JP4737745B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば光通信システムにおいて用いられる半導体装置に関し、特に量子ドットを活性層に用いた半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplifier）に用いて好適の半導体装置に関する。
近年、半導体光増幅器や半導体レーザは、小型で消費電力が小さいため、光通信の分野で大きな注目を集めている。
特に、量子ドットを活性層として用いた半導体光増幅器（以下、量子ドットＳＯＡ）はパターン効果が小さく、利得帯域が広いため、ＣＷＤＭ（Coarse Wavelength Division Multiplexing）信号を一括して増幅することが可能な素子として有望視されている。
特に、量子ドットを活性層として用いた半導体光増幅器（以下、量子ドットＳＯＡ）はパターン効果が小さく、利得帯域が広いため、ＣＷＤＭ（Coarse Wavelength Division Multiplexing）信号を一括して増幅することが可能な素子として有望視されている。
量子ドットＳＯＡの実用化を図るためには、利得帯域の広さだけでなく、偏波依存性を小さくすることが必要である。
これに対し、歪み系ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現する、いわゆるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長を利用することによって量子ドットを形成できることが知られている。
これに対し、歪み系ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現する、いわゆるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長を利用することによって量子ドットを形成できることが知られている。
しかしながら、このような方法で形成された量子ドットは、一般に、ドットの形状が扁平で、非等方的な歪みを持つため、ＴＥ偏光に対する利得が大きく、偏波依存性が大きい。
このため、偏波依存性を改善するために、例えば特許文献１では、量子ドットを含むバリア層を繰り返し積層することで、個々の量子ドットを量子力学的に結合させることを提案している（段落番号００３５，００３７，図３参照）。また、特許文献１では、量子ドットを囲むバリア層の組成を変えることで、伝導体に対する価電子帯中の軽い正孔の準位と重い正孔の準位との関係を制御し、ＴＭモードの光放射に対する量子ドットの相互作用の割合をＴＥモードの光放射に対する量子ドットの相互作用の割合よりも大きくすることを提案している（段落番号００５１，００５１参照）。
特開２００４−１１１７１０号公報
このため、偏波依存性を改善するために、例えば特許文献１では、量子ドットを含むバリア層を繰り返し積層することで、個々の量子ドットを量子力学的に結合させることを提案している（段落番号００３５，００３７，図３参照）。また、特許文献１では、量子ドットを囲むバリア層の組成を変えることで、伝導体に対する価電子帯中の軽い正孔の準位と重い正孔の準位との関係を制御し、ＴＭモードの光放射に対する量子ドットの相互作用の割合をＴＥモードの光放射に対する量子ドットの相互作用の割合よりも大きくすることを提案している（段落番号００５１，００５１参照）。
ところで、上述のように自己組織化により形成した量子ドットには、歪みが生じているため、量子ドットを含むバリア層（ひいては活性層全体）の結晶性は好ましくないものとなる。
例えば、上述の特許文献１（図３参照）のように、量子ドットを含むバリア層を繰り返し積層することで、個々の量子ドットを量子力学的に結合させる場合にも、量子ドットを含むバリア層の結晶性を向上させることは重要である。
例えば、上述の特許文献１（図３参照）のように、量子ドットを含むバリア層を繰り返し積層することで、個々の量子ドットを量子力学的に結合させる場合にも、量子ドットを含むバリア層の結晶性を向上させることは重要である。
また、上述の特許文献１には、量子ドットを囲むバリア層の組成を変えれば、偏波依存性を改善することができる旨記載されているが、量子ドットを含むバリア層の結晶性を向上させることも重要である。
一方、量子ドットを含むバリア層を繰り返し積層させる場合、上述の特許文献１（図３参照）のように、量子ドットの上側（ここでは量子ドットを含むバリア層を複数積層させているため、上下の量子ドットの間）にもバリア層を形成してしまうのが一般的である。
一方、量子ドットを含むバリア層を繰り返し積層させる場合、上述の特許文献１（図３参照）のように、量子ドットの上側（ここでは量子ドットを含むバリア層を複数積層させているため、上下の量子ドットの間）にもバリア層を形成してしまうのが一般的である。
しかしながら、量子ドットの上側にもバリア層を形成してしまうと、量子ドットの上面側に引張力が作用してしまい、偏波依存性を改善する観点からは望ましくない結果となる。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、量子ドットを含む量子ドット層の結晶性を向上させることができるようにした、半導体装置を提供することを目的とする。また、量子ドットに生じる歪みを効果的に調整できるようにして、偏波依存性を改善できるようにすることも目的とする。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、量子ドットを含む量子ドット層の結晶性を向上させることができるようにした、半導体装置を提供することを目的とする。また、量子ドットに生じる歪みを効果的に調整できるようにして、偏波依存性を改善できるようにすることも目的とする。
このため、本発明の半導体装置は、基板と、基板の上方に設けられ、第１の格子定数を有する半導体結晶からなるバリア層と、バリア層上に形成され、第２の格子定数を有する半導体結晶からなり、平坦な頂部を有する複数の量子ドットと、複数の量子ドットのそれぞれの側面に接するように形成され、第３の格子定数を有する半導体結晶からなるサイドバリア層とを有する量子ドット層とを備え、バリア層、量子ドット及びサイドバリア層が、第１の格子定数の値と第２の格子定数の値との差と、第１の格子定数の値と第３の格子定数の値との差とが反対の符号になるように構成され、バリア層とサイドバリア層とは、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＧａＩｎＮＡｓからなる群から選ばれるいずれか一種の構成元素で組成が異なる半導体結晶からなり、基板は、バリア層と構成元素が異なるＩｎＰ又はＧａＡｓからなることを特徴としている。
