような技術が提案されている。

第１の技術は、フォトリソグラフィ技術を用いて下地層の表面に凹部を予め形成しておき、この後、下地層上に量子ドット層を成長する技術である。量子ドットは凹部内に成長しやすい傾向があるため、凹部内に量子ドットを形成することができる。

第２の技術は、下地層の表面に不純物を付着させておき、この後、下地層上に量子ドットを成長する技術である。量子ドットは不純物を核として形成される傾向があるため、付着させる不純物の密度に応じて量子ドットを形成することができる。

第３の技術は、熱処理を行うことにより下地層中に析出物を形成し、この後、下地層上に量子ドットを成長する技術である。析出物が形成された箇所の上方に量子ドットが生成される傾向があるため、析出物の密度に応じて量子ドットを形成することができる。
特開平７−３０２７６３号公報 Applied Physics Letters, Volume 80, Number 18, (2002), 3277-3279

しかしながら、第１の技術では、フォトリソグラフィ技術を用いて凹部を形成するため、極めて高密度に凹部を形成することは困難であった。このため、量子ドットを極めて高密度に形成することはできなかった。また、第２の技術では、量子ドット中に不純物が取り込まれてしまうため、良質な量子ドットを形成することができなかった。また、第３の技術では、多数の析出物を高密度に形成することは困難であり、このため、量子ドットを高密度に形成することは困難であった。

本発明の目的は、良質な量子ドットを所望の密度で形成し得る光半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上記目的は、下地層上に形成された量子ドットを有する光半導体装置であって、前記下地層の少なくとも表層部に、前記下地層の構成元素とイオン半径が異なる微量元素が存在しており、前記微量元素の各原子によって前記表層部にそれぞれ生ずる局所的な歪により、前記量子ドットがそれぞれ形成されていることを特徴とする光半導体装置により達成される。

以上の通り、本発明によれば、下地層の少なくとも表層部に微量元素を存在させるため、微量元素が存在している箇所には、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪が生ずる。そうすると、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪に応じて、量子ドットを成長するための核が発生する。従って、本発明によれば、下地層の表層部に存在させる微量元素の面密度を適宜設定することにより、量子ドットの面密度を制御することができる。しかも、下地層の表層部に存在させる微量元素は微量であるため、下地層の質を損なうこともない。従って、本発明によれば、下地層や量子ドットの質を損なうことなく、所望の密度で量子ドットを形成することができる。

上述したように、従来の技術では、良質な量子ドットを所望の密度で形成することは困難であった。

本願発明者は鋭意検討した結果、以下のようにすれば、良好な量子ドットを所望の密度で形成しうることに想到した。

図１は、本発明の原理を示す断面図である。図１（ａ）は、微量元素が存在している箇所の上方に量子ドットが成長する場合を示す概念図である。図１（ｂ）は、微量元素が存在している箇所の上方を避けるように量子ドットが成長する場合を示す概念図である。

図１に示すように、下地層１６の表層部には、下地層１６の主たる構成元素（図示せず）とイオン半径が異なる微量元素１８が含まれている。

微量元素１８のイオン半径が、下地層１６の主たる構成元素（図示せず）のイオン半径と異なっているため、微量元素１８が存在している箇所には、局所的に引っ張り歪又は圧縮歪が生じる。

このような局所的な引っ張り歪や圧縮歪が生じている下地層１６上に、量子ドット層１９を形成すると、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪に応じて、量子ドット２０を成長させるための核が発生する。このため、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪に応じて、量子ドット２０が成長する。

微量元素１８が存在している箇所の上方に核が発生しやすい場合には、微量元素１８が存在している箇所の上方に量子ドット２０が成長する（図１（ａ）参照）。

微量元素１８が存在している箇所の上方を避けるように核が発生しやすい場合には、微量元素１８が存在している箇所の上方を避けるように量子ドット２０が成長する（図１（ｂ）参照）。

