JPWO2014038211A1 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

基板（１０）の主面上に形成され、各々が量子ドット（３１ａ）を有する複数の量子ドット層（３１）を備える半導体装置（１）であって、複数の量子ドット層（３１）の各々の量子ドット（３１ａ）は、積層されており、量子ドット（３１ａ）の積層方向は、基板（１０）の主面の垂直方向に対して傾斜している。

Description

本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法、及び量子ドットの制御方法に関し、特に、量子ドットを用いた半導体装置及びその製造方法、並びに量子ドットの積層方向を制御する制御方法に関する。
量子ドットとは、一般的に半導体や金属等からなる数ｎｍ〜数十ｎｍ程度のナノ結晶構造のことである。量子ドットの周囲は、高いポテンシャル障壁によって３次元的に取り囲まれているので、量子ドット中の電子や正孔は狭い空間に閉じ込められる。この閉じ込め効果により、量子ドット内では電子やホールの運動が量子化され、離散的なエネルギー準位が形成される。したがって、量子ドットを用いることにより、エネルギー変換効率及び温度安定性に優れた半導体デバイスを実現することができる。
量子ドットは、半導体基板上にエピタキシャル成長させることで形成することができる。例えば、格子不整合系材料の結晶成長を利用したＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）成長モードによる自己組織化によって量子ドット（自己形成量子ドット）を形成することができる。
量子ドットは、光吸収や光放出などの光応答特性が優れているので、中間バンド型太陽電池（超高性能太陽電池）における光から電気への変換や、半導体光増幅器、半導体レーザ等の電気から光への変換など、高性能発光デバイス、又は、光中継器や超高感度な光検出器等の光半導体デバイスへの応用が期待されている。
特に、太陽電池については、これまで３０％程度が限界とされていたエネルギー変換効率を、自己形成量子ドットを用いることで６０％以上まで引き上げることが可能とされている。このため、近年、自己形成量子ドット及びこれを用いた半導体デバイスの研究が盛んに行われている。例えば、特許文献１には、自己形成量子ドットを利用した太陽電池及びその製造方法が開示されている。
特開２００２−１４１５３１号公報
量子ドットを用いた半導体デバイスとしては、例えば、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ自己形成量子ドットが形成されたものがある。このような量子ドット半導体デバイスでは、光応答特性をさらに向上させるための構造が考えられている。
例えば、面内の量子ドットの数を増加し量子ドットの面内密度を大きくすることで、光応答特性を向上させることが考えられる。しかしながら、面内の量子ドットを増加させることには限界がある。
一方、複数の量子ドットを含む量子ドット層と中間層とを交互に繰り返して複数積層することで縦方向における量子ドットの数を増加させ、これによりエネルギー変換効率を向上させることが考えられる。しかしながら、量子ドット層を積層しすぎると、厚膜化して結晶欠陥が発生してキャリアが流れにくくなり、かえって光応答特性が悪くなる場合がある。
また、量子ドットを用いた太陽電池や一般に光検出器では、光を量子ドットに効率良く吸収させるために光吸収係数を向上させることが課題であり、素子の単位体積当たりの優れた光応答特性が要求されている。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、優れた光応答特性を有する半導体装置、半導体装置の製造方法、及び量子ドットの制御方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の一態様は、基板の主面上に形成され、各々が量子ドットを有する複数の量子ドット層を備える半導体装置であって、前記複数の量子ドット層の各々の前記量子ドットは、積層されており、前記量子ドットの積層方向は、前記基板の主面の垂直方向に対して傾斜していることを特徴とする。
本態様によれば、量子ドットの積層方向が基板の主面の垂直方向に対して傾斜しているので、量子ドットの密度及び量子ドット半導体層の膜厚を維持したままで、面内における光応答特性を向上させることができる。これにより、エネルギー変換効率に優れた半導体デバイスを実現することができる。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、前記量子ドット層は、平面状の半導体膜である、としてもよい。
これにより、量子ドット層を連続体として構成することができる。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、前記量子ドットは、自己組織化により形成される、としてもよい。
これにより、基板結晶と薄膜結晶（量子ドット層）との格子定数の差（格子不整合量）による格子歪を利用して、島状の量子ドットを自己形成することができる。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、積層された複数の前記量子ドットからなる量子ドット積層体において、前記積層方向における前記量子ドット積層体の高さは、前記積層方向に垂直な方向における前記量子ドット積層体の長さよりも大きい、としてもよい。
これにより、光エネルギーに対する光吸収を大きくすることができるので、光応答特性を向上させることができる。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、積層された複数の前記量子ドットからなる量子ドット積層体において、最下層の前記量子ドットの下面の輪郭形状は、長方形又は楕円であり、前記量子ドット積層体の前記積層方向の高さは、前記長方形又は楕円の長手方向の長さよりも大きく、前記量子ドット積層体は、前記長方形又は楕円の短手方向に傾斜している、としてもよい。