また、量子ドット層を複数備えるものとし、複数の量子ドット層が、一の層を構成する量子ドットが隣接する他の層を構成する量子ドットに接するように、積層されるように構成するのが好ましい。
したがって、本発明の半導体装置によれば、量子ドットを含む量子ドット層の結晶性を向上させることができるという利点がある。
また、量子ドットに生じる歪みを効果的に調整することができ、偏波依存性を改善できるという利点もある。
また、量子ドットに生じる歪みを効果的に調整することができ、偏波依存性を改善できるという利点もある。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる半導体装置について、図１，図２を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体装置は、例えば量子ドットを用いた活性層を備える半導体光増幅器（以下、量子ドットＳＯＡという）である。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる半導体装置について、図１，図２を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体装置は、例えば量子ドットを用いた活性層を備える半導体光増幅器（以下、量子ドットＳＯＡという）である。
本量子ドットＳＯＡは、図１に示すように、半導体基板（ここではＩｎＰ基板）１と、半導体基板１上にバッファ層（ここではＩｎＰ層）２を介して形成された量子ドット４を含む活性層６とを備えて構成される。
ここで、活性層６は、バリア層３，７と、複数の量子ドット４と、サイドバリア層５とを備えて構成される。
ここで、活性層６は、バリア層３，７と、複数の量子ドット４と、サイドバリア層５とを備えて構成される。
なお、複数の量子ドット４と、複数の量子ドット４のそれぞれの側面に接するように形成されるサイドバリア層５とから量子ドット層８が構成される。量子ドット層８は、下側バリア層３上に積層されており、また、量子ドット層８上には上側バリア層７が積層されている。これにより、下側バリア層３と、上側バリア層７との間に量子ドット層８が挟み込まれた構造になっている。つまり、量子ドット４は、その上面が上側バリア層７に接し、その下面が下側バリア層３に接している。なお、量子ドット４の高さとサイドバリア層５の厚さとは実効的に等しくなっている。
本実施形態では、量子ドット４、バリア層３，７及びサイドバリア層５を形成する半導体結晶を、Ｉｎ及びＧａを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶（ここではＩｎＧａＡｓＰからなる半導体混晶）としている。また、サイドバリア層５を、下側バリア層３を構成する半導体結晶に対して歪み系の半導体結晶により構成している。
具体的には、バリア層３，７は、ＩｎＰ基板と格子整合するＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰy（歪の範囲±０．５％，格子定数の範囲０．５８６９ｎｍ±０．００３ｎｍ）半導体混晶（第１の半導体結晶，第１の格子定数）からなるＩｎＧａＡｓＰ層としている。例えば、Ｉｎ0.850Ｇａ0.150Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶（格子定数０．５８６９ｎｍ）からなるＩｎＧａＡｓＰ層としている。
具体的には、バリア層３，７は、ＩｎＰ基板と格子整合するＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰy（歪の範囲±０．５％，格子定数の範囲０．５８６９ｎｍ±０．００３ｎｍ）半導体混晶（第１の半導体結晶，第１の格子定数）からなるＩｎＧａＡｓＰ層としている。例えば、Ｉｎ0.850Ｇａ0.150Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶（格子定数０．５８６９ｎｍ）からなるＩｎＧａＡｓＰ層としている。
サイドバリア層５は、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰy（ｘ≦０．８４，歪みの範囲・引張歪０．５％〜３％，格子定数の範囲０．５６９８ｎｍ〜０．５８６８ｎｍ，体積割合の範囲４０〜９５％）半導体混晶（第３の半導体結晶，第３の格子定数）からなる歪ＩｎＧａＡｓＰ層としている。例えば、Ｉｎ0.710Ｇａ0.290Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶（格子定数０．５８１１３ｎｍ，引張歪１％，体積割合７５％）からなる歪ＩｎＧａＡｓＰ層としている。
また、量子ドット４は、ＩｎＡｓ半導体結晶（第２の半導体結晶，格子定数０．６０５８４ｎｍ；第２の格子定数，ここでは圧縮歪およそ３％，体積割合２５％）からなるＩｎＡｓ量子ドットとしている。
このように、本実施形態では、バリア層３，７、量子ドット４及びサイドバリア層５が、第１の格子定数の値と第２の格子定数の値との差と、第１の格子定数の値と第３の格子定数の値との差とが反対の符号になるようにしている。
このように、本実施形態では、バリア層３，７、量子ドット４及びサイドバリア層５が、第１の格子定数の値と第２の格子定数の値との差と、第１の格子定数の値と第３の格子定数の値との差とが反対の符号になるようにしている。
例えば、量子ドット４を構成する半導体結晶の格子定数（第２の格子定数）の値が、バリア層３を構成する半導体結晶の格子定数（第１の格子定数）の値よりも大きい場合、サイドバリア層５を構成する半導体結晶の格子定数（第３の格子定数）の値を、バリア層３を構成する半導体結晶の格子定数（第１の格子定数）の値よりも小さくすることで、第１の格子定数の値と第２の格子定数の値との差と、第１の格子定数の値と第３の格子定数の値との差とが反対の符号になるようにすれば良い。
好ましくは、バリア層３，７を構成する半導体結晶の格子定数（第１の格子定数）の値と、量子ドット４を構成する半導体結晶の格子定数（第２の格子定数）の値とサイドバリア層５を構成する半導体結晶の格子定数（第３の格子定数）の値の平均値とが等しくなるように、バリア層３，７、量子ドット４及びサイドバリア層５を構成する。