本発明によれば、下地層１６の少なくとも表層部に微量元素１８を存在させるため、微量元素１８が存在している箇所には、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪が生ずる。そして、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪に応じて、量子ドット２０を成長するための核が発生する。従って、本発明によれば、下地層１６の表層部に存在させる微量元素１８の面密度を適宜設定することにより、量子ドット２０の面密度を制御することができる。しかも、下地層１６の表層部に存在させる微量元素１８の量は少ないため、下地層１６の質を損なうこともない。このため、本発明によれば、下地層１６や量子ドット２０の質を損なうことなく、所望の密度で量子ドット２０を形成することができる。しかも、本発明によれば、高密度で量子ドット２０を形成することが可能となる。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態による光半導体装置を図１乃至図５を用いて説明する。図２は、本実施形態による光半導体装置を示す断面図である。

図２に示すように、基板１０上には、バッファ層１２が形成されている。基板１０としては、例えば、（３１１）Ｂのｎ形のＩｎＰ基板が用いられている。基板１０に導入されているｎ形のドーパント不純物の濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３程度となっている。バッファ層１２としては、例えばｎ形のＩｎＰ層が用いられている。バッファ層１２に導入されているｎ形のドーパント不純物の濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３程度となっている。

バッファ層１２上には、下部クラッド層１４が形成されている。下部クラッド層１４としては、例えばｎ形のＩｎＰ層が用いられている。下部クラッド層１４に導入されているｎ形のドーパント不純物の濃度は、例えば１×１０^１７〜１×１０^１８ｃｍ^−３程度となっている。下部クラッド層１４の厚さは、例えば３μｍ程度となっている。

下部クラッド層１４上には、活性層２４が形成されている。

活性層２４は、図１に示すように、下地層１６と、下地層１６上に形成された量子ドット層（ウェッティング層）１９と、量子ドット層１９上に形成されたキャップ層２２とを有している。

下地層１６の材料としては、例えばＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ_ＹＰ_１−Ｙ層が用いられている。

微量元素１８としては、例えばＮ（窒素）を用いることができる。

量子ドット層１９としては、例えばＩｎＡｓ層が用いられている。量子ドット層１９の供給量は、例えば３分子層（monolayer）となっている。

活性層２４の厚さは、例えば０．５μｍ程度となっている。

量子ドット２０は、微量元素１８が存在している箇所の上方に形成されている。

なお、ここでは微量元素１８が存在している箇所の上方に量子ドット２０が形成されている場合について説明したが、微量元素１８が存在している箇所の上方を避けるように量子ドット２０が形成される場合もある。いずれにしても、微量元素１８の面密度に応じて量子ドット２０の面密度を制御することができる。従って、微量元素１８が存在している箇所の上方に量子ドット２０が形成されてもよいし、微量元素１８が存在している箇所の上方を避けるように量子ドット２０が形成されてもよい。

量子ドット層１９上には、キャップ層２２が形成されている。キャップ層２２としては、例えばＩｎＧａＡｓＰ層が用いられている。キャップ層２２の厚さは、例えば２０ｎｍとする。

こうして活性層２４が構成されている。

活性層２４上には、上部クラッド層２６が形成されている。上部クラッド層２６としては、例えばｐ形のＩｎＰ層が用いられている。上部クラッド層２６に導入されているｐ形のドーパント不純物の濃度は、例えば１×１０^１７〜１×１０^１８ｃｍ^−３程度となっている。上部クラッド層の厚さは、例えば３μｍ程度となっている。

上部クラッド層２６上には、コンタクト層２８が形成されている。コンタクト層２８としては、例えばｐ形のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ層が用いられている。コンタクト層２８に導入されているｐ形のドーパント不純物の濃度は、例えば１×１０^１９ｃｍ^−３程度となっている。コンタクト層２８の厚さは、例えば０．５μｍ程度となっている。

コンタクト層２８及びクラッド層２６上部は、全体としてメサ状に形成されている。

コンタクト層２８上には、金属より成る上部電極３０が形成されている。

基板１０の下方には、金属より成る下部電極３２が形成されている。

こうして、本実施形態による光半導体装置が構成されている。

本実施形態による光半導体装置は、活性層２４における下地層１６の表層部に微量元素１８が存在しており、下地層１６の表層部における微量元素１８の存在に応じて、下地層１６上に量子ドット２０が形成されていることに主な特徴がある。