これにより、長手方向に傾斜させる場合と比べて、光エネルギーに対する光吸収を大きくすることができ、光応答特性を向上させることができる。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、さらに、前記複数の量子ドット層の間に形成された中間層を備える、としてもよい。
これにより、積層型の量子ドットを容易に形成することができる。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなる、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、前記基板は、前記主面が（００１）面であるＧａＡｓ基板である、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、（−１１０）断面において、前記積層方向は、［００１］方向に対して傾斜し、前記積層方向は、前記基板に対してＩｎを蒸着する方向である、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、前記量子ドット層を活性層とする、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の一態様において、当該半導体装置は、太陽電池である、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の一態様は、指向性を持たせて半導体材料を基板に蒸着させることにより複数の量子ドットを基板上に積層する半導体装置の製造方法であって、前記複数の量子ドットを積層する積層方向を取得する積層方向取得工程と、取得した前記積層方向に応じて前記半導体材料の蒸着方向を決定し、決定した前記蒸着方向にて前記半導体材料を前記基板に蒸着させる蒸着工程とを含むことを特徴とする。
これにより、量子ドットの積層方向を所望の積層方向とすることができるので、半導体デバイスに応じた最適な量子ドットの配列制御を行うことができる。したがって、光応答特性に優れた半導体デバイスを容易に実現することができる。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の一態様において、前記蒸着工程では、前記蒸着方向と前記積層方向とを一致させて、前記半導体材料を前記基板に蒸着させる、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の一態様において、前記量子ドットの前記積層方向は、前記基板の主面の垂直方向に対して傾斜している、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の一態様において、前記量子ドットは、自己組織化により形成される、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の一態様において、前記半導体材料を前記基板に蒸着する方法は、分子線エピタキシー法であり、前記蒸着工程では、前記半導体材料のビームフラックスの方向を前記積層方向として、前記ビームフラックスを前記基板に照射する、としてもよい。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の一態様において、前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、前記半導体材料の少なくとも一つは、Ｉｎである、としてもよい。
また、本発明は、量子ドットの制御方法としても実現することができる。
例えば、本発明に係る量子ドットの制御方法の一態様は、指向性を持たせて半導体材料を基板に蒸着させることにより前記基板上に積層される複数の量子ドットの積層方向を制御する制御方法であって、前記量子ドットの積層方向を取得し、当該積層方向に応じて、前記半導体材料を前記基板に蒸着させる蒸着方向を制御するものである。この場合、蒸着方向を、取得した積層方向に一致させる、としてもよい。
これにより、量子ドットの積層方向を所望の積層方向とすることができるので、半導体デバイスに応じた最適な量子ドットの配列制御を行うことができる。したがって、光応答特性に優れた半導体デバイスを容易に実現することができる。
本発明に係る半導体装置によれば、量子ドットの積層方向が基板の主面の垂直方向に対して傾斜しているので、面内での光応答特性を向上させることができる。これにより、光応答特性に優れた高性能な半導体デバイスを実現することができる。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法及び量子ドットの制御方法によれば、予め取得した量子ドットの最適な積層方向に応じて半導体材料の蒸着方向を制御するので、量子ドットの積層方向を所望の積層方向とすることができる。これにより、量子ドットを最適な方向に積層させることができるので、光応答特性に優れた半導体デバイスを実現することができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の（−１１０）断面における断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の（１１０）断面における断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の量子ドット層の構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置における量子ドット積層体の構成を模式的に示す図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置における量子ドット積層体の他の構成を示す模式図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置における量子ドット積層体の他の構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態の量子ドット積層体におけるバンド間遷移確率を説明するための計算モデルを示す図である。 