特に、第１の格子定数の値と第２の格子定数の値との差と、量子ドット層８の体積に対する量子ドット４の体積の割合とを積算した値が、第１の格子定数の値と第３の格子定数の値との差と、量子ドット層８の体積に対するサイドバリア層５の体積の割合とを積算した値と等しくなるようにするのが好ましい。
特に、第１の格子定数の値と第２の格子定数の値との差と、量子ドット層８の体積に対する量子ドット４の体積の割合とを積算した値が、第１の格子定数の値と第３の格子定数の値との差と、量子ドット層８の体積に対するサイドバリア層５の体積の割合とを積算した値と等しくなるようにするのが好ましい。
以下、このようにしている理由を説明する。
一般に、自己組織化により形成した量子ドット４には、圧縮歪み（又は引張歪み）が生じており、ＴＥ偏光（引張歪みの場合はＴＭ偏光）に対する利得が大きくなり、偏波依存性が大きくなっている。
このため、偏波依存性を改善するために、量子ドット４の側面に引張力（又は圧縮力）を作用させるべく、量子ドット４の側面に接するサイドバリア層５に歪みを入れることが考えられる。
一般に、自己組織化により形成した量子ドット４には、圧縮歪み（又は引張歪み）が生じており、ＴＥ偏光（引張歪みの場合はＴＭ偏光）に対する利得が大きくなり、偏波依存性が大きくなっている。
このため、偏波依存性を改善するために、量子ドット４の側面に引張力（又は圧縮力）を作用させるべく、量子ドット４の側面に接するサイドバリア層５に歪みを入れることが考えられる。
一方、自己組織化により形成した量子ドット４は、一般に、その形状が扁平であり、量子ドット４の側面の面積が小さいため、量子ドット４に生じる歪みを効果的に調整するためには、サイドバリア層５に大きな歪みを入れることが必要になる。
しかしながら、サイドバリア層５に大きな歪みを入れると、量子ドット層８（ひいては活性層６）の結晶性が悪くなってしまう。
しかしながら、サイドバリア層５に大きな歪みを入れると、量子ドット層８（ひいては活性層６）の結晶性が悪くなってしまう。
そこで、本実施形態では、上述のように構成することで、巨視的にみるとバリア層３，７と量子ドット層８とが格子整合するように構成することで、量子ドット層８（ひいては活性層６全体）の結晶性を向上させるようにしている。
また、本実施形態では、バリア層３，７及びサイドバリア層５を形成する半導体結晶は、量子ドット４の近傍領域において、それ以外の領域よりもＩｎ濃度又はＧａ濃度が増大した状態になっている。
また、本実施形態では、バリア層３，７及びサイドバリア層５を形成する半導体結晶は、量子ドット４の近傍領域において、それ以外の領域よりもＩｎ濃度又はＧａ濃度が増大した状態になっている。
次に、本実施形態にかかる量子ドットＳＯＡの製造方法について説明する。
まず、図１に示すように、（００１）面方位を有するＩｎＰ基板１上に、例えば厚さ１００ｎｍのＩｎＰバッファ層２、例えば厚さ１００ｎｍのＩｎＰに格子整合する（即ち、格子定数が一致する）Ｉｎ0.850Ｇａ0.150Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶（第１の半導体結晶，格子定数０．５８６９ｎｍ；第１の格子定数）からなる下側ＩｎＧａＡｓＰバリア層３（バンドギャップ波長：１．１μｍ）を、例えば有機金属化学気相成長法により成長させる。
まず、図１に示すように、（００１）面方位を有するＩｎＰ基板１上に、例えば厚さ１００ｎｍのＩｎＰバッファ層２、例えば厚さ１００ｎｍのＩｎＰに格子整合する（即ち、格子定数が一致する）Ｉｎ0.850Ｇａ0.150Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶（第１の半導体結晶，格子定数０．５８６９ｎｍ；第１の格子定数）からなる下側ＩｎＧａＡｓＰバリア層３（バンドギャップ波長：１．１μｍ）を、例えば有機金属化学気相成長法により成長させる。
次に、下側バリア層３上に、例えばＩｎＡｓ半導体混晶（第２の半導体結晶，格子定数０．６０５８４ｎｍ；第２の格子定数，ここでは圧縮歪およそ３％，体積割合２５％）からなるＩｎＡｓ量子ドット４を、基板温度４６０度において、約２分子層分に相当する原料供給量で形成する。この場合、量子ドット４を構成する半導体結晶の格子定数は、下側バリア層３を構成する半導体結晶の格子定数よりも大きく、所定の差があるため、歪み系ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現するＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長により、島状のＩｎＡｓ量子ドット４が形成されることになる。
次いで、量子ドット４を埋め込むように、例えばＩｎ0.710Ｇａ0.290Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶（第３の半導体結晶，格子定数０．５８１１３ｎｍ，引張歪１％，体積割合７５％）からなる歪ＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層５を、１．５ｎｍの厚さ分に相当する原料供給量で形成する。
このようにしてサイドバリア層５を形成した後、基板温度５００度において、温度アニールを行ない、基板温度４６０度にする。これにより、量子ドット４の頂部が平坦になり、量子ドット４の高さとサイドバリア層５の厚さとが実効的に等しくなる。このようにして、表面を平坦にされた量子ドット４とサイドバリア層５とからなる量子ドット層８が形成される。
このようにしてサイドバリア層５を形成した後、基板温度５００度において、温度アニールを行ない、基板温度４６０度にする。これにより、量子ドット４の頂部が平坦になり、量子ドット４の高さとサイドバリア層５の厚さとが実効的に等しくなる。このようにして、表面を平坦にされた量子ドット４とサイドバリア層５とからなる量子ドット層８が形成される。
