JP4957335B2 - 化合物半導体量子ドットの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉ1-x-y Ｇｅ1-x Ｃy （ｘ≧０、ｙ≧０）バッファ層上に形状及び結晶性ともに良好な化合物半導体量子ドットを形成する化合物半導体量子ドットの製造方法に関する。
現在、チップ間、或いは、ボード間の光配線応用に向けてＳｉ基板上にモノリシックに集積可能な発光デバイスが求められている。この要求を満たす光デバイスの構造として、Ｓｉ基板上にIII-V 族化合物半導体量子ドットを含んだＳｉＧｅＣ層が形成された発光デバイスが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
この光デバイスを実現するには、IV族半導体上にIII-V 族化合物半導体量子ドットを形成する技術が不可欠であるが、本発明者は、Ｓｉ基板上に於いて、III-V 族化合物半導体量子ドットの生成過程が通常のIII-V 族化合物半導体基板上にIII-V 族化合物半導体量子ドットを生成する過程とは異なることを発見した。
即ち、６５０℃に加熱したＳｉ（００１）基板にジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）を供給することによってＳｉバッファ層を成長した後、水素雰囲気において、基板を量子ドット成長温度（４３０℃）まで降温し、温度安定化後、III 族原料のトリメチルインジウムとV 族原料のアルシンとを同時に供給することに依ってＩｎＡｓを成長したところ、量子ドットは形成されず、図６に見られるように三角形状の凹凸をもつ２次元層が形成された。
図６はＳｉ（００１）基板に形成したＩｎＡｓ層を表す原子間力顕微鏡（ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）写真であり、図６では、高さ方向の凹凸が0.5 〜１ｎｍ程度である三角形状の凹凸を有する２次元層を看取することができる。
ところで、前記ＩｎＡｓ層は、量子井戸的な性質しか持たない旨の問題があり、また、このＩｎＡｓ層は、基板に格子整合するように歪みながら成長した臨界膜厚以上の膜厚の層であることから、転位を生じて歪み緩和することに依り、２次元成長を維持していると考えられ、ＩｎＡｓ層の結晶性にも問題がある。
国際公開番号 ＷＯ ０６／０８５３６１ Ａ１ パンフレット
本発明では、Ｓｉ基板上で３次元電子閉じ込めを実現できるドット状の良好な形状特性をもち、且つ、結晶性良好な化合物半導体量子ドットを実現させようとする。
本発明に依る化合物半導体量子ドットの製造方法は、Ｓｉ1-x-y Ｇｅx Ｃy （ｘ≧０、ｙ≧０）バッファ層上に量子ドットを形成するのに必要な化合物半導体原料の一方の族の原料のみを先行して供給した後、全ての原料を供給して量子ドットを形成する工程が含まれてなることが基本になっている。
前記手段を採ることに依り、Ｓｉ基板上に在って３次元電子閉じ込めを行うことが可能なドット状の良好な形状特性をもち且つ結晶性が良好な化合物半導体量子ドットを容易に形成することができる。
本発明の化合物半導体量子ドットの製造方法に依れば、Ｓｉバッファ層上に良好な形状特性をもつと共に結晶性が良好な化合物半導体量子ドットを容易に形成することができるのであるが、本発明を成すにあたって行った実験、即ち、Ｓｉ（００１）基板を６５０℃に加熱し、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）を供給することによってＳｉバッファ層を成長し、水素雰囲気において、前記Ｓｉ（００１）基板を量子ドット成長温度である４３０℃まで降温し、III 族原料のトリメチルインジウムとＶ族原料のアルシン（ＡｓＨ3 ）を同時に２次元膜厚換算で２原子層（２ＭＬ）相当供給することによってＩｎＡｓを成長したのであるが、量子ドットを形成することができず、3 角形状の凹凸を有する2 次元層が成長しただけであった。
これは、一般的なＧａＡｓ基板上のＩｎＡｓ量子ドットなど、化合物半導体基板上の化合物半導体量子ドットの成長過程とは全く異なっていて、IV族半導体層上の化合物半導体成長特有の現象であることが発見された。
この現象を検討した結果、この特異な成長がIV族半導体の表面状態と関係しているのであろうことが判ってきた。即ち、IV族半導体表面は、水素原子で終端された状態で安定しているので、この状態で化合物半導体の原料を供給して成長を行うと、表面の水素原子を化合物半導体の元素に徐々に置換しながら成長が進んでいくのであるが、量子ドットに必要な大きさの成長核が形成されないため、化合物半導体は２次元層状に成長するだけで量子ドットは形成されないのである。