提案されている技術では、上述したように、量子ドットを高密度に形成することは困難であった。

これに対し、本実施形態によれば、下地層１６の少なくとも表層部に微量元素１８を存在させるため、微量元素１８が存在している箇所には、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪が生ずる。そうすると、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪に応じて、量子ドット２０を成長するための核が発生する。従って、本実施形態によれば、下地層１６の表層部に存在させる微量元素１８の面密度を適宜設定することにより、量子ドット２０の面密度を制御することができる。しかも、下地層１６の表層部に存在させる微量元素１８は微量であるため、下地層１６の質を損なうこともない。従って、本実施形態によれば、下地層１６や量子ドット２０の質を損なうことなく、所望の密度で量子ドット２０を形成することができる。

（光半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態による光半導体装置の製造方法を図３乃至図５を用いて説明する。図３乃至図５は、本実施形態による光半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、基板１０を用意する。基板１０としては、例えば、（３１１）Ｂのｎ形のＩｎＰ基板を用いる。基板１０に導入されているｎ形のドーパント不純物の濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３程度とする。

次に、基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、バッファ層１２を形成する。バッファ層１２としては、例えばｎ形のＩｎＰ層を形成する。バッファ層１２に導入するｎ形のドーパント不純物の濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３程度とする。

次に、全面に、例えばＭＯＣＶＤ法により、下部クラッド層１４を形成する。下部クラッド層１４としては、例えばｎ形のＩｎＰ層を形成する。下部クラッド層１４に導入するｎ形のドーパント不純物の濃度は、例えば５×１０^１７ｃｍ^−３程度とする。下部クラッド層１４の厚さは、例えば３μｍ程度とする。

次に、下部クラッド層１４上に、活性層２４を形成する。

ここで、活性層２４の形成方法について図４を用いて説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、下部クラッド層１４（図３（ｂ）参照）の全面に、例えばＭＢＥ法により下地層１６を形成する。下地層１６としては、例えばＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ_ＹＰ_１−Ｙ層を形成する。下地層１６を形成する際における成膜室内の温度は、例えば５５０〜６５０℃程度とする。

この際、下地層１６の少なくとも表層部に微量元素１８が存在するように、下地層１６を形成する。具体的には、下地層１６の構成元素を含む原料を用いて下地層１６を成長し、この後、下地層１６の構成元素を含む原料と微量元素１８を含む原料とを用いて更に下地層１６を成長する。

微量元素１８の面密度は、例えば１×１０^１２ｃｍ^−２とする。微量元素１８としては、例えば窒素を用いる。下地層１８に窒素を含ませるためには、例えばラジカル窒素を用いればよい。こうして、少なくとも表層部に微量元素１８が存在している下地層１６が形成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、全面に、例えばＭＢＥ法により量子ドット層１９を形成する。量子ドット層１９としては、例えばＩｎＡｓ層を形成する。量子ドット層１９の厚さは、例えば３分子層程度とする。量子ドット層１９を形成する際における成膜室内の温度は、例えば４５０〜５５０℃とする。こうして、微量元素１８が存在している箇所の上方に量子ドット２０が形成される。なお、ここでは、微量元素１８が存在している箇所の上方に量子ドット２０が形成される場合を例に説明したが、微量元素１８が存在している箇所の上方を避けるように量子ドット２０が形成されてもよい。

次に、全面に、例えばＭＢＥ法により、キャップ層２０を形成する。キャップ層２０としては、例えばＩｎＧａＡｓＰ層を形成する。キャップ層２０の厚さは、例えば３０ｎｍとする。

こうして、活性層２４が形成される。活性層２４の厚さは、例えば０．５μｍ程度となる。

なお、ここでは、ＭＢＥ法により活性層２４を形成する場合を例に説明したが、活性層２４の形成方法は、ＭＢＥ法に限定されるものではない。例えば、ＭＯＣＶＤ法により活性層２４を形成してもよい。