ここでは、サイドバリア層５を構成する半導体結晶の格子定数は、下側バリア層３を構成する半導体結晶の格子定数よりも小さいため、第１の格子定数の値と第２の格子定数の値との差と、第１の格子定数の値と第３の格子定数の値との差とが反対の符号になり、また、バリア層３を構成する半導体結晶の格子定数（第１の格子定数）の値と、量子ドット４を構成する半導体結晶の格子定数（第２の格子定数）の値とサイドバリア層５を構成する半導体結晶の格子定数（第３の格子定数）の値の平均値とが等しくなる。特に、ここでは、第１の格子定数の値と第２の格子定数の値との差と、量子ドット層８の体積に対する量子ドット４の体積の割合とを積算した値が、第１の格子定数の値と第３の格子定数の値との差と、量子ドット層８の体積に対するサイドバリア層５の体積の割合とを積算した値と等しくなる。このため、バリア層３と量子ドット層８とは格子整合することになる。
そして、このようにして形成された量子ドット層８上に、量子ドット４の頂部に接するように、厚さ１００ｎｍの上側バリア層７を形成する。
このようにして、下側バリア層３と、上側バリア層７との間に量子ドット層８が挟み込まれた構造の活性層６を形成する。なお、ここでは、上下のバリア層３，７で量子ドット層８を挟み込んだ構造の活性層６を１層のみ形成しているが、同じ構成の活性層６を繰り返し積層させるようにしても良い。
このようにして、下側バリア層３と、上側バリア層７との間に量子ドット層８が挟み込まれた構造の活性層６を形成する。なお、ここでは、上下のバリア層３，７で量子ドット層８を挟み込んだ構造の活性層６を１層のみ形成しているが、同じ構成の活性層６を繰り返し積層させるようにしても良い。
その後、例えばコンタクト層、電極等を形成する。
したがって、本実施形態にかかる量子ドットＳＯＡによれば、量子ドット４を含む量子ドット層８（ひいては活性層６全体）の結晶性を向上させることができ、発光強度を増大させることができるという利点がある。
ここで、図２は、上述の素子構造を有する量子ドットＳＯＡにおける発光強度（ＰＬ強度）の測定結果（ＰＬスペクトル）を示している。
したがって、本実施形態にかかる量子ドットＳＯＡによれば、量子ドット４を含む量子ドット層８（ひいては活性層６全体）の結晶性を向上させることができ、発光強度を増大させることができるという利点がある。
ここで、図２は、上述の素子構造を有する量子ドットＳＯＡにおける発光強度（ＰＬ強度）の測定結果（ＰＬスペクトル）を示している。
なお、図２中、破線Ａは、サイドバリア層及びバリア層をＩｎ0.850Ｇａ0.150Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶により形成した場合の発光強度を示している。また、実線Ｂは、バリア層をＩｎ0.850Ｇａ0.150Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶により形成し、サイドバリア層をバリア層の格子定数よりも小さい格子定数を持つＩｎ0.710Ｇａ0.290Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶により形成し、サイドバリア層と量子ドットとを含む量子ドット層（ひいては活性層全体）の格子定数が、バリア層（又はＩｎＰ基板）の格子定数と同じになるようにした場合の発光強度を示している。破線Ａの場合も実線Ｂの場合も、量子ドットは、バリア層の格子定数よりも大きい格子定数を持つＩｎＡｓ半導体結晶により形成している。
図２中、実線Ｂ及び破線Ａで示すように、サイドバリア層にＩｎ0.710Ｇａ0.290Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶を用いた場合は、サイドバリア層にＩｎ0.850Ｇａ0.150Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶を用いた場合よりも、量子ドットからの再結合発光強度が増大していることがわかる。これは、サイドバリア層にＩｎ0.710Ｇａ0.290Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶を用いた場合（図２中、実線Ｂ）には、サイドバリア層にＩｎ0.850Ｇａ0.150Ａｓ0.327Ｐ0.673半導体混晶を用いた場合（図２中、破線Ａ）よりも量子ドット層（活性層）の結晶性が良いことを意味する。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる半導体装置について、図３を参照しながら説明する。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる半導体装置について、図３を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体装置は、上述の第１実施形態のものに対し、複数の量子ドット層を備える点が異なる。
つまり、本実施形態にかかる量子ドットＳＯＡは、図３に示すように、複数の量子ドット層８を備え、複数の量子ドット層８が、一の層を構成する量子ドット４が隣接する他の層を構成する量子ドット４に接するように、積層されている。
つまり、本実施形態にかかる量子ドットＳＯＡは、図３に示すように、複数の量子ドット層８を備え、複数の量子ドット層８が、一の層を構成する量子ドット４が隣接する他の層を構成する量子ドット４に接するように、積層されている。
本量子ドットＳＯＡは、図３に示すように、半導体基板（ここではＩｎＰ基板）１と、半導体基板１上にバッファ層（ここではＩｎＰ層）２を介して形成された活性層６とを備えて構成される。
ここで、活性層６は、複数の量子ドット層８を積層させ、上下のバリア層３，７で挟み込んだ構造になっている。つまり、活性層６は、バリア層３，７と、複数の量子ドット積層体１１と、サイドバリア層積層体１２とを備えて構成される。
ここで、活性層６は、複数の量子ドット層８を積層させ、上下のバリア層３，７で挟み込んだ構造になっている。つまり、活性層６は、バリア層３，７と、複数の量子ドット積層体１１と、サイドバリア層積層体１２とを備えて構成される。
ここでは、量子ドット層８は、上述の第１実施形態と同様に、複数の量子ドット４と、複数の量子ドット４のそれぞれの側面に接するように形成されるサイドバリア層５とから構成される。
また、量子ドット積層体１１は、複数の量子ドット４を直接上下に積み重ねて、結晶成長方向で量子力学的に結合した構造になっており、全体として、一つの量子ドットと見ることができるものである。また、サイドバリア層積層体１２は、複数のサイドバリア層５を上下に積み重ねた構造になっており、全体として、一つのサイドバリア層と見ることができるものである。このため、複数の量子ドット層８は、全体として、一つの量子ドット層と見ることができる。この場合、一つの量子ドット層の上面が上側バリア層７に接し、その下面が下側バリア層３に接していることになり、量子ドットの高さとサイドバリア層の厚さとが実効的に等しくなっていることになる。