図６は、本発明の実施の形態の量子ドット積層体が柱状である場合における量子ドット積層体の傾斜角とバンド間遷移確率との関係を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態の量子ドット積層体が扁平状である場合における量子ドット積層体の傾斜角とバンド間遷移確率との関係を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る太陽電池の構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法で用いられるＭＢＥ装置の構成を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法におけるフラックス方向（蒸着方向）と量子ドットの積層方向との関係を示す図である。 図１１Ａは、本発明の実施例に係る半導体装置の（−１１０）断面における断面図である。 図１１Ｂは、本発明の実施例に係る半導体装置の（１１０）断面における断面図である。 図１２Ａは、本発明の実施例に係る半導体装置の（−１１０）断面における断面ＴＥＭ像である。 図１２Ｂは、本発明の実施例に係る半導体装置の（１１０）断面における断面ＴＥＭ像である。 図１３は、本発明の他の実施例に係る半導体装置のＰＬスペクトルを示す図である。 図１４は、本発明の他の実施例に係る半導体装置についての無偏光時のＰＬピーク波長におけるＰＬ強度の偏光角度依存性を示す図である。
（本発明に至った経緯）
本発明の実施の形態の説明に先立ち、まず、本発明に至った経緯について説明する。
上述のとおり、自己形成量子ドットを用いた半導体デバイスについては、光応答特性を向上させるために、複数の量子ドットからなる量子ドット層と中間層とを交互に繰り返して複数積層することが好ましい。このような構造では、中間層の厚みと積層数に応じて電子的な結合状態が変化し、光学遷移の選択則、波動関数の拡がりと自由励起子の並進運動で決まる振動子強度を大きく制御することができる。
しかしながら、量子ドット層を積層しすぎると、厚膜化によって結晶欠陥が発生してキャリアが流れにくくなり、かえってエネルギー変換効率が悪くなる場合がある。
そこで、各量子ドット層において、複数の量子ドットの幾何学的（３次元的）な配置の制御を行うことができれば、光学遷移の選択則を制御する自由度を１つ増やすことができると考えられる。
本願発明者らは、このような点に着目して実験を重ねて鋭意検討した結果、従来には無い画期的な知見を得ることができた。
すなわち、量子ドット層を基板の上に積層する際、量子ドットの積層方向を傾斜させることによって、面内における量子ドットの光応答特性を向上させることができるという知見を得ることができた。
さらに、量子ドット層を構成する半導体材料の基板への供給方向（蒸着方向）を変化させることで、量子ドットの積層方向の制御を行うことができるという知見を得ることができた。
本願発明者らは、特に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）によって形成されるＩｎＡｓ系の量子ドットについては、Ｉｎフラックスの照射角（入射角）が量子ドットの積層方向に依存することを見出し、Ｉｎフラックスの照射角によって量子ドットの積層方向を制御できるという着想を得た。具体的には、Ｉｎフラックスを基板の主面に対して斜め方向から供給した場合に、量子ドットが基板の主面に対して傾いた方向に積層成長することを見出すとともに、積層された量子ドットの傾斜方向（積層方向）がＩｎフラックスの照射角とほぼ一致することを突きとめた。
本発明は、このような新規な知見に基づいてなされたものであり、半導体装置、半導体装置の製造方法、及び量子ドットの制御方法を提供する。
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程（ステップ）及び工程の順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。
＜半導体装置＞
まず、本発明の実施の形態に係る半導体装置１の構成について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の（−１１０）断面における断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の（１１０）断面における断面図である。
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施の形態に係る半導体装置１は、基板１０と、基板１０上に形成されたバッファ層２０と、バッファ層２０の上に形成された量子ドット半導体層３０とを備える。なお、量子ドット半導体層３０の表面を平坦化すること等を目的として、量子ドット半導体層３０の上にＧａＡｓ層等からなるキャップ層を形成してもよい。また、半導体装置１における各層は、ＭＢＥ装置を用いて形成することができる。
半導体装置１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた電子デバイスであり、本実施の形態では、ＧａＡｓ系化合物半導体を用いて構成されている。以下、各構成について詳述する。
基板１０は、半導体基板であり、本実施の形態では、主面が（００１）面であるＧａＡｓ基板を用いている。また、バッファ層２０として、基板１０上にＧａＡｓ層を形成した。
量子ドット半導体層３０は、複数の量子ドット層３１と、量子ドット層３１の間に形成された中間層（スペーサー層）３２とを含む。量子ドット層３１と中間層３２とは１層ずつ交互に繰り返して積層されている。