ＭＯＣＶＤ法により活性層２４を形成する場合における成膜条件は、例えば以下のようにすればよい。

下地層１６を形成する際における成膜室内の温度は、例えば５５０〜７００℃とする。量子ドット層１９を形成する際における成膜室内の温度は、例えば４５０〜５５０℃とする。下地層１６に窒素を含ませるための原料としては、例えばジメチルヒドラジンを用いればよい。

このように、ＭＯＣＶＤ法により活性層２４を形成してもよい。

次に、図５に示すように、全面に、例えばＭＯＣＶＤ法により、上部クラッド層２６を形成する。上部クラッド層２６としては、例えばｐ形のＩｎＰ層を形成する。上部クラッド層２６に導入するｐ形のドーパント不純物の濃度は、例えば例えば１×１０^１８ｃｍ^−３程度とする。上部クラッド層２６の厚さは、例えば３μｍ程度とする。

次に、全面に、例えばＭＯＣＶＤ法により、コンタクト層２８を形成する。コンタクト層２８としては、例えばｐ形のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ層を形成する。コンタクト層２８に導入するｐ形のドーパント不純物の濃度は、例えば１×１０^１９ｃｍ^−３程度とする。コンタクト層２８の厚さは、例えば０．５μｍ程度とする。

次に、コンタクト層２８及びクラッド層２６の上部を、全体としてメサ形状にパターニングする。

次に、例えばスパッタ法により、コンタクト層２８上に、金属より成る上部電極３０を形成する。

また、基板１０の下面側に、例えばスパッタ法により、金属より成る下部電極３２を形成する。

こうして本実施形態による光半導体装置が製造される。

（変形例（その１））
次に、本実施形態による光半導体装置の変形例（その１）を図６を用いて説明する。図６は、本変形例による光半導体装置を示す概念図である。なお、図６（ａ）は、微量元素が存在している箇所の上方に量子ドットが形成される場合を示している。図６（ｂ）は、微量元素が存在している箇所の上方を避けるように量子ドットが形成される場合を示している。

本変形例による光半導体装置は、下地層１６の表層部の１原子層においてのみ微量元素１８が存在していることに主な特徴がある。

図６に示すように、微量元素１８は、下地層１６の表層部の１原子層においてのみ存在している。

下地層１６の表層部の１原子層のみに微量元素１８を存在させるためには、デルタドープの技術を用いればよい。即ち、下地層１６を形成するための原料を用いて下地層１６を成長し、この後、下地層１６を形成するための原料の供給を停止し、微量元素１８の原料のみを供給すればよい。

このように、下地層１６の表層部の少なくとも１原子層に微量元素１８が存在していれば、上記と同様に、微量元素１８の存在により局所的な引っ張り歪又は圧縮歪が生じる。このため、上記と同様に、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪に応じて、量子ドット２０を成長するための核を発生させることが可能である。従って、本変形例によっても、所望の面密度で量子ドット２０を形成することができる。

なお、ここでは、下地層１６の表面の一原子層に微量元素１８を存在させたが、下地層１６の表面から１〜５原子層の範囲内の少なくともいずれかに微量元素１８を存在させるようにしてもよい。下地層１６の表面から１〜５原子層の範囲内に微量元素１８を存在させれば、微量元素１８の存在により生ずる局所的な引っ張り歪又は圧縮歪に応じて、量子ドット２０を成長することが可能である。

（変形例（その２））
次に、本実施形態による光半導体装置の変形例（その２）を図７を用いて説明する。図７は、本変形例による光半導体装置を示す概念図である。なお、図７（ａ）は、微量元素が存在している箇所の上方に量子ドットが形成される場合を示している。図７（ｂ）は、微量元素が存在している箇所の上方を避けるように量子ドットが形成される場合を示している。