また、量子ドット積層体１１は、複数の量子ドット４を直接上下に積み重ねて、結晶成長方向で量子力学的に結合した構造になっており、全体として、一つの量子ドットと見ることができるものである。また、サイドバリア層積層体１２は、複数のサイドバリア層５を上下に積み重ねた構造になっており、全体として、一つのサイドバリア層と見ることができるものである。このため、複数の量子ドット層８は、全体として、一つの量子ドット層と見ることができる。この場合、一つの量子ドット層の上面が上側バリア層７に接し、その下面が下側バリア層３に接していることになり、量子ドットの高さとサイドバリア層の厚さとが実効的に等しくなっていることになる。
特に、量子ドット積層体１１及びサイドバリア層積層体１２を構成する量子ドット層８は、上述の第１実施形態のものと同様であり、良好な結晶性を有しているため、積層させることが容易であり、積層数を増やすことが可能となる。また、複数の量子ドット層８は、互いに格子整合するため、これらの量子ドット層８を積層させて形成される活性層６全体の結晶性も良好なものとなる。さらに、扁平な量子ドット４を積層させて量子ドット積層体１１とすることで、量子ドット４の実効的なアスペクト比（高さ／直径）を大きくすることができ（例えば０．５よりも大きくすることができる）、偏波依存性を改善することが可能となる。
また、量子ドット４を直接上下に積み重ねて複数の量子ドット積層体１１を形成し、それぞれの側面に、歪みを有するサイドバリア層５（サイドバリア層積層体１２）が接するようにしているため、結晶成長方向の量子ドット４に生じる歪みをサイドバリア層５のみで効果的に調整することができ、偏波依存性を改善することができる。
これについて、詳細に説明する。
これについて、詳細に説明する。
つまり、偏波依存性を改善するために、量子ドットに引張力（又は圧縮力）を作用させるべく、量子ドットに接するバリア層に歪みを入れることが考えられる。しかしながら、バリア層に大きな歪みを入れると、量子ドット層（ひいては活性層）の結晶性が悪くなってしまう。
特に、例えば特許文献１のように、量子ドットの上側（ここでは量子ドットを含むバリア層を複数積層させているため、上下の量子ドットの間）にバリア層を形成してしまうと、量子ドットの上面側に引張力（又は圧縮力）が作用してしまい、偏波依存性を改善する観点からは望ましくない結果になってしまう。
特に、例えば特許文献１のように、量子ドットの上側（ここでは量子ドットを含むバリア層を複数積層させているため、上下の量子ドットの間）にバリア層を形成してしまうと、量子ドットの上面側に引張力（又は圧縮力）が作用してしまい、偏波依存性を改善する観点からは望ましくない結果になってしまう。
一方、自己組織化により形成した量子ドットは、一般に、その形状が扁平であり、下面の面積に対して、側面の面積が小さい。このような形状の量子ドットでは、偏波依存性を改善するために、量子ドットの側面に十分な大きさの引張力（又は圧縮力）を作用させるべく、量子ドットの側面に接するサイドバリア層のみに大きな歪みを入れることが考えられるが、大きな歪みを入れると、量子ドットとサイドバリア層とからなる量子ドット層（ひいては活性層）の結晶性が悪くなってしまう。
そこで、偏波依存性を改善するために、サイドバリア層に大きな歪みを入れないようにしながら、サイドバリア層が接する量子ドットの側面の面積の大きさが、バリア層が接する下面の面積の大きさに近づくようにして、量子ドットの側面に効果的に引張力（又は圧縮力）を作用させるようにしたい。
このため、本実施形態では、量子ドット層８（ひいては活性層６）の結晶性が悪くならない程度にサイドバリア層５に歪み（例えば１％）を入れる一方、複数の量子ドット層８を積層させることで、量子ドット積層体１１及びサイドバリア層積層体１２を形成し、サイドバリア層５（サイドバリア層積層体１２）が接する量子ドット４（量子ドット積層体１１）の側面の面積が、下側バリア層３が接する量子ドット４の下面の面積に近づくようにすることで、量子ドット４に生じる歪みを効果的に調整できるようにし、偏波依存性を改善できるようにしている。また、量子ドット層８を構成するサイドバリア層５に歪みを入れることで、サイドバリア層５に歪みを入れない場合よりも少ない積層数で偏波無依存を実現できることになる。
このため、本実施形態では、量子ドット層８（ひいては活性層６）の結晶性が悪くならない程度にサイドバリア層５に歪み（例えば１％）を入れる一方、複数の量子ドット層８を積層させることで、量子ドット積層体１１及びサイドバリア層積層体１２を形成し、サイドバリア層５（サイドバリア層積層体１２）が接する量子ドット４（量子ドット積層体１１）の側面の面積が、下側バリア層３が接する量子ドット４の下面の面積に近づくようにすることで、量子ドット４に生じる歪みを効果的に調整できるようにし、偏波依存性を改善できるようにしている。また、量子ドット層８を構成するサイドバリア層５に歪みを入れることで、サイドバリア層５に歪みを入れない場合よりも少ない積層数で偏波無依存を実現できることになる。
なお、構成の詳細は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは、説明を省略する。
次に、本実施形態にかかる量子ドットＳＯＡの製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、島状のＩｎＡｓ量子ドット４を形成するまでの工程は、上述の第１実施形態の場合と同様である。なお、本実施形態では、量子ドット４がＳ−Ｋモード成長する面には、ウェッティング層９と呼ばれる非常に薄いＩｎＡｓ層が形成されている。
次に、本実施形態にかかる量子ドットＳＯＡの製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、島状のＩｎＡｓ量子ドット４を形成するまでの工程は、上述の第１実施形態の場合と同様である。なお、本実施形態では、量子ドット４がＳ−Ｋモード成長する面には、ウェッティング層９と呼ばれる非常に薄いＩｎＡｓ層が形成されている。
次いで、上述の第１実施形態の場合と同様に、サイドバリア層５を形成した後、温度アニールを行なって、量子ドット４の高さとサイドバリア層５の厚さとが実効的に等しくなるようにする。このようにして、表面を平坦にされた量子ドット４とサイドバリア層５とからなる量子ドット層８が形成される。
