JP6635462B2 - Method for manufacturing semiconductor quantum dot device - Google Patents
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本発明は、半導体量子ドット素子の製造方法に関し、特に、均一性の高い半導体量子ドット素子を形成することが可能な新規製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor quantum dot device, and more particularly, to a novel manufacturing method capable of forming a semiconductor quantum dot device with high uniformity.
量子ドットはレーザを中心にして次世代半導体素子の基本ナノ構造として注目を集めている。例えば、半導体レーザの活性層に量子ドットを導入した量子ドットレーザ等、様々な半導体光・電子デバイスへの応用に向けた研究が盛んに行われている。量子ドットのなかでも、特にGaAs上に形成したInAs量子ドットが重要である。 Quantum dots are attracting attention as basic nanostructures of next-generation semiconductor devices, mainly lasers. For example, researches on application to various semiconductor optical and electronic devices such as a quantum dot laser in which quantum dots are introduced into an active layer of a semiconductor laser are being actively conducted. Of the quantum dots, InAs quantum dots formed on GaAs are particularly important.
化合物半導体を用いた量子ドットの代表的な形成技術としては、自己組織化成長により量子ドットを形成する手法が知られている。これは、基板に対して格子定数の異なる半導体をある条件で気相エピタキシャル成長することで、3次元の微細構造である量子ドットが自己形成される現象を用いたものである。このような量子ドットの自己組織化成長については、いくつかの成長モードが知られており、中でも最も知られているものは、Stranski−Krastanow(S−K)成長モードと呼ばれる成長モードである(例えば、特許文献1、非特許文献1など)。
As a typical technique for forming quantum dots using a compound semiconductor, a technique of forming quantum dots by self-organizing growth is known. This uses a phenomenon in which quantum dots having a three-dimensional fine structure are formed by vapor phase epitaxial growth of a semiconductor having a different lattice constant on a substrate under certain conditions. Several growth modes are known for the self-assembled growth of such quantum dots, and the most well-known is a growth mode called a Transki-Krastanow (SK) growth mode ( For example,
S−K成長モードとは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は2次元的成長(膜成長)するが、供給材料に依存して決まる臨界膜厚と呼ばれる所定の厚みを超えた段階で3次元的成長に移行するモードのことである。下地となるバッファ層の材料より格子定数の大きい膜をエピタキシャル成長することにより、島状のドット構造が自己組織的に形成される。この方法は、リソグラフィーを必要とせず結晶成長のみによるため、良質な量子ドットが形成可能な手法として用いられている。従来、S−K成長モードによる量子ドットの形成工程は、一定の温度下で行われることが通常であった。 The SK growth mode is a mode in which a semiconductor crystal to be epitaxially grown grows two-dimensionally (film growth) at the beginning of growth, but exceeds a predetermined thickness called a critical thickness determined depending on a supply material. This is a mode for shifting to three-dimensional growth. By epitaxially growing a film having a larger lattice constant than the material of the underlying buffer layer, an island-shaped dot structure is formed in a self-organizing manner. Since this method does not require lithography and uses only crystal growth, it is used as a method capable of forming high-quality quantum dots. Conventionally, the process of forming quantum dots in the SK growth mode is usually performed at a constant temperature.
しかしながら、このようなS−K成長モードを用いる従来の手法では、形成される量子ドットの寸法のバラつきが問題となっており、より均一性の高い量子ドットを形成可能な手法の開発が望まれていた。 However, in the conventional method using such an SK growth mode, variation in the size of the formed quantum dots poses a problem, and it is desired to develop a method capable of forming quantum dots with higher uniformity. I was
そこで、本発明は、従来より均一かつ良質な量子ドットを形成可能な新規方法を提供することを課題とするものである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel method capable of forming a uniform and high quality quantum dot as compared with the conventional method.