本変形例による光半導体装置は、下地層１６と量子ドット層１９とが交互に積層されていることに主な特徴がある。

図７に示すように、下地層１６と量子ドット層１９は交互に積層されている。

各々の下地層１６の表層部には、微量元素１８が存在している。微量元素１８が存在している箇所においては、上記と同様に、局所的に引っ張り歪または圧縮歪が生じている。

局所的な引っ張り歪または圧縮歪に応じて、量子ドット２０が形成されている。

このように、下地層１６と量子ドット層１９とを交互に積層するようにしてもよい。下地層１６と量子ドット層１９とを交互に積層する場合であっても、上記と同様に、所望の面密度で量子ドット２０を形成することができる。

（変形例（その３））
次に、本実施形態による光半導体装置の変形例（その３）を図８を用いて説明する。図８は、本変形例による光半導体装置を示す概念図である。

本変形例による光半導体装置は、下地層１６の表層部に複数の種類の微量元素１８ａ、１８ｂが存在していることに主な特徴がある。

図８に示すように、下地層１６の表層部には、複数の種類の微量元素１８ａ、１８ｂが存在している。

例えば、微量元素１８ａとしては、イオン半径が比較的大きいものを用いる。これに対し、微量元素１８ｂとしては、イオン半径が比較的小さいものを用いる。

本変形例によれば、微量元素１８ａと微量元素１８ｂとの組み合わせにより、局所的な引っ張り歪や圧縮歪をより大きくすることが可能となる。従って、局所的な引っ張り歪や圧縮歪に対応して、より確実に量子ドット２０を成長することができる。

（変形例（その４））
次に、本実施形態による光半導体装置の変形例（その４）を図９を用いて説明する。図９は、本変形例による光半導体装置を示す断面図である。

本変形例による光半導体装置は、下部クラッド層１４、活性層２４及び上部クラッド層２６が全体としてメサ形状に形成されており、メサ形状の両側に埋め込み層３４が形成されていることに主な特徴がある。

図９に示すように、下部クラッド層１４、活性層２４及び上部クラッド層２６は、全体としてメサ形状に形成されている。

メサ形状の両側には、ｐ形のＩｎＰ層３４ａとｎ形のＩｎＰ層３４ｂとから成る埋め込み層３４が形成されている。埋め込み層３４は、例えば電流狭窄層として機能する。

このように、下部クラッド層１４、活性層２４及び上部クラッド層２６を全体としてメサ形状に形成し、メサ形状の両側に埋め込み層３４を形成してもよい。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光半導体装置を図１０乃至図１２を用いて説明する。図１０は、本実施形態による光半導体装置を示す断面図である。図１乃至図９に示す第１実施形態による光半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

（光半導体装置）
まず、本実施形態による光半導体装置を図１０を用いて説明する。図１０では、本実施形態による光半導体装置の活性層を主として示している。活性層以外の構成要素については、例えば第１実施形態による光半導体装置と同様とすることができる。

本実施形態による光半導体装置は、下地層１６の表層部における一部の領域においてのみ量子ドット２０が形成されていることに主な特徴がある。

図１０に示すように、下地層１６の表層部における一部の領域においてのみ微量元素１８が存在している。

微量元素１８が存在している箇所には、上記と同様に、局所的に圧縮歪又は引っ張り歪が生じている。局所的な圧縮歪又は引っ張り歪に応じて、量子ドット２０が形成されている。

このように、下地層１６の表層部における一部の領域においてのみ微量元素１８を存在させてもよい。

本変形例によれば、下地層１６上の表層部における一部の領域においてのみ微量元素１８を存在させるため、下地層１６の表層部における一部の領域においてのみ量子ドット２０を形成することができる。

（光半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態による光半導体装置の製造方法を図１１及び図１２を用いて説明する。図１１及び図１２は、本実施形態による光半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、下地層１６を形成する工程までは、上述した光半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する（図１１（ａ）参照）。

次に、例えばスピンコート法により、下地層１６上の全面に、フォトレジスト膜３６を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜３６をパターニングする。これにより、フォトレジスト膜３６に、下地層１６に達する開口部３８が形成される（図１１（ｂ）参照）。