複数の量子ドット層３１の各々は、複数の量子ドット３１ａを含むように構成された連続体をなしており、マトリックス層である。つまり、量子ドット層３１は、下地層の上面全面に形成された一枚の平面状の半導体膜として形成される。
ここで、量子ドット層３１の単層構造について、図２を用いて説明する。図２は、量子ドット層３１の３次元構造を模式的に示した図である。
図２に示すように、量子ドット層３１には、複数の量子ドット３１ａがランダムに形成されている。量子ドット３１ａは、ナノオーダの半導体からなる結晶構造体であり、１つの量子ドット３１ａは、例えば、幅が２０ｎｍで高さが５ｎｍ程度の略円盤形状である。なお、量子ドット３１ａの密度は、例えば、３〜４×１０１０ｃｍ−２である。
本実施の形態において、量子ドット３１ａは、自己組織化によって形成された自己形成量子ドットである。つまり、量子ドット３１ａは、ＳＫモードによる自然形成現象（結晶の歪エネルギーを利用した結晶成長中の自己組織化現象）によって形成される。自己形成量子ドットは、下地結晶と半導体結晶（量子ドット層）との間における格子定数の差（格子不整合量）を利用して形成されたものである。この場合、半導体の結晶成長に伴う格子歪による系のエネルギー増大を抑制するように２次元から３次元へと成長構造が遷移し、これにより、ナノオーダサイズの島状の量子ドットが無数に形成される。
量子ドット層３１は、例えばＩｎＡｓを用いて形成することができる。この場合、量子ドット３１ａは、ＩｎＡｓからなる量子ドットとなる。また、中間層３２は、例えばＧａＡｓを用いて形成することができる。ＧａＡｓとＩｎＡｓとの間には格子歪が７％程度存在する。これにより、ＩｎＡｓの結晶成長が進んでＩｎＡｓの体積量が増えると、これに伴って蓄積される歪エネルギーを解放するようにして両面積が増し、複数の量子ドット３１ａが島状に点在するように形成される。このような成長を繰り返すことでＩｎＡｓとＧａＡｓとを積層成長させることができる。これにより、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系材料からなる量子ドット半導体層３０を形成することができる。
本実施の形態では、Ｉｎフラックスの照射角を所望の角度に制御して、量子ドット半導体層３０を形成している。このようにして形成された量子ドット半導体層３０では、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、複数の量子ドット３１ａが基板１０の上方に向かって一定の方向に積層される。
具体的には、図１Ａに示すように、（−１１０）断面における複数の量子ドット３１ａの積層方向は、基板１０の主面（表面）の垂直方向（法線）である［００１］方向に対して、所定の角度θで傾斜している。つまり、基板１０の主面の垂直方向と複数の量子ドット３１ａの積層方向とのなす角θが０°より大きくなっている。
また、角度θの方向に一列配列された複数の量子ドット３１ａは、量子ドット積層体３１Ａを構成している。したがって、（−１１０）断面において、量子ドット積層体３１Ａは、基板１０の主面の垂直方向に対して角度θで傾斜している。
後述するように、この（−１１０）断面における量子ドット３１ａの積層方向は、基板１０に対してＩｎ（インジウム）を蒸着する方向（Ｉｎビームフラックス方向）となっている。つまり、（−１１０）断面における量子ドット積層体３１Ａの傾斜角（角度θ）は、基板１０に対するＩｎフラックスの入射角に依存し、このＩｎフラックスの入射角とほぼ一致している。
一方、図１Ｂに示すように、（１１０）断面における量子ドット３１ａの積層方向は、基板１０の主面の垂直方向と同じになっている。つまり、（１１０）断面における量子ドット３１ａの積層方向は、［００１］方向に対して傾斜しておらず、基板１０の主面の垂直方向と複数の量子ドット３１ａの積層方向とのなす角θはほぼ０°である。
なお、ＩｎＡｓからなる量子ドット３１ａは、［−１１０］方向に結晶成長する。つまり、量子ドット３１ａは、［−１１０］方向に拡散して延びるように形成される。
ここで、量子ドット積層体３１Ａについて、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置１における量子ドット積層体３１Ａの構成を模式的に示す図である。
図３に示すように、量子ドット積層体３１Ａは、基板１０の上方に向かって一定の方向に配列された一列分の複数の量子ドット３１ａによって構成されており、基板１０の主面の垂直方向に対して角度θで傾斜している。つまり、量子ドット積層体３１Ａは、所定の傾斜角θで傾斜している。本実施の形態において、量子ドット積層体３１Ａは、量子ドット層３１（量子ドット３１ａ）を薄い中間層で近接させて積層されたものであり、量子ドット３１ａの積層方向に長く延びる円柱として考えることができる。なお、量子ドット積層体３１Ａ内の各々の量子ドット３１ａは、円盤状（扁平状）であり、下面の輪郭形状は、便宜上、半径ｒの円となっている。
また、量子ドット積層体３１Ａにおける量子ドット３１ａの構成としては、図３に示す構造のものに限らず、量子ドットの形状としては多様である。例えば、図４Ａに示すように、量子ドット３１ａとして、下面の輪郭形状が楕円（長軸がａで短軸がｂ）の円盤状のものを用いてもよい。この場合、量子ドット積層体３１Ａは、楕円柱として考えることができる。あるいは、図４Ｂに示すように、量子ドット３１ａとして、下面の輪郭形状が長方形（長辺がｌで短辺がｍ）の直方体のものを用いてもよい。この場合、量子ドット積層体３１Ａは、四角柱として考えることができる。このように、量子ドット３１ａとしては、一方向に長尺で他方向に短尺である扁平状の量子ダッシュ構造のものを用いても構わない。