上記課題を解決するべく鋭意検討を行った結果、本発明者らは、バッファ層の上に、3次元エピタキシャル成長を発生させない高温条件において特定の厚さの化合物半導体を2次元エピタキシャル成長によって堆積させた後、当該温度を降下させた条件で3次元エピタキシャル成長によって量子ドットを形成させることで、均一性の高い量子ドットが得られること、また、上記2次元成長段階における成長時間を変化させることで量子ドットの密度を制御できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problem, the present inventors have found that a compound semiconductor having a specific thickness is deposited on a buffer layer by two-dimensional epitaxial growth under a high temperature condition that does not cause three-dimensional epitaxial growth. By forming the quantum dots by three-dimensional epitaxial growth under the condition where the temperature is lowered, a quantum dot with high uniformity can be obtained, and by changing the growth time in the two-dimensional growth step, the quantum dots can be formed. The inventors have found that the density can be controlled, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、一態様において、
(1)a)半導体基板上に、結晶成長により積層したバッファ層を形成する工程、及びb)前記バッファ層上に、自己組織化成長により量子ドット層を形成する工程であって、温度T1において2次元のエピタキシャル成長を行い、その後、前記温度T1より低い温度T2において3次元のエピタキシャル成長を行うことによって量子ドットを形成させる、該工程
を有することを特徴とする、半導体量子ドット素子の製造方法;
(2)前記バッファ層が、III−V族化合物半導体を含む材料によって形成される、上記(1)に記載の半導体量子ドット素子の製造方法;
(3)前記III−V族化合物半導体が、GaAsである、上記(2)に記載の半導体量子ドット素子の製造方法;
(4)前記量子ドット層が、III−V族化合物半導体を含む材料によって形成される、上記(1)〜(3)のいずれか1に記載の半導体量子ドット素子の製造方法;
(5)前記III−V族化合物半導体が、InAsである、上記(4)に記載の半導体量子ドット素子の製造方法;
(6)T1が、量子ドット層を形成する材料の3次元のエピタキシャル成長を発生させない温度である、上記(1)〜(5)のいずれか1に記載の半導体量子ドット素子の製造方法;
(7)前記T1がT2よりも2〜10%高い温度である、上記(1)〜(5
のいずれか1に記載の半導体量子ドット素子の製造方法;及び
(8)前記T1が500〜550℃の範囲であり、前記T2が470〜490℃の範囲である、上記(1)〜(5)のいずれか1に記載の半導体量子ドット素子の製造方法
を提供するものである。
That is, the present invention, in one aspect,
(1) a) a step of forming a buffer layer laminated on a semiconductor substrate by crystal growth, and b) a step of forming a quantum dot layer on the buffer layer by self-organizing growth, wherein a temperature T 1 Forming a quantum dot by performing three-dimensional epitaxial growth at a temperature T 2 lower than the temperature T 1 , and then forming a quantum dot by performing three-dimensional epitaxial growth at a temperature T 2 lower than the temperature T 1. Method;
(2) The method for manufacturing a semiconductor quantum dot device according to (1), wherein the buffer layer is formed of a material containing a III-V compound semiconductor;
(3) The method for producing a semiconductor quantum dot device according to (2), wherein the III-V compound semiconductor is GaAs;
(4) The method for manufacturing a semiconductor quantum dot device according to any one of (1) to (3), wherein the quantum dot layer is formed of a material including a III-V compound semiconductor;
(5) The method for producing a semiconductor quantum dot device according to (4), wherein the III-V compound semiconductor is InAs;
(6) T 1 is a temperature which does not cause the three-dimensional epitaxial growth of the material forming the quantum dot layer, a method of manufacturing a semiconductor quantum dot device according to any one of the above (1) to (5);
(7) wherein T 1 is from 2 to 10% higher temperature than T 2, the (1) - (5
The method of manufacturing a semiconductor quantum dot device according to any one of; a and (8) the range wherein T 1 is a 500-550 ° C., wherein T 2 is in the range of 470-490 ° C., above (1) to (5) A method for manufacturing a semiconductor quantum dot device according to any one of (5).