次に、図１１（ｃ）に示すように、例えばイオン注入法により、フォトレジスト膜３６をマスクとして、微量元素１８を注入する。微量元素１８としては、例えばボロンを用いる。微量元素１８の面密度は、例えば１×１０^１４ｃｍ^−２程度とする。微量元素１８が導入された箇所には、局所的に引っ張り歪又は圧縮歪が生じる。

次に、図１２（ａ）に示すように、フォトレジスト膜３６を除去する。

次に、図１２（ｂ）に示すように、例えばＭＢＥ法により量子ドット層１９を形成する。そうすると、局所的な引っ張り歪又は圧縮歪に応じて、量子ドット２０が形成される。

次に、図１２（ｃ）に示すように、キャップ層２２を形成する。

こうして、活性層２４が形成される。

この後の光半導体装置の製造方法は、例えば図５を用いて上述した光半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、下地層１６としてＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ_ＹＰ_１−Ｙ層を形成したが、下地層１６はＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ_ＹＰ_１−Ｙ層に限定されるものではない。例えば、下地層１６として、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ層を用いてもよいし、ＧａＡｓ層を用いてもよい。

また、上記実施形態では、微量元素１８としてＮ（窒素）を用いる場合を例に説明したが、微量元素１８はＮに限定されるものではなく、下地層１６を構成する主たる元素とイオン半径が異なる元素を適宜用いることができる。

例えば、下地層１６としてＩｎＧａＡｓ層を用いる場合、微量元素１８としては例えばＢ、Ａｌ、Ｎ、Ｐ又はＳｂ等を用いることができる。Ｂ及びＡｌは、ＩｎやＧａと同様のIII族元素であり、Ｎ、Ｐ及びＳｂは、Ａｓと同様のＶ族元素である。このため、このような微量元素１８を用いた場合には、微量元素１８は下地層１６中において電気的に不活性となる。

また、下地層１６としてＩｎＧａＡｓ層を用いる場合、微量元素１８として例えばＳｉ、Ｚｎ、Ｓｅ又はＳ等を用いてもよい。ＳｉはIV族元素であり、ＺｎはII族元素であり、Ｓｅ及びＳはVI族元素である。このため、このような微量元素１８を用いた場合には、微量元素１８は下地層１６中においては電気的に活性となる。即ち、このような微量元素１８を用いた場合には、微量元素１８は下地層１６中においてｎ形又はｐ形の不純物となる。

また、下地層１６としてＧａＡｓ層を用いる場合には、微量元素１８としては例えばＢ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｎ、Ｐ又はＳｂを用いることができる。Ｂ、Ｉｎ及びＡｌは上述したようにIII族元素であり、Ｎ、Ｐ及びＳｂは上述したようにＶ族元素である。このため、このような微量元素１８を用いた場合には、微量元素１８は下地層１６中において電気的に不活性となる。

また、下地層１６としてＧａＡｓ層を用いる場合、微量元素１８としてＳｉ、Ｚｎ、Ｓｅ又はＳ等を用いてもよい。Ｓｉは上述したようにIV族元素であり、Ｚｎは上述したようにII族元素であり、Ｓｅ及びＳは上述したようにVI族元素である。このため、このような微量元素１８を用いた場合には、微量元素１８は下地層１６中において電気的に活性となる。

また、下地層１６としてＩｎＧａＡｓＰ層を用いる場合には、微量元素１８として例えばＢ、Ａｌ、Ｎ、Ｓｂを用いることができる。Ｂ、Ａｌは上述したようにIII族元素であり、Ｎ及びＳｂは上述したようにＶ族元素である。このため、このような微量元素１８を用いた場合には、微量元素１８は下地層１６中において電気的に不活性となる。

また、下地層１６としてＩｎＧａＡｓＰ層を用いる場合、微量元素１８としてＳｉ、Ｚｎ、Ｓｅ又はＳを用いてもよい。Ｓｉは上述したようにIV族元素であり、Ｚｎは上述したようにII族元素であり、Ｓｅ及びＳは上述したようにVI族元素である。このため、このような微量元素１８を用いた場合には、微量元素１８は下地層１６中において電気的に活性となる。