なお、量子ドット積層体３１Ａにおける各量子ドット３１ａの大きさは、同じであってもよいが、同じでなくてもよい。また、量子ドット積層体３１Ａにおける各量子ドット３１ａの形状も同じでなくてもよい。例えば、量子ドット積層体３１Ａにおける最下層の量子ドット３１ａの下面の輪郭形状が四角形であって、最上層の量子ドット３１ａの下面の輪郭形状が円形又は楕円であってもよく、あるいは、その逆であってもよい。この場合、最下層と最上層との間の複数の量子ドット３１ａは、四角形から円形又は楕円形へと、あるいはその逆へと遷移する形状とすればよい。
また、図３、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、量子ドット積層体３１Ａが柱状体である場合には、当該量子ドット積層体３１Ａは傾斜させることが好ましい。さらに、量子ドット積層体３１Ａの断面が楕円や長方形である場合、量子ドット積層体３１Ａは楕円や長方形の短手方向に傾斜させることが好ましい。
以下、この点について、図５〜図７を用いて詳細に説明する。図５は、本実施の形態の量子ドット積層体におけるバンド間遷移確率を説明するための計算モデルを示す図である。図６は、本実施の形態の量子ドット積層体が柱状である場合における量子ドット積層体の傾斜角とバンド間遷移確率との関係を示す図である。また、図７は、本実施の形態の量子ドット積層体が扁平状である場合における量子ドット積層体の傾斜角とバンド間遷移確率との関係を示す図である。
図５（ａ）に示すように、量子ドット積層体３１Ａ（複数の量子ドット３１ａで埋まった構造）の計算モデルとして、無限大ポテンシャルに囲まれた直方体を考える。
また、図５（ａ）に示す構成の量子ドット積層体３１Ａにおいて、［−１１０］方向の長さＬ［−１１０］を３０ｎｍとし、［１１０］方向の長さＬ［１１０］を２５ｎｍとして固定した場合、［００１］方向、［−１１０］方向及び［１１０］方向に平行な光の偏光方向におけるバンド間遷移確率の各々の相対強度は、量子ドット積層体３１Ａにおける［００１］方向の長さＬ［００１］に応じて、図５（ｂ）に示されるように設定されている。
また、Ｌ［００１］＝１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍの場合について、相対エネルギーによる量子ドットのバンド間遷移確率は、図５（ｃ）に示されるように設定されている。
なお、計算手法は、有効質量近似による１電子ハミルトニアン（伝導帯）、４バンドＬｕｔｔｉｎｇｅｒ−Ｋｏｈｎハミルトニアン（価電子帯）及び直交関数展開法を用いている。また、半値幅２０ｍｅＶのＧａｕｓｓ関数でブロードニングし、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ因子（Ｔ＝３００Ｋ）を考慮している。
まず、図５（ａ）に示す構成の量子ドット積層体３１ＡについてＬ［００１］＝５０ｎｍとした場合において、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θに対するバンド間遷移確率について、図６を用いて説明する。なお、図６（ａ）に示す量子ドット積層体３１Ａは、直方体の高さが下面の長方形の長辺及び短辺のいずれよりも長い構成の場合である。また、θ＝０°の場合、ｘ’軸は［−１００］と平行であり、ｙ’軸は［１１０］と平行であり、ｚ’軸は［００１］と平行である。
図６（ａ）に示す量子ドット積層体３１Ａの構造において、ｘ’軸と［００１］方向とが直交する場合（ｘ’//［−１１０］）、量子ドット積層体３１Ａにおけるバンド間遷移確率は、図６（ｂ）に示す結果となる。
具体的に、図６（ｂ）に示すように、量子ドット積層体３１Ａが受ける光の偏光方向Ｅの方向が［００１］方向に垂直な場合（Ｅ⊥［００１］）、バンド間遷移確率は、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θ（つまり、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角）が大きくなるに従って大きくなっている。すなわち、量子ドット積層体３１Ａが傾いて倒れる程、バンド間遷移確率は大きくなる。そして、バンド間遷移確率が大きいほど量子ドットによる光吸収も大きくなることから、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角θが大きくなるに従って光吸収も大きくなる。
一方、同図に示すように、量子ドット積層体３１Ａが受ける光の偏光方向Ｅの方向が［００１］方向に平行な場合（Ｅ//［００１］）、バンド間遷移確率は、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θが大きくなるに従って小さくなっている。すなわち、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角θが大きくなるに従って、バンド間遷移確率が小さくなって光吸収も小さくなる。
また、図６（ａ）に示す量子ドット積層体３１Ａの構造において、ｙ’軸と［００１］方向とが直交する場合（ｙ’//［１１０］）、量子ドット積層体３１Ａにおけるバンド間遷移確率は、図６（ｃ）に示す結果となる。
具体的に、図６（ｃ）に示すように、量子ドット積層体３１Ａが受ける光の偏光方向Ｅの方向が［００１］方向に垂直な場合（Ｅ⊥［００１］）、バンド間遷移確率は、図６（ｂ）と比べて上昇率は小さいものの、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θが大きくなるに従って大きくなっている。すなわち、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角が大きくなるに従って、バンド間遷移確率が大きくなって光吸収も大きくなる。
一方、同図に示すように、量子ドット積層体３１Ａが受ける光の偏光方向Ｅの方向が［００１］方向に平行な場合（Ｅ//［００１］）、バンド間遷移確率は、図６（ｂ）と比べて下降率は小さいものの、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θが大きくなるに従って小さくなっている。すなわち、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角が大きくなるに従って、バンド間遷移確率が小さくなって光吸収も小さくなる。