本発明は、別の態様において、
(9)上記(1)〜(8)のいずれか1に記載の半導体量子ドット素子の製造方法によって得られる、半導体量子ドット素子;
(10)a)半導体基板上に、結晶成長により積層したバッファ層と、b)前記バッファ層上に、自己組織化成長により形成した量子ドット層とを有する半導体量子ドット素子であって、量子ドット層における量子ドットの高さの標準偏差が0.3〜1nmの範囲であり、量子ドット密度が単位平方センチ当たり1x108〜1x1011であることを特徴とする、該半導体量子ドット素子;
(11)前記バッファ層を形成する材料がGaAsであり、前記量子ドット層を形成する材料がInAsである、上記(10)に記載の半導体量子ドット素子;及び
(12)上記(9)〜(11)のいずれか1に記載の半導体量子ドットを有する半導体光素子
を提供するものである。
The invention provides, in another aspect,
(9) A semiconductor quantum dot device obtained by the method for manufacturing a semiconductor quantum dot device according to any one of (1) to (8);
(10) A semiconductor quantum dot device comprising: (a) a buffer layer formed by crystal growth on a semiconductor substrate; and (b) a quantum dot layer formed by self-organization growth on the buffer layer. The semiconductor quantum dot device, wherein the standard deviation of the height of the quantum dots in the layer is in the range of 0.3 to 1 nm, and the quantum dot density is 1 × 10 8 to 1 × 10 11 per square centimeter;
(11) The semiconductor quantum dot device according to the above (10), wherein the material forming the buffer layer is GaAs, and the material forming the quantum dot layer is InAs; and (12) the above (9) to ( A semiconductor optical device having the semiconductor quantum dot according to any one of 11) is provided.
本発明によれば、従来より均一かつ良質な量子ドットを形成することができる。かかる均一性の高い量子ドットを得ることによって、量子ドットレーザにおける閾値電流、変調速度、スペクトル純度等の特性向上や量子ドット太陽電池の高効率化を図ることが可能となる。また、従来は良質な量子ドットの形成が困難であった1.5ミクロン帯量子ドットレーザの実現の可能性を高めることができ、光通信やセンサ応用、さらにはLSI光配線システムへの応用が期待される。また、本発明によれば、2次元成長段階における成長時間を制御することで最終的な量子ドットの密度をコントロールすることも可能となるという効果も奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the more uniform and high quality quantum dot can be formed conventionally. By obtaining such highly uniform quantum dots, it becomes possible to improve characteristics such as threshold current, modulation speed, and spectral purity of the quantum dot laser, and to increase the efficiency of the quantum dot solar cell. In addition, the possibility of realizing a 1.5-micron band quantum dot laser, which was difficult to form high-quality quantum dots in the past, can be enhanced, and it can be applied to optical communication, sensor applications, and LSI optical wiring systems. Be expected. Further, according to the present invention, there is an effect that the final density of quantum dots can be controlled by controlling the growth time in the two-dimensional growth stage.
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更し実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The scope of the present invention is not limited by these descriptions, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the present invention, except for the following examples.
1.半導体量子ドット素子の製造方法
本発明の半導体量子ドット素子の製造方法は、S−K成長モードによる量子ドットの形成において、バッファ層の上に量子ドットを形成させる際、
i)高温条件下で特定の厚さの化合物半導体を2次元成長によって堆積させ、
ii)その後、より低い温度条件下にして3次元エピタキシャル成長によって量子ドットを形成させる
ことを特徴とするものである。これにより、均一性の高いかつ良質な量子ドットを形成することができる。また、i)の2次元成長段階における成長時間を制御することで、ii)によって得られる最終的な量子ドットの密度をコントロールすることもできる。
1. The method for manufacturing a semiconductor quantum dot device The method for manufacturing a semiconductor quantum dot device according to the present invention includes the steps of: forming a quantum dot on a buffer layer in forming a quantum dot in an SK growth mode;
i) depositing a compound semiconductor of a specific thickness by two-dimensional growth under high temperature conditions;
ii) Thereafter, quantum dots are formed by three-dimensional epitaxial growth under lower temperature conditions. This makes it possible to form high-quality quantum dots with high uniformity. Further, by controlling the growth time in the two-dimensional growth stage of i), the density of the final quantum dots obtained in ii) can be controlled.
本発明の製造方法において用いられる半導体結晶成長装置としては、例えば、分子線エピタキシー(Molecula Beam Epitaxy:MBE)装置や有機金属気相成長法(Metal organic chemical vapor deposition:MOCVD)装置を用いることができる。 As the semiconductor crystal growth apparatus used in the manufacturing method of the present invention, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus can be used. .