次に、このようにして形成された量子ドット層８上に、同様に、島状のＩｎＡｓ量子ドット４を形成し、サイドバリア層５を形成した後、温度アニールを行なって、表面を平坦にされた量子ドット層８を形成する。以降、このような量子ドット層８を形成する工程を繰り返し行なって、複数（例えば１０層；図３では説明の便宜上、４層積層したものを図示している）の量子ドット層８を積層させる。
次に、このようにして形成された量子ドット層８上に、同様に、島状のＩｎＡｓ量子ドット４を形成し、サイドバリア層５を形成した後、温度アニールを行なって、表面を平坦にされた量子ドット層８を形成する。以降、このような量子ドット層８を形成する工程を繰り返し行なって、複数（例えば１０層；図３では説明の便宜上、４層積層したものを図示している）の量子ドット層８を積層させる。
ここで、量子ドット層８上に量子ドット４を形成する場合、量子ドット４は量子ドット層８を構成する量子ドット４の直上に形成されやすく、上下層の量子ドット４が上下で接合されることになる。このため、量子ドット４上に量子ドット４が形成され、量子ドット４が積み重ねられた量子ドット積層体１１が形成されることになる。この結果、サイドバリア層５上にサイドバリア層５が形成されることになり、サイドバリア層５が積み重ねられたサイドバリア層積層体１２も形成されることになる。
そして、複数の量子ドット層８を積層した後、その上に、最上層の量子ドット層８を構成する量子ドット４の頂部に接するように、厚さ１００ｎｍのバリア層７を形成する。
このようにして、下側バリア層３と、上側バリア層７との間に、複数の量子ドット層８が挟み込まれた構造の活性層６が形成される。この場合、量子ドット４は、その上面が上側バリア層７に接し、その下面が下側バリア層３に接している。
このようにして、下側バリア層３と、上側バリア層７との間に、複数の量子ドット層８が挟み込まれた構造の活性層６が形成される。この場合、量子ドット４は、その上面が上側バリア層７に接し、その下面が下側バリア層３に接している。
本実施形態では、図３に示すように、さらに、ここまでの工程をもう一度繰り返して、上述のようにして形成された活性層６上に、同じ構造の活性層６を積み重ねて２層構造の活性層６を有する量子ドットＳＯＡを形成している。なお、ここでは、活性層６を２層構造としているが、積層数はこれに限られるものではない。
その後、例えばコンタクト層、電極等を形成する。
その後、例えばコンタクト層、電極等を形成する。
したがって、本実施形態にかかる量子ドットＳＯＡによれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、量子ドット４を含む量子ドット層８（ひいては活性層６全体）の結晶性を向上させることができ、発光強度を増大させることができるという利点がある。
特に、本実施形態では、量子ドット４上に直接量子ドット４を積み上げることで量子ドットの実効的な高さを高くし、サイドバリア層５が接する量子ドット４の側面の面積の大きさを十分に確保することで、量子ドット４に生じる歪みを効果的に調整できるようになり、偏波依存性を改善することができるという利点がある。
特に、本実施形態では、量子ドット４上に直接量子ドット４を積み上げることで量子ドットの実効的な高さを高くし、サイドバリア層５が接する量子ドット４の側面の面積の大きさを十分に確保することで、量子ドット４に生じる歪みを効果的に調整できるようになり、偏波依存性を改善することができるという利点がある。
なお、本実施形態では、ウェッティング層９が形成されているものとして説明しているが、ウェッティング層９が形成されていないものであっても良い。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態にかかる半導体装置について、図４を参照しながら説明する。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態にかかる半導体装置について、図４を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体装置は、上述の第２実施形態にかかる量子ドットＳＯＡと同様の活性層構造を有する埋め込み導波路型量子ドットＳＯＡである。
本埋め込み導波路型量子ドットＳＯＡは、図４に示すように、半導体基板（ここではｎ−ＩｎＰ基板）２０と、バッファ層（ここではｎ−ＩｎＰ層）２１と、下側クラッド層（ここではｎ−ＩｎＰ層）２２と、活性層６（ここではＩｎＧａＡｓＰバリア層５及びＩｎＡｓ量子ドット４を含む）と、上側クラッド層（ここではｐ−ＩｎＰ層）２３と、電流狭窄層２４，２５（ここではｐ−ＩｎＰ層及びｎ−ＩｎＰ層）と、コンタクト層（ここではｐ−ＩｎＰ層）２６とを備えて構成される。
本埋め込み導波路型量子ドットＳＯＡは、図４に示すように、半導体基板（ここではｎ−ＩｎＰ基板）２０と、バッファ層（ここではｎ−ＩｎＰ層）２１と、下側クラッド層（ここではｎ−ＩｎＰ層）２２と、活性層６（ここではＩｎＧａＡｓＰバリア層５及びＩｎＡｓ量子ドット４を含む）と、上側クラッド層（ここではｐ−ＩｎＰ層）２３と、電流狭窄層２４，２５（ここではｐ−ＩｎＰ層及びｎ−ＩｎＰ層）と、コンタクト層（ここではｐ−ＩｎＰ層）２６とを備えて構成される。
ここで、活性層６は、上述の第２実施形態にかかる量子ドットＳＯＡの活性層と同様に構成される。
なお、図示しないが、上面及び下面にはそれぞれ電極が形成されており、両端面にはＡＲ（Anti-Reflection）コート膜（反射防止膜）が形成されている。
次に、本実施形態にかかる埋め込み導波路型量子ドットＳＯＡの製造方法について説明する。
なお、図示しないが、上面及び下面にはそれぞれ電極が形成されており、両端面にはＡＲ（Anti-Reflection）コート膜（反射防止膜）が形成されている。
次に、本実施形態にかかる埋め込み導波路型量子ドットＳＯＡの製造方法について説明する。
まず、図４に示すように、（００１）面方位を有するｎ−ＩｎＰ基板２０上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２１、ｎ−ＩｎＰ下側クラッド層２２を順に形成する。なお、ｎ−ＩｎＰ基板２０，ｎ−ＩｎＰバッファ層２１，ｎ−ＩｎＰ下側クラッド層２２は、例えばキャリア密度が１×１０18ｃｍ-3となるようにドープされている。
次に、ｎ−ＩｎＰクラッド２２層上に、上述の第２実施形態と同様の方法によって、ＩｎＧａＡｓＰバリア層５及びＩｎＡｓ量子ドット４を含む活性層６を形成する。