次に、図５（ａ）に示す構成の量子ドット積層体３１ＡについてＬ［００１］＝２０ｎｍとした場合において、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θに対するバンド間遷移確率について、図７を用いて説明する。なお、図７（ａ）に示す量子ドット積層体３１Ａは、直方体の高さが下面の長方形の長辺及び短辺のいずれよりも短い構成の場合である。また、θ＝０°の場合、ｘ’軸は［−１００］と平行であり、ｙ’軸は［１１０］と平行であり、ｚ’軸は［００１］と平行である。
図７（ａ）に示す量子ドット積層体３１Ａの構造において、ｘ’軸と［００１］方向とが直交する場合（ｘ’//［−１１０］）、量子ドット積層体３１Ａにおけるバンド間遷移確率は、図７（ｂ）に示す結果となる。
具体的に、図７（ｂ）に示すように、量子ドット積層体３１Ａが受ける光の偏光方向Ｅの方向が［００１］方向に垂直な場合（Ｅ⊥［００１］）、バンド間遷移確率は、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θが大きくなるに従って小さくなっている。すなわち、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角θが大きくなるに従って光吸収は小さくなる。
一方、同図に示すように、量子ドット積層体３１Ａが受ける光の偏光方向Ｅの方向が［００１］方向に平行な場合（Ｅ//［００１］）、バンド間遷移確率は、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θが大きくなるに従って大きくなっている。すなわち、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角θが大きくなるに従って、バンド間遷移確率が大きくなって光吸収も大きくなる。但し、Ｅ//［００１］の場合のバンド間遷移確率の方が、Ｅ⊥［００１］の場合のバンド間遷移確率よりも小さい。
また、図７（ａ）に示す量子ドット積層体３１Ａの構造において、ｙ’軸と［００１］方向とが直交する場合（ｙ’//［１１０］）、量子ドット積層体３１Ａにおけるバンド間遷移確率は、図７（ｃ）に示す結果となる。
具体的に、図７（ｃ）に示すように、量子ドット積層体３１Ａが受ける光の偏光方向Ｅの方向が［００１］方向に垂直な場合（Ｅ⊥［００１］）、バンド間遷移確率は、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θが大きくなるに従って小さくなっている。すなわち、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角θが大きくなるに従って、バンド間遷移確率が小さくなって光吸収も小さくなる。
一方、同図に示すように、量子ドット積層体３１Ａが受ける光の偏光方向Ｅの方向が［００１］方向に平行な場合（Ｅ//［００１］）、バンド間遷移確率は、ｚ’軸と［００１］方向とのなす角θが大きくなるに従って大きくなっている。すなわち、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角θが大きくなるに従って、バンド間遷移確率が大きくなって光吸収も大きくなる。但し、Ｅ//［００１］の場合のバンド間遷移確率の方が、Ｅ⊥［００１］の場合のバンド間遷移確率よりも小さい。
以上、図６及び図７に示す結果によれば、図６に示す構成のように量子ドット積層体３１Ａが柱状体である場合には、量子ドット積層体３１Ａを傾斜させることが好ましい。すなわち、複数の量子ドット３１ａの積層方向における量子ドット積層体３１Ａの高さが、当該積層方向に垂直な方向における量子ドット積層体３１Ａの長さよりも大きい場合には、量子ドット積層体３１Ａを傾斜させることが好ましい。
これにより、バンド間遷移確率が大きくなり、光エネルギーに対する光吸収を大きくすることができるので、光応答特性を向上させることができる。なお、積層方向に垂直な方向における量子ドット積層体３１Ａの長さとは、量子ドット積層体３１Ａが円柱の場合は直径であり、楕円柱の場合は長軸及び短軸の長さであり、四角柱の場合は縦及び横の長さである。
また、図６に示す結果によれば、量子ドット積層体３１Ａの円柱断面が楕円や長方形のように非円形である場合、量子ドット積層体３１Ａは短手方向に傾斜させることが好ましい。すなわち、量子ドット積層体３１Ａにおける最下層の量子ドット３１ａの下面の輪郭形状が長方形又は楕円であって、量子ドット積層体３１Ａの積層方向の高さが長方形の長手方向の長さ（長辺の長さ）又は楕円の長手方向の長さ（長軸の長さ）よりも大きい場合、量子ドット積層体３１Ａは、長方形の短手方向（短辺に平行な方向）又は楕円の短手方向（短軸に平行な方向）に傾斜させることが好ましい。このように、量子ドット積層体３１Ａは、柱状体の幅の短い方向（［−１１０］方向に垂直な方向）に倒すようにして傾斜させることが好ましい。
なお、本実施の形態における量子ドット３１ａは、ＩｎＡｓであるので［−１１０］方向に結晶成長する。したがって、量子ドット積層体３１Ａは、量子ドット３１ａが結晶成長する方向（拡散方向）に対して垂直な方向に傾斜させることが好ましい。
このように、量子ドット積層体３１Ａを柱状体の幅の短い方向（面積の大きい側面側）に傾斜させることによって、幅の長い方向（面積の小さい側面側）に傾斜する場合と比べて、光エネルギーに対する光吸収を大きくすることができ、光応答特性を向上させることができる。