以下、本発明の製造方法における各工程について説明する。 Hereinafter, each step in the manufacturing method of the present invention will be described.
まず、基板上に、化合物半導体よりなるバッファ層を形成する。ここで、バッファ層を形成する材料は、好ましくは、III−V族化合物半導体を含む材料であり、典型的には、GaAs、InP、InAlAs、InAlGaAs等である。より好ましくは、GaAsである。また、基板はバッファ層を形成する材料と同じ化合物半導体であることができる。 First, a buffer layer made of a compound semiconductor is formed on a substrate. Here, the material forming the buffer layer is preferably a material containing a group III-V compound semiconductor, and is typically GaAs, InP, InAlAs, InAlGaAs or the like. More preferably, it is GaAs. Also, the substrate can be the same compound semiconductor as the material forming the buffer layer.
MBE装置を用いた場合には以下のとおりである。 The case where the MBE apparatus is used is as follows.
かかるバッファ層を形成する処理は、当該技術分野において通常用いられるものを用いることができるが、代表的には、基板がGaAsである場合、基板温度を例えば550〜600℃とし、ガリウムおよびヒ素の分子線を超高真空成長室内に供給し、GaAs基板上に、GaAsよりなるバッファ層を成長させることができる。また、バッファ層の厚さは、これに限定されるものではないが、好ましくは、200〜400nmである。 The processing for forming such a buffer layer may be performed by a method generally used in the technical field. Typically, when the substrate is GaAs, the substrate temperature is set to, for example, 550 to 600 ° C., and gallium and arsenic are used. The molecular beam is supplied into the ultra-high vacuum growth chamber to grow a GaAs buffer layer on the GaAs substrate. The thickness of the buffer layer is not limited to this, but is preferably 200 to 400 nm.
MOCVD装置を用いた場合には以下のとおりである。 The case where the MOCVD apparatus is used is as follows.
かかるバッファ層を形成する処理は、当該技術分野において通常用いられるものを用いることができるが、代表的には、基板がGaAsである場合、基板温度を例えば600〜700℃とし、TBA、トリメチルガリウム(trimethylgallium、TMG)を反応室内に供給し、GaAs基板上に、GaAsよりなるバッファ層を成長させることができる。また、バッファ層の厚さは、これに限定されるものではないが、好ましくは、200〜400nmである。 The processing for forming such a buffer layer can be performed by a method generally used in the art. Typically, when the substrate is GaAs, the substrate temperature is set to, for example, 600 to 700 ° C., and TBA, trimethylgallium is used. (Trimethylgalium, TMG) can be supplied into the reaction chamber to grow a buffer layer made of GaAs on the GaAs substrate. The thickness of the buffer layer is not limited to this, but is preferably 200 to 400 nm.
次に、バッファ層上に、S−K成長モードの自己組織化成長により量子ドット層を形成させる。具体的には、図1に示すように、基板の温度を温度T1として化合物半導体を2次元のエピタキシャル成長を行い、その後、基板の温度を下げ、前記温度T1より低い温度T2において3次元のエピタキシャル成長を行うことによって量子ドットを形成させる。基板への化合物半導体の供給は、S−K成長モードの自己組織化成長において通常用いられる手法によって行うことができる。 Next, a quantum dot layer is formed on the buffer layer by self-organizing growth in the SK growth mode. Specifically, as shown in FIG. 1, the compound semiconductor is subjected to two-dimensional epitaxial growth with the substrate temperature set to the temperature T 1 , and then the substrate temperature is decreased to three-dimensional at the temperature T 2 lower than the temperature T 1. Quantum dots are formed by performing epitaxial growth of. The supply of the compound semiconductor to the substrate can be performed by a method generally used in self-organized growth in the SK growth mode.
量子ドット層を形成する材料は、好ましくは、III−V族化合物半導体を含む材料であり、典型的には、InAs、InGaAs等である。より好ましくは、InAsである。従って、バッファ層を形成する材料と量子ドット層を形成する材料の組み合わせは、GaAs/InAsが好ましい。 The material forming the quantum dot layer is preferably a material containing a group III-V compound semiconductor, and is typically InAs, InGaAs or the like. More preferably, it is InAs. Therefore, the combination of the material forming the buffer layer and the material forming the quantum dot layer is preferably GaAs / InAs.