然しながら、量子ドット原料のうちの一つ、好ましくは、アニオン元素原料を先行して供給すると、IV族半導体層表面を終端していた水素原子が原料元素に置換されるので、その結果、次に、全ての量子ドット原料を供給したときに量子ドット形成に有効なサイズの核が形成され、それがやがて安定なサイズの量子ドットへと成長するのである。
実際、Ｓｉ（００１）基板上に基板温度を６５０℃としてＳｉ2 Ｈ6 を供給することに依ってＳｉバッファ層を成長し、次に、水素雰囲気中に於いて１分間の成長中断を行い、次に、４３０℃に降温しながらＡｓＨ3 を１２分間に亙って供給し、その後、ＴＭＩｎとＡｓＨ3 とを供給してＩｎＡｓを成長したところ、Ｓｉ（００１）基板の表面には化合物半導体量子ドットが生成された。
図１はＳｉ（００１）基板にＳｉバッファ層を成長してから化合物半導体量子ドットを生成した表面を表すＡＦＭ像写真であり、横方向サイズが５０ｎｍ、高さが１０ｎｍ程度の量子ドットが生成されている。
図２は化合物半導体の一方の族の材料のみの供給が量子ドット形成に重要であることを説明する実験結果を表す線図である。
図２の線図に●で示された点は、供給した原料がＡｓＨ3 の場合である。ＡｓＨ3 のみの供給が全くないか、或いは、１０秒である場合には、量子ドットは形成されない。これについて更に詳細に説明すると、図２に於ける縦軸及び横軸が０の近傍には、一部が重なった二つの●が示され、そのうち、完全に０の位置に在る●はＡｓＨ3 の供給が全くない場合を示し、そして、僅かに横軸の＋方向に振れた位置に在る●はＡｓＨ3 の供給が１０秒の場合を示すものである。
然しながら、ＡｓＨ3 を２分以上供給することで量子ドットが形成され、ＡｓＨ3 の供給を長くすると量子ドット密度が高くなる傾向が得られた。これは、ＡｓＨ3 が供給されている間に徐々にVI族半導体の表面状態が変化していることを示している。
図２のデータに依れば、ＡｓＨ3 の供給時間がある程度長い方が量子ドット形成に有効であることが看取できよう。
さて、■で示された点は、原料としてＰＨ3 を1 分間供給し、その後、水素雰囲気中断を挟んでＡｓＨ3 を１０秒供給した場合であって、この場合も量子ドットを形成することができた。
さきに説明したように、ＡｓＨ3 のみを１０秒間供給した場合、量子ドットを形成することはできなかったのであるから、ＰＨ3 を供給した場合には、IV族半導体の表面状態を変化させる作用があることは明らかであり、従って、本発明で用いる材料は、ＡｓＨ3 に限定されないことが理解できよう。尚、ＰＨ3 及びＡｓＨ3 は何れもＶ族の原料であることは云うまでもない。
図３は３８０℃以上の成長温度において、本発明の化合物半導体量子ドットの製造方法が有効であることを説明する線図である。
図３に見られるいずれの点もＳｉバッファ層を６５０℃で成長した後、ＡｓＨ3 を１２分間供給し、その後、ＴＭＩｎとＡｓＨ3 を供給することによってＩｎＡｓを成長した場合のデータである。
図３に於いて、●で示された点は、ＡｓＨ3 の流量が 0 .２ｃｃｍの場合であって、４３０℃、４６０℃、４９０℃の各成長温度に対して、本発明の化合物半導体量子ドットの製造方法に依って量子ドットを形成できることが実験的に確認された。
この実験結果から、本発明の方法が特に有効である温度の下限は、実験結果を低温側に外挿した破線から約３８０℃が求められ、これは、ＡｓＨ3 の分解温度を考慮した場合、化学反応の観点からも妥当な見積りであるといえる。
これに対し、高温側の上限は、前記実験結果からは決まらない。例えば、ＡｓＨ3 流量が 0 .２ｃｃｍの場合、４９０℃の方が４６０℃に比較して量子ドット密度は低下するのであるが、ＡｓＨ3 流量を４倍の 0 .８ｃｃｍとすることにより、量子ドット密度を高めることができる。
上記実験においては、量子ドット材料にIII-V 族化合物半導体を用いたが、例えば、II-VI 族化合物半導体などの極性を有する化合物半導体であれば、同様の現象、効果が期待できるため、量子ドット材料はIII-V 族化合物半導体に限定されない。
図４は本発明の実施例１を説明する為の工程要所に於ける量子ドット装置を表す要部切断側面図であり、以下、図を参照しつつ説明する。尚、実施例１では、ＳｉＧｅＣ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する。
（Ａ）参照
（１） Ｓｉ（００１）基板１を６５０℃に加熱し、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ゲルマン （ＧｅＨ4 ）モノメチルシラン（ＳｉＨ3 ＣＨ3 ）を供給することによりＳｉＧｅ Ｃ層２を成長する。尚、図には、ＳｉＧｅＣ層２上に自然に被着されたＨ原子３が 表示されている。