また、上記実施形態では、下地層１６の表層部に含ませる微量元素１８の面密度を１×１０^１２ｃｍ^−２としたが、下地層１６の表層部に含ませる微量元素１８の面密度は、１×１０^１２ｃｍ^−２に限定されるものではない。所望の密度で量子ドット２０を成長し得るように、下地層１６の表層部に含ませる微量元素１８の面密度は適宜設定すればよい。下地層１６の表層部に存在させる微量元素１８の面密度は、例えば１×１０^８〜１×１０^１４ｃｍ^−２の範囲で設定すればよい。この場合、量子ドット２０は、例えば１×１０^８〜１×１０^１２の面密度で形成し得ると考えられる。

更には、下地層１６の表層部１６に存在させる微量元素１８の面密度を、１×１０^１１〜１×１０^１４ｃｍ^−２の範囲で設定してもよい。この場合、量子ドット２０は、例えば１×１０^１１〜１×１０^１２ｃｍ^−２の面密度で形成し得ると考えられる。即ち、高密度に量子ドット２０を形成することができる。

更には、下地層１６の表層部１６に存在させる微量元素１８の面密度、１×１０^１２〜１×１０^１４ｃｍ^−２の範囲で適宜設定してもよい。この場合、量子ドット２０は、例えば１×１０^１２ｃｍ^−２程度の面密度で形成し得ると考えられる。即ち、より高密度に量子ドット２０を形成することができる。

また、上記実施形態では、量子ドット層１９としてＩｎＡｓ層を形成したが、量子ドット層１９はＩｎＡｓ層に限定されるものではない。下地層１６と格子定数が異なる材料を、適宜用いればよい。

また、第１実施形態では、下地層１６の少なくとも表層部に微量元素１８を存在させるように下地層１６を形成する場合を例に説明したが、下地層１６の表層部に微量元素を存在させる方法は、これに限定されるものではない。例えば、下地層１６を形成した後に、イオン注入法により、下地層１６の少なくとも表層部に微量元素１８を導入してもよい。また、下地層１６を形成した後に、熱拡散法により、下地層１６の少なくとも表層部に微量元素１８を導入してもよい。即ち、微量元素１８を含む高温の雰囲気中で、下地層１６の少なくとも表層部に微量元素１８を拡散させてもよい。

また、本発明を適用しうる光半導体装置の全体構成は、上述した光半導体装置に限定されるものではない。本発明の原理は、あらゆる構造の光半導体装置に適用することができる。

また、本発明の原理は、半導体光増幅器、光スイッチ、波長変換素子、量子ドットレーザ等、あらゆる光半導体装置に適用することが可能である。

（付記１） 下地層上に形成された量子ドットを有する光半導体装置であって、
前記下地層の少なくとも表層部に、前記下地層の構成元素とイオン半径が異なる微量元素が存在しており、
前記微量元素の存在により前記表層部に生ずる局所的な歪により、前記量子ドットが形成されている
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記２） 付記１記載の光半導体装置において、
前記局所的な歪は、引っ張り歪である
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記３） 付記１記載の光半導体装置において、
前記局所的な歪は、圧縮歪である
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記４） 付記１乃至３のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記微量元素は、１×１０^８〜１×１０^１４ｃｍ^−２の面密度で存在しており、
前記量子ドットは、１×１０^８〜１×１０^１２ｃｍ^−２の面密度で形成されている
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記５） 付記４記載の光半導体装置において、
前記微量元素は、１×１０^１１〜１×１０^１４ｃｍ^−２の面密度で存在しており、
前記量子ドットは、１×１０^１１〜１×１０^１２ｃｍ^−２の面密度で形成されている
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記６） 付記１乃至５のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記微量元素は、前記下地層の表面から１〜５原子層の範囲に存在している
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記７） 付記１乃至６のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記下地層は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰより成る
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記８） 付記１乃至７のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記微量元素は、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｓ、Ｂ、Ａｌ、Ｎ、Ｐ、Ｓｂ又はＩｎより成る
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記９） 付記１乃至８のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓより成る
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記１０） 付記１乃至９のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記下地層の前記表層部に、前記下地層の構成元素及び前記微量元素のいずれともイオン半径が異なる、更に他の微量元素が存在しており、
前記微量元素と前記他の微量元素との存在により前記表層部に生ずる局所的な歪に応じて、前記量子ドットが形成されている
ことを特徴とする光半導体装置。