上記2次元のエピタキシャル成長を行う温度T1は、当該技術分野において、S−K成長モードの自己組織化成長による量子ドットの形成において通常用いられる温度より高い温度である。好ましくは、量子ドット層を形成する材料の3次元のエピタキシャル成長を発生させない温度である。一方、T2は当該技術分野において、S−K成長モードの自己組織化成長による量子ドットの形成において通常用いられる範囲の温度であることができる。 The two-dimensional temperature T 1 of performing epitaxial growth, in the art, at a temperature higher than the temperature normally used in the formation of quantum dots by self-organization growth S-K growth mode. Preferably, the temperature is such that the three-dimensional epitaxial growth of the material forming the quantum dot layer does not occur. On the other hand, T 2 may be the in the art, a temperature in the range normally used in the formation of quantum dots by self-organization growth S-K growth mode.
別の観点からは、T1は、T2よりも1〜20%高い温度であり、好ましくは、2〜10%高い温度である。 From another aspect, T 1 is 1-20% higher temperature than T 2, preferably 2 to 10% higher temperatures.
典型的な場合には、T1は500〜550℃の範囲であり、T2は470〜490℃の範囲である。かかる温度範囲は、バッファ層を形成する材料と量子ドット層を形成する材料の組み合わせがGaAs/InAsにおいて最適である。すなわち、一般に、GaAs上にInAsの量子ドットを形成させる場合には、470〜490℃の範囲において一定の温度で行われるが、本発明では、かかる温度より高い温度T1という条件下において、上記2次元のエピタキシャル成長が行われるという点で特徴的である。これによって、均一性が高い量子ドットを得ることができる。 In a typical case, T 1 is in the range of 500-550 ° C., T 2 is in the range of 470-490 ° C.. In such a temperature range, the combination of the material forming the buffer layer and the material forming the quantum dot layer is optimal for GaAs / InAs. That is, in general, when InAs quantum dots are formed on GaAs, they are performed at a constant temperature in the range of 470 to 490 ° C. In the present invention, under the condition of a temperature T 1 higher than such a temperature, This is characteristic in that two-dimensional epitaxial growth is performed. As a result, quantum dots with high uniformity can be obtained.
温度T1において上記2次元のエピタキシャル成長を行う際の、化合物半導体の成長時間(名目供給量)は、好ましくは1000〜3000秒であり、好ましくは1500〜2000秒である。かかる成長時間を変化させることによって、最終的に得られる量子ドットの密度を制御することができる。量子ドット密度は、好ましくは単位平方センチ当たり1x108〜1x1011の範囲である。 When performing the epitaxial growth of the two-dimensional at a temperature T 1, a compound semiconductor growth time (nominal supply amount) is preferably from 1,000 to 3,000 seconds, preferably from 1500 to 2000 seconds. By changing the growth time, the density of the finally obtained quantum dots can be controlled. The quantum dot density is preferably in the range of 1 × 10 8 to 1 × 10 11 per square centimeter.
その他の条件は、S−K成長モードの自己組織化成長による量子ドットの形成の際に、当該技術分野において通常用いられる条件を用いることができる。 As other conditions, when forming quantum dots by self-assembly growth in the SK growth mode, conditions usually used in the technical field can be used.
2.半導体量子ドット素子
上述のように本発明の製造方法によって得られる量子ドット素子は、高い均一性を有することを特徴とする。具体的には、量子ドットの高さの標準偏差が0.3〜1nmの範囲である。当該高さの標準偏差は、公知の手法によって算出することができ、例えば、原子間力顕微鏡装置を用いて測定し表面粒子解析ソフトを用いることで求められる。
2. Semiconductor quantum dot device As described above, the quantum dot device obtained by the manufacturing method of the present invention is characterized by having high uniformity. Specifically, the standard deviation of the height of the quantum dots is in the range of 0.3 to 1 nm. The standard deviation of the height can be calculated by a known method, for example, measured by using an atomic force microscope and obtained by using surface particle analysis software.