以上、本実施の形態に係る半導体装置１によれば、量子ドット層３１が積層された構造の量子ドット半導体層３０を有する半導体装置において、量子ドット３１ａの積層方向が基板１０の主面に対して傾斜している。これにより、一つ一つの量子ドット３１ａが扁平状であっても、複数の量子ドット３１ａの積層方向（量子ドット積層体３１Ａ）を基板１０の主面に対して傾斜させることで、量子ドット３１ａの積層方向が傾斜していない場合と比べて、面内での光に対する感度を実質的に向上させることができる。
すなわち、量子ドット３１ａの積層方向が傾斜している場合（量子ドット積層体３１Ａが傾斜している場合）と量子ドット３１ａの積層方向が傾斜していない場合（量子ドット積層体３１Ａが傾斜していない場合）とにおいて、量子ドット半導体層３０における量子ドット３１ａの密度及び量子ドット半導体層３０の膜厚（高さ）が同じであったとしても、本実施の形態のように、量子ドット３１ａの積層方向を基板１０の主面に対して傾斜させることで、光に対する感度を向上させることができる。したがって、高い光応答特性を有する半導体デバイスを実現することができる。
例えば、量子ドット３１ａの積層方向が基板１０の主面に対して傾斜することで、基板１０の主面の垂直方向に進行する光（外部から量子ドット半導体層３０の主面に向かってくる光）に対して、吸収しやすい偏光方向の光を増加させることができる。これにより、量子ドット３１ａによる光吸収係数を向上させることができるので、光の取り込み効率を向上させることができる。したがって、高効率の太陽電池及び超高感度の光検出器を実現することができる。あるいは、高効率に光を放射することが可能になるので、高効率な半導体レーザ、増幅率の大きな光アンプなどを実現することができる。
次に、本実施の形態に係る半導体装置の具体例について説明する。まず、本実施の形態に係る太陽電池２について、図８を用いて具体的に説明する。図８は、本発明の実施の形態に係る太陽電池の構成を示す断面図である。
図８に示すように、太陽電池２は、図１Ａ及び図１Ｂに示す半導体装置１を用いたものであり、基板１０と、基板１０上に順次形成された、バッファ層２０、ベース層４１、量子ドット半導体層３０、エミッタ層４２、コンタクト層４３及び反射防止膜４４と、第１電極４５と、第２電極４６とを備える。
基板１０は、例えばｎ＋−ＧａＡｓ基板である。基板１０の上には、バッファ層２０として、例えばＧａＡｓ層が形成される。
ベース層４１は、第１のブラッグ反射ミラー層（ｎ型半導体層）であり、バッファ層２０上に形成される。ベース層４１としては、例えばｎ−ＧａＡｓ層を用いることができる。
量子ドット半導体層３０は、活性層であり、ベース層４１とエミッタ層４２との間に形成される。量子ドット半導体層３０は、例えば、ＩｎＡｓからなる量子ドット３１ａを有する量子ドット層（ＩｎＡｓ層）３１とＧａＡｓ層である中間層３２とが交互に積層された構成である。また、量子ドット半導体層３０において、量子ドット３１ａの積層方向は、基板１０の主面に対して傾斜している。
エミッタ層４２は、第２のブラッグ反射ミラー層（ｐ型半導体層）であり、量子ドット半導体層３０上に形成される。エミッタ層４２としては、例えばｐ−ＧａＡｓ層を用いることができる。
コンタクト層４３は、エミッタ層４２上に形成されており、例えばｐ＋−ＧａＡｓ層を用いることができる。反射防止膜４４は、コンタクト層４３上に形成されており、例えばＡｌＮ膜を用いることができる。
第１電極４５は、例えばＡｕ／Ｚｎからなるｐ側電極である。第１電極４５は、グリッド電極であり、コンタクト層４３上に形成される。また、第２電極４６は、例えばＡｕ／Ｇｅからなるｎ側電極であり、基板１０の裏面に形成される。
本実施の形態における太陽電池２は、ＰＩＮ接合のＩ層として量子ドット半導体層３０が挿入された構成となっている。また、太陽電池２における各層は、ＭＢＥ装置を用いて形成することができる。このように構成された太陽電池２は、第１電極（グリッド電極）４５側から入射する光（太陽光等）のエネルギーを変換して、電気エネルギーとして取り出す。
そして、本実施の形態に係る太陽電池２によれば、活性層である量子ドット半導体層３０において、複数の量子ドット３１ａの積層方向が基板１０の主面の垂直方向に対して傾斜している。これにより、複数の量子ドット３１ａの積層方向が基板１０の主面の垂直方向に対して傾斜していない場合（つまり、複数の量子ドット３１ａの積層方向が基板１０の主面の垂直方向と同じである場合）と比べて、光応答特性を向上させることができる。この結果、光吸収係数を大きくすることができるので、太陽光を効率良く量子ドット３１ａに吸収させることができる。したがって、エネルギー変換効率に優れた超高性能太陽電池を実現することができる。
例えば、本実施の形態における太陽電池２は、中間バンド型太陽電池として用いることができる。中間バンド型太陽電池は、多接合タンデム型太陽電池とは異なる構造であり、伝導帯と価電子帯間に人工的に中間バンドを形成する構造を有する。そして価電子帯から中間バンド、中間バンドから伝導帯への２段階の遷移を利用することにより、単接合太陽電池では透過損失となるバンドギャップ以下のエネルギーのフォトンを吸収して出力電流を増加させることができるので、エネルギー変換の高効率化を図ることができる。
また、本実施の形態における太陽電池２は、太陽光に含まれる波長のうちシリコン半導体の太陽電池では吸収することが難しい波長（１１００ｎｍ付近にピーク波長を有する赤外光）までも吸収することができる。つまり、本実施の形態における太陽電池２では、量子ドット半導体層の材料又は量子ドットの積層方向（傾斜方向）を制御することによって可視光域から可視光域外の幅広い波長帯域の光を吸収することができる。したがって、本実施の形態における太陽電池２によれば、エネルギー変換効率が極めて高い太陽電池を実現することが可能となる。
また、図示しないが、図１Ａ及び図１Ｂに示す半導体装置１は、半導体レーザ等の半導体発光装置として構成することもできる。この場合、量子ドット半導体層３０を半導体レーザ等の活性層として用いればよい。例えば、半導体基板上に、ｎ型クラッド層、量子ドット半導体層（活性層）３０及びｐ型クラッド層を形成するとともに、ｎ側電極及びｐ側電極を形成することで半導体レーザを構成することができる。