次に、ｎ−ＩｎＰクラッド２２層上に、上述の第２実施形態と同様の方法によって、ＩｎＧａＡｓＰバリア層５及びＩｎＡｓ量子ドット４を含む活性層６を形成する。
次いで、活性層６上に、ｐ−ＩｎＰ上側クラッド層２３を形成する。
その後、積層されたｎ−ＩｎＰ下側クラッド層２２，活性層６，ｐ−ＩｎＰ上側クラッド層２３を例えばエッチングにより加工してメサ構造を形成する。
そして、ｎ−ＩｎＰ下側クラッド層２２，活性層６，ｐ−ＩｎＰ上側クラッド層２３からなるメサ構造の両側が埋め込まれるように、ｐ−ＩｎＰ電流狭窄層２４及びｎ−ＩｎＰ電流狭窄層２５を順に形成した後、メサ構造及びｎ−ＩｎＰ電流狭窄層２５上に、ｐ−ＩｎＰコンタクト層２６を形成する。
その後、積層されたｎ−ＩｎＰ下側クラッド層２２，活性層６，ｐ−ＩｎＰ上側クラッド層２３を例えばエッチングにより加工してメサ構造を形成する。
そして、ｎ−ＩｎＰ下側クラッド層２２，活性層６，ｐ−ＩｎＰ上側クラッド層２３からなるメサ構造の両側が埋め込まれるように、ｐ−ＩｎＰ電流狭窄層２４及びｎ−ＩｎＰ電流狭窄層２５を順に形成した後、メサ構造及びｎ−ＩｎＰ電流狭窄層２５上に、ｐ−ＩｎＰコンタクト層２６を形成する。
その後、上面及び下面に電極を形成し、メサ構造の両端面にはＡＲ（Auti-Reflection）コート膜（反射防止膜）を形成する。
したがって、本実施形態にかかる埋め込み導波路型量子ドットＳＯＡによれば、量子ドット４を含む量子ドット層８（ひいては活性層６全体）の結晶性を向上させることができ、発光強度を増大させることができるという利点がある。
したがって、本実施形態にかかる埋め込み導波路型量子ドットＳＯＡによれば、量子ドット４を含む量子ドット層８（ひいては活性層６全体）の結晶性を向上させることができ、発光強度を増大させることができるという利点がある。
特に、本実施形態では、量子ドット４上に直接量子ドット４を積み上げることで量子ドット４の実効的な高さを高くし、サイドバリア層５が接する量子ドット４の側面の面積の大きさを十分に確保することで、量子ドット４に生じる歪みを効果的に調整できるようになり、偏波依存性を改善することができるという利点がある。
なお、上述の各実施形態では、バリア層及びサイドバリア層をＩｎＧａＡｓＰからなる半導体結晶により構成した場合に本発明を適用した例を説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＧａＩｎＮＡｓ等のＩｎ及びＧａを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶により構成した場合であっても本発明を適用することができる。
なお、上述の各実施形態では、バリア層及びサイドバリア層をＩｎＧａＡｓＰからなる半導体結晶により構成した場合に本発明を適用した例を説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＧａＩｎＮＡｓ等のＩｎ及びＧａを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶により構成した場合であっても本発明を適用することができる。
また、上述の各実施形態では、半導体基板を、（００１）面方位を有するＩｎＰ基板とした場合に本発明を適用した例を説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、（１１１）面方位または（１１０）面方位を有するＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板等の他の半導体基板により構成した場合であっても本発明を適用することができる。
また、上述の各実施形態では、量子ドットをＩｎＡｓ半導体結晶により形成した場合に本発明を適用した例を説明しているが、これに限られるものではなく、例えばＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓ半導体結晶などにより形成した場合であっても本発明を適用することができる。
また、上述の各実施形態では、量子ドットをＩｎＡｓ半導体結晶により形成した場合に本発明を適用した例を説明しているが、これに限られるものではなく、例えばＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓ半導体結晶などにより形成した場合であっても本発明を適用することができる。
また、上述の各実施形態では、埋め込み導波路型量子ドットＳＯＡを例に説明しているが、これに限られるものではなく、リッジ導波路型量子ドットＳＯＡでも良い。
また、上述の各実施形態では、半導体装置として量子ドットＳＯＡを例に説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は、その他の構造のＳＯＡ、半導体光変調器、半導体レーザなどの量子ドットを用いる半導体装置（量子ドット半導体装置，光半導体装置）に広く適用できるものである。
また、上述の各実施形態では、半導体装置として量子ドットＳＯＡを例に説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は、その他の構造のＳＯＡ、半導体光変調器、半導体レーザなどの量子ドットを用いる半導体装置（量子ドット半導体装置，光半導体装置）に広く適用できるものである。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
（付記１）
第１の格子定数を有する半導体結晶からなるバリア層と、
前記バリア層上に形成され、第２の格子定数を有する半導体結晶からなる複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットのそれぞれの側面に接するように形成され、第３の格子定数を有する半導体結晶からなるサイドバリア層とを有する量子ドット層とを備え、
前記バリア層、前記量子ドット及び前記サイドバリア層が、前記第１の格子定数の値と前記第２の格子定数の値との差と、前記第１の格子定数の値と前記第３の格子定数の値との差とが反対の符号になるように構成されることを特徴とする、半導体装置。
（付記１）
第１の格子定数を有する半導体結晶からなるバリア層と、