また、本発明の量子ドット素子は、800〜1600nmの範囲で発光・光吸収し得る光素子に適用することが可能である。 Further, the quantum dot device of the present invention can be applied to an optical device capable of emitting and absorbing light in the range of 800 to 1600 nm.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
1.InAs/GaAs量子ドットの形成
以下に述べる手順で、InAs/GaAs量子ドットを形成させた。一般的な前処理を行った後、400nm厚のGaAsバッファ層を成長し、その後量子ドット成長を行った:Inの供給レート0.004ML/s、As4フラックスクス 2.0×10−6Torr、基板温度500℃(パイロメータ基準)。成長中には反射高速電子線回折(RHEED)を、成長後には原子間力顕微鏡(AFM)を用いて表面観察を行った。まずはInの供給時間(名目供給量)を1800s(7.2ML)、3600s(14.4ML)、7200s(28.8ML)と増大させつつ成長を行ったが、これらの条件では量子ドットの形成は確認されなかった。一方、基板温度500℃で1800s間成長を行ったサンプルに対し、基板温度を490℃に下げ、その後0.4ML分のInAsを供給した結果、量子ドットが成長されていることが確認された。得られたAFMイメージを図2に示す。
1. Formation of InAs / GaAs quantum dots InAs / GaAs quantum dots were formed by the procedure described below. After a general pre-treatment, a 400 nm thick GaAs buffer layer was grown, followed by quantum dot growth: In supply rate 0.004 ML / s, As 4 flux 2.0 × 10 −6 Torr. The substrate temperature is 500 ° C. (based on pyrometer). The surface was observed using a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) during the growth and an atomic force microscope (AFM) after the growth. First, the growth was performed while increasing the supply time (nominal supply amount) of In to 1800 s (7.2 ML), 3600 s (14.4 ML), and 7200 s (28.8 ML). Not confirmed. On the other hand, with respect to the sample grown at a substrate temperature of 500 ° C. for 1800 s, the substrate temperature was lowered to 490 ° C., and then 0.4 ML of InAs was supplied. As a result, it was confirmed that quantum dots were grown. FIG. 2 shows the obtained AFM image.
一方、基板温度を490℃と一定に維持したままInAsを成長させ量子ドットを作成した場合のAFMイメージを図3に示す。 On the other hand, FIG. 3 shows an AFM image when quantum dots are formed by growing InAs while keeping the substrate temperature constant at 490 ° C.
図2と図3の比較から、実施例1で作成したInAs/GaAs量子ドットでは、比較例に比べて高さが均一であることが分かる。 From a comparison between FIG. 2 and FIG. 3, it can be seen that the height of the InAs / GaAs quantum dots created in Example 1 is more uniform than in the comparative example.
実施例1で得られたInAs/GaAs量子ドットの高さの標準偏差を算出した結果、0.36nmが得られた。 As a result of calculating the standard deviation of the height of the InAs / GaAs quantum dots obtained in Example 1, 0.36 nm was obtained.