（付記１１） 基板上に下地層を形成する工程と、前記下地層上に量子ドットを成長する工程とを有する光半導体装置の製造方法であって、
前記下地層を形成する工程では、前記下地層の構成元素を含む原料を用いて前記下地層を成長し；前記下地層の構成元素を含む前記原料と、前記下地層の構成元素に対してイオン半径が異なる微量元素を含む他の原料とを用いて、前記下地層を更に成長する
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。

（付記１２） 基板上に下地層を形成する工程と、前記下地層上に量子ドットを成長する工程とを有する光半導体装置の製造方法であって、
前記下地層を形成する工程では、前記下地層の構成元素を含む原料を用いて前記下地層を成長し；前記下地層の構成元素に対してイオン半径が異なる微量元素を含む他の原料を用いて、前記下地層の表層部に前記微量元素を導入する
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。

（付記１３） 基板上に下地層を形成する工程と、
前記下地層の構成元素とイオン半径が異なる微量元素を、前記下地層の少なくとも表層部に導入する工程と、
前記下地層上に量子ドットを成長する工程と
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。

本発明の原理を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光半導体装置を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 本発明の第１実施形態による光半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。 本発明の第１実施形態による光半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。 本発明の第１実施形態の変形例（その１）による光半導体装置を示す概念図である。 本発明の第１実施形態の変形例（その２）による光半導体装置を示す概念図である。 本発明の第１実施形態の変形例（その３）による光半導体装置を示す概念図である。 本発明の第１実施形態の変形例（その４）による光半導体装置を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による光半導体装置を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による光半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 本発明の第２実施形態による光半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。

符号の説明

１０…基板
１２…バッファ層
１４…下部クラッド層
１６…下地層
１８、１８ａ、１８ｂ…微量元素
１９…量子ドット層
２０…量子ドット
２２…キャップ層
２４…活性層
２６…上部クラッド層
２８…コンタクト層
３０…上部電極
３２…下部電極
３４…埋め込み層
３４ａ…ＩｎＰ層
３４ｂ…ＩｎＰ層
３６…フォトレジスト膜
３８…開口部

Claims (5)

1. 下地層上に形成された量子ドットを有する光半導体装置であって、
   前記下地層の少なくとも表層部に、前記下地層の構成元素とイオン半径が異なる微量元素が存在しており、
   前記微量元素の各原子によって前記表層部にそれぞれ生ずる局所的な歪により、前記量子ドットがそれぞれ形成されている
   ことを特徴とする光半導体装置。
2. 請求項１記載の光半導体装置において、
   前記微量元素は、１×１０^８〜１×１０^１４ｃｍ^−２の面密度で存在しており、
   前記量子ドットは、１×１０^８〜１×１０^１２ｃｍ^−２の面密度で形成されている
   ことを特徴とする光半導体装置。
3. 請求項２記載の光半導体装置において、
   前記微量元素は、１×１０^１１〜１×１０^１４ｃｍ^−２の面密度で存在しており、
   前記量子ドットは、１×１０^１１〜１×１０^１２ｃｍ^−２の面密度で形成されている
   ことを特徴とする光半導体装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
   前記微量元素は、前記下地層の表面から１〜５原子層の範囲に存在している
   ことを特徴とする光半導体装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
   前記下地層の前記表層部に、前記下地層の構成元素及び前記微量元素のいずれともイオン半径が異なる、更に他の微量元素が存在しており、
   前記微量元素と前記他の微量元素との存在により前記表層部に生ずる局所的な歪に応じて、前記量子ドットが形成されている
   ことを特徴とする光半導体装置。

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