前記バリア層上に形成され、第２の格子定数を有する半導体結晶からなる複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットのそれぞれの側面に接するように形成され、第３の格子定数を有する半導体結晶からなるサイドバリア層とを有する量子ドット層とを備え、
前記バリア層、前記量子ドット及び前記サイドバリア層が、前記第１の格子定数の値と前記第２の格子定数の値との差と、前記第１の格子定数の値と前記第３の格子定数の値との差とが反対の符号になるように構成されることを特徴とする、半導体装置。
（付記２）
前記バリア層、前記量子ドット及び前記サイドバリア層が、前記第１の格子定数の値と、前記第２の格子定数の値と前記第３の格子定数の値の平均値とが等しくなるように構成されることを特徴とする、付記１記載の半導体装置。
（付記３）
前記バリア層、前記量子ドット及び前記サイドバリア層が、前記第１の格子定数の値と前記第２の格子定数の値との差と、前記量子ドット層の体積に対する前記量子ドットの体積の割合とを積算した値が、前記第１の格子定数の値と前記第３の格子定数の値との差と、前記量子ドット層の体積に対する前記サイドバリア層の体積の割合とを積算した値と等しくなるように構成されることを特徴とする、付記１又は２記載の半導体装置。
前記バリア層、前記量子ドット及び前記サイドバリア層が、前記第１の格子定数の値と、前記第２の格子定数の値と前記第３の格子定数の値の平均値とが等しくなるように構成されることを特徴とする、付記１記載の半導体装置。
（付記３）
前記バリア層、前記量子ドット及び前記サイドバリア層が、前記第１の格子定数の値と前記第２の格子定数の値との差と、前記量子ドット層の体積に対する前記量子ドットの体積の割合とを積算した値が、前記第１の格子定数の値と前記第３の格子定数の値との差と、前記量子ドット層の体積に対する前記サイドバリア層の体積の割合とを積算した値と等しくなるように構成されることを特徴とする、付記１又は２記載の半導体装置。
（付記４）
前記量子ドット層を複数備え、
前記複数の量子ドット層が、一の層を構成する量子ドットが隣接する他の層を構成する量子ドットに接するように、積層されていることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記量子ドット層を複数備え、
前記複数の量子ドット層が、一の層を構成する量子ドットが隣接する他の層を構成する量子ドットに接するように、積層されていることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
（付記５）
前記バリア層及び前記サイドバリア層を形成する半導体結晶が、Ｉｎ及びＧａを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶であることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
（付記６）
前記バリア層及び前記サイドバリア層を形成する半導体結晶は、前記量子ドット近傍領域において、それ以外の領域よりもＩｎ濃度又はＧａ濃度が増大していることを特徴とする、付記５記載の半導体装置。
前記バリア層及び前記サイドバリア層を形成する半導体結晶が、Ｉｎ及びＧａを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶であることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
（付記６）
前記バリア層及び前記サイドバリア層を形成する半導体結晶は、前記量子ドット近傍領域において、それ以外の領域よりもＩｎ濃度又はＧａ濃度が増大していることを特徴とする、付記５記載の半導体装置。
１，２０ 半導体基板
２，２１ バッファ層
３ 下側バリア層
４ 量子ドット
５ サイドバリア層
６ 活性層
７ 上側バリア層
８ 量子ドット層
９ ウェッティング層
１１ 量子ドット積層体
１２ サイドバリア層積層体
２２ 下側クラッド層
２３ 上側クラッド層
２４，２５ 電流狭窄層
２６ コンタクト層
２，２１ バッファ層
３ 下側バリア層
４ 量子ドット
５ サイドバリア層
６ 活性層
７ 上側バリア層
８ 量子ドット層
９ ウェッティング層
１１ 量子ドット積層体
１２ サイドバリア層積層体
２２ 下側クラッド層
２３ 上側クラッド層
２４，２５ 電流狭窄層
２６ コンタクト層
Claims (4)
- 基板と、
前記基板の上方に設けられ、第１の格子定数を有する半導体結晶からなるバリア層と、
前記バリア層上に形成され、第２の格子定数を有する半導体結晶からなり、平坦な頂部を有する複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットのそれぞれの側面に接するように形成され、第３の格子定数を有する半導体結晶からなるサイドバリア層とを有する量子ドット層とを備え、
前記バリア層、前記量子ドット及び前記サイドバリア層が、前記第１の格子定数の値と前記第２の格子定数の値との差と、前記第１の格子定数の値と前記第３の格子定数の値との差とが反対の符号になるように構成され、
前記バリア層と前記サイドバリア層とは、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＧａＩｎＮＡｓからなる群から選ばれるいずれか一種の構成元素で組成が異なる半導体結晶からなり、
前記基板は、前記バリア層と構成元素が異なるＩｎＰ又はＧａＡｓからなることを特徴とする、半導体装置。 - 前記バリア層、前記量子ドット及び前記サイドバリア層が、前記第１の格子定数の値と、前記第２の格子定数の値と前記第３の格子定数の値の平均値とが等しくなるように構成されることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
- 前記量子ドット層を複数備え、
前記複数の量子ドット層が、一の層を構成する量子ドットが隣接する他の層を構成する量子ドットに接するように、積層されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の半導体装置。 - 前記バリア層及び前記サイドバリア層を形成する半導体結晶は、前記量子ドット近傍領域において、それ以外の領域よりもＩｎ濃度又はＧａ濃度が増大していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
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