2.高温における成長時間による密度の変化
実施例1の方法に従い、基板温度を490℃に下げた後の成長条件(0.4ML)は維持したまま、基板温度が500℃における成長時間t0(名目供給量)を種々変化させた。高温条件時のt0をそれぞれ、900s(3.6ML)、1000s(4.0ML)、1100s(4.4ML)、1200s(4.8ML)、1800s(7.2ML)とした場合に得られたAFMイメージを図4に示す。その結果、最終的に得られるInAs/GaAs量子ドット密度が高温条件時の成長時間に依存して変化することが分かった。結果を図5に示す(ここで、図中のMLは、成長レート×成長時間である。)。490℃の低温条件及び500℃の高温条件での成長レートは、いずれも0.004ML/sとした。図5に示すように、2段階の基板温度での成長を採用し、高温下での成長時間を長くすることで量子ドットの密度を増加させることができた。成長時間を長くした場合に上記密度が増加したのは、インジウムの付着原子の量が多くなり、量子ドットの形成のための核が生成されやすくなったためと考えられる。
2. Change in Density Due to Growth Time at High Temperature According to the method of Example 1, while maintaining the growth conditions (0.4 ML) after the substrate temperature was reduced to 490 ° C., the growth time t 0 at a substrate temperature of 500 ° C. (nominal supply Was varied. Each t 0 at high temperature conditions, 900s (3.6ML), 1000s ( 4.0ML), 1100s (4.4ML), 1200s (4.8ML), obtained when a 1800 s (7.2 mL) An AFM image is shown in FIG. As a result, it was found that the finally obtained InAs / GaAs quantum dot density changes depending on the growth time under high temperature conditions. The results are shown in FIG. 5 (here, ML in the figure is growth rate × growth time). The growth rates under the low temperature condition of 490 ° C. and the high temperature condition of 500 ° C. were both 0.004 ML / s. As shown in FIG. 5, the growth at the substrate temperature in two stages was adopted, and the density of the quantum dots could be increased by lengthening the growth time at a high temperature. It is considered that the reason why the density increased when the growth time was lengthened was that the amount of attached atoms of indium was increased and nuclei for forming quantum dots were easily generated.
3.量子ドット密度のソース供給レートに対する依存性
Asソース(As4)の供給レート(単位時間あたりの供給量)を種々変化させて、得られる量子ドットの密度変化を検証した。供給したAs4の分圧を2.0×10−6Torr、1.0×10−5Torr、及び1.3×10−3Torrに変化させて、実施例1の方法と同様に量子ドットを形成させた。それぞれにおいて得られた量子ドットのAFMイメージ、及びAsソースの供給レートと量子ドット密度の関係を示すグラフを図6に示す。その結果、Asソースの供給レートを増加させることで、量子ドット密度が増加することが分かった。得られた密度は1010前後であり、量子ドットレーザの用途において好適といえるものであった。
3. Dependence of Quantum Dot Density on Source Supply Rate Varying the supply rate (supply amount per unit time) of the As source (As 4 ) was performed, and the density change of the obtained quantum dots was verified. By changing the partial pressure of the supplied As 4 to 2.0 × 10 −6 Torr, 1.0 × 10 −5 Torr, and 1.3 × 10 −3 Torr, the quantum dots were formed in the same manner as in the method of Example 1. Was formed. FIG. 6 shows an AFM image of the quantum dots obtained in each case and a graph showing the relationship between the supply rate of the As source and the quantum dot density. As a result, it was found that increasing the supply rate of the As source increased the quantum dot density. The resulting density was 10 10 front and rear, were those considered to be preferred in a quantum dot laser applications.
4.光学特性評価
実施例1で得られたInAs/GaAs量子ドットについて、低温下でのフォトルミネッセンス測定を行った。その結果を図7に示す。GaAsキャップを行ったサンプルからは、15μeV程度の狭い半値幅を持った発光が確認された。また、中性励起子(X)と励起子分子(XX)からの発光の観測により、本方法により高品質の量子ドットが得られることを確認した。
4. Evaluation of Optical Properties Photoluminescence measurement of the InAs / GaAs quantum dots obtained in Example 1 was performed at a low temperature. FIG. 7 shows the result. From the GaAs capped sample, light emission having a narrow half width of about 15 μeV was confirmed. Further, by observing the light emission from the neutral exciton (X) and the exciton molecule (XX), it was confirmed that a high-quality quantum dot was obtained by this method.
Claims (8)
b)前記バッファ層上に、自己組織化成長により量子ドット層を形成する工程であって、温度T1において2次元のエピタキシャル成長を行い、その後、前記温度T1より低い温度T2において3次元のエピタキシャル成長を行うことによって量子ドットを形成させる、該工程
を有することを特徴とする、半導体量子ドット素子の製造方法。 a) on a semiconductor substrate, forming a buffer layer laminated with the crystal growth, and b) on the buffer layer, and forming a quantum dot layer by self-organization growth, 2D at temperatures T 1 the epitaxial growth was performed, then, the to form a quantum dot by performing epitaxial growth of three-dimensional at a lower temperature T 2 temperature T 1, characterized by having the step, a method of manufacturing a semiconductor quantum dot device.
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