（１） Ｓｉ（００１）基板１を６５０℃に加熱し、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ゲルマン （ＧｅＨ4 ）モノメチルシラン（ＳｉＨ3 ＣＨ3 ）を供給することによりＳｉＧｅ Ｃ層２を成長する。尚、図には、ＳｉＧｅＣ層２上に自然に被着されたＨ原子３が 表示されている。
（２） 次いで、温度一定のままの状態で原料供給を停止し、その状態を保持し、VI族原 料ガスを十分排気する。
（Ｂ）参照
（３） 次いで、ＡｓＨ3 を供給しながら、基板温度を４８０℃まで降温する。これに依 り、ＳｉＧｅＣ層２の表面にはＡｓ原子４が被着する。
（３） 次いで、ＡｓＨ3 を供給しながら、基板温度を４８０℃まで降温する。これに依 り、ＳｉＧｅＣ層２の表面にはＡｓ原子４が被着する。
（Ｃ）及び（Ｄ）参照
（４） 次いで、温度が安定した後、ＡｓＨ3 及びＴＭＩｎを供給する。これに依って、 ＩｎＡｓ量子ドット５が形成される。
（４） 次いで、温度が安定した後、ＡｓＨ3 及びＴＭＩｎを供給する。これに依って、 ＩｎＡｓ量子ドット５が形成される。
図５は本発明の実施例２を説明する為の工程要所に於ける量子ドット装置を表す要部切断側面図であり、以下、図を参照しつつ説明する。尚、実施例２では、ＳｉＧｅＣ層上にＺｎＳｅ量子ドットを形成する。
（Ａ）参照
（１） Ｓｉ（００１）基板１を６５０℃に加熱し、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ゲルマン （ＧｅＨ4 ）モノメチルシラン（ＳｉＨ3 ＣＨ3 ）を供給することによりＳｉＧｅ Ｃ層２を成長する。尚、図には、実施例１と同様、ＳｉＧｅＣ層２上に自然に被着 されたＨ原子３が表示されている。
（１） Ｓｉ（００１）基板１を６５０℃に加熱し、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ゲルマン （ＧｅＨ4 ）モノメチルシラン（ＳｉＨ3 ＣＨ3 ）を供給することによりＳｉＧｅ Ｃ層２を成長する。尚、図には、実施例１と同様、ＳｉＧｅＣ層２上に自然に被着 されたＨ原子３が表示されている。
（２） 次いで、温度一定のままの状態で原料供給を停止し、その状態を保持し、VI族原 料ガスを十分排気する。
（Ｂ）参照
（３） 次いで、セレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を供給しながら、基板温度を４８０℃まで降 温する。これに依り、ＳｉＧｅＣ層２の表面にはＳｅ原子６が被着する。
（３） 次いで、セレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を供給しながら、基板温度を４８０℃まで降 温する。これに依り、ＳｉＧｅＣ層２の表面にはＳｅ原子６が被着する。
（Ｃ）及び（Ｄ）参照
（４） 次いで、温度が安定した後、Ｈ2 Ｓｅ並びにジエチルＺｎ（ＤＥＺｎ）を供給す る。これに依って、ＺｎＳｅ量子ドット７が形成される。
（４） 次いで、温度が安定した後、Ｈ2 Ｓｅ並びにジエチルＺｎ（ＤＥＺｎ）を供給す る。これに依って、ＺｎＳｅ量子ドット７が形成される。
１ Ｓｉ（００１）基板
２ ＳｉＧｅＣ層
３ Ｈ原子 ４ Ａｓ原子 ５ ＩｎＡｓ量子ドット
６ Ｓｅ原子
７ ＺｎＳｅ量子ドット
２ ＳｉＧｅＣ層
３ Ｈ原子 ４ Ａｓ原子 ５ ＩｎＡｓ量子ドット
６ Ｓｅ原子
７ ＺｎＳｅ量子ドット
Claims (4)
- Ｓｉ 1 -x-y Ｇｅx Ｃy （ｘ≧０、ｙ≧０）バッファ層をＳｉ（００１）基板上に水素化物原料を用いて成長させる工程と、
Ｓｉ1-x-y Ｇｅx Ｃy （ｘ≧０、ｙ≧０）バッファ層上に量子ドットを形成するのに必要な化合物半導体原料のうちアニオン原料を先行して供給した後、全ての原料を供給して量子ドットを形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする化合物半導体量子ドットの製造方法。 - 先行して供給するアニオン原料がＶ族原料であり、生成される量子ドットがIII−Ｖ族族化合物半導体からなること
を特徴とする請求項１記載の化合物半導体量子ドットの製造方法。 - 先行して供給するアニオン原料がVI族原料であり、生成される量子ドットがII−VI族化合物半導体からなること
を特徴とする請求項１記載の化合物半導体量子ドットの製造方法。 - 先行して供給するアニオン原料が基板温度を３８０℃以上とした状態で且つ１分以上に亙って供給されること
を特徴とする請求項１乃至３の何れか１記載の化合物半導体量子ドットの製造方法。
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