このように構成された半導体発光装置によれば、活性層である量子ドット半導体層３０において、複数の量子ドット３１ａの積層方向（量子ドット積層体３１Ａ）が傾斜しているので、良好な偏光制御を行うことができる。これにより、高性能の半導体レーザ及び光増幅器等を実現することができる。
また、図１Ａ及び図１Ｂに示す半導体装置１は、光検出器にも適用することができる。この場合、例えば、ベースに量子ドットを用いることで、１個の電荷蓄積に対しても大きな障壁低下効果が得られるので、エミッタ−コレクタ間電流を大きくすることができる。本実施の形態では、複数の量子ドット３１ａの積層方向（量子ドット積層体３１Ａ）が傾斜しているので、光応答特性を向上させることができる。これにより、超高感度の光検出器を実現することができる。
＜半導体装置の製造方法、量子ドットの制御方法＞
次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法及び量子ドットの制御方法について説明する。本実施の形態では、指向性を持たせて原料（半導体材料）を基板に蒸着させることができる蒸着方法を用いて、半導体装置における各層を形成したり、量子ドットの積層方向を制御したりしている。このような蒸着方法として、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いることができる。
分子線エピタキシーによる半導体層の形成は、ＭＢＥ装置を用いて行うことができる。具体的には、１０−８Ｐａ（１０−１０Ｔｏｒｒ）程度の超高真空中において、基板を所定の成長温度に加熱し、エピタキシャル成長すべき元素の原料物質（材料原子）が入ったセルを加熱することによって原料物質を蒸発させて分子線として基板に供給して半導体層をエピタキシャル成長させるものである。超高真空下では、平均自由行程が長くなることから、原料が蒸着源（ソース）から基板に到達するまでの間に他の不純物に衝突しない。したがって、分子線エピタキシーを用いることによって、高品質の半導体層を結晶成長させることができる。
まず、半導体装置１の製造方法で用いられるＭＢＥ装置の構成について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態に係る半導体装置１の製造方法で用いられるＭＢＥ装置１００の構成を示す図である。図９（ａ）は、ＭＢＥ装置１００の正面図であり、図９（ｂ）は、ＭＢＥ装置１００の底面図であり、図９（ｃ）は、図９（ｂ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
図９に示すように、ＭＢＥ装置１００は、容器と蓋とからなるチャンバ（成長室）１１０と、第１〜第８セル１２１〜１２８と、基板ホルダ１３０とを備える。チャンバ１１０内は、真空ポンプによって所定の真空度に調整される。基板ホルダ１３０は、原料物質（半導体材料）を蒸着させる基板を保持する固定台であり、基板水平面において回転可能に構成されている。
第１〜第８セル１２１〜１２８の各セルは、量子ドット等の原料物質が入った蒸着源収容部であり、原料物質（蒸着源）を加熱蒸発させてビームフラックスとして出射させるように構成されている。
第１〜第８セル１２１〜１２８は、基板ホルダ１３０に固定された基板１０（不図示）に向かって、当該基板１０の主面に対して斜め方向に配置されている。つまり、第１〜第８セル１２１〜１２８の各セルは、基板ホルダ１３０に固定された基板１０に対するビームフラックスの照射方向（蒸着方向）が当該基板１０の主面の法線に対して所定の角度で傾斜するように構成されている。
図９（ｂ）に示すように、本実施の形態では、ＭＢＥ装置１００を底面側から見たときに、８個の第１〜第８セル１２１〜１２８は周方向に均等に配置されている。また、図９（ｃ）に示すように、第１〜第８セル１２１〜１２８の各セルにおいて、基板１０に対するビームフラックスの照射方向と当該基板１０の主面の法線とのなす角度（照射角）θＢは、各セル個別で調整できるように構成されている。つまり、各セルは、各々の照射角θＢを調整できるように可動可能に構成されており、基板に対して任意の照射角θＢで蒸着源を蒸着できるように構成されている。
本実施の形態において、ＩｎＡｓからなる量子ドットを形成する場合、Ｉｎは第１セル１２１に収納し、Ａｓは第８セル１２８に収納し、図９（ｃ）における照射角θＢは３５°に設定した。この場合、ＧａＡｓ基板（１００）の主面にＩｎフラックスを照射する第１セル１２１の照射角θＢ（Ｉｎフラックスの照射方向と［００１］方向とのなす角）は、ＧａＡｓ／ＩｎＡｓの（−１１０）断面では１０°となり、ＧａＡｓ／ＩｎＡｓの（１１０）断面では３４°となる。
次に、ＭＢＥ装置１００を用いた半導体装置１の製造方法及び量子ドットの制御方法について、図１Ａ、図１Ｂ及び図９を参照しながら説明する。
まず、基板１０を準備する。本実施の形態では、基板１０としては、ＧａＡｓ（００１）基板を用いた。
次に、図９に示すＭＢＥ装置１００内に基板１０を設置する。具体的には、基板１０を基板ホルダ１３０に固定して、チャンバ１１０内の所定の位置に基板１０を配置する。
次に、第１〜第８セル１２１〜１２８のうちの所定のセルに、基板１０に蒸着させる原料を蒸着源として収容し、当該原料（蒸着源）を加熱蒸発させてビームフラックスとして基板１０に照射する。これにより、基板１０の主面上に、所定の半導体層を形成することができる。
本実施の形態では、まず、原料としてＧａとＡｓとを用いて、ＧａＡｓ基板からなる基板１０の（００１）面上にＧａとＡｓとを蒸着させて、ＧａＡｓ層からなるバッファ層２０を形成する。
その後、バッファ層２０上に量子ドット半導体層３０を形成する。この場合、量子ドット半導体層３０における複数の量子ドット３１ａを積層させる積層方向を予め取得しておき（積層方向取得工程）、取得した積層方向に応じて原料（半導体材料）の蒸着方向を決定し、決定した蒸着方向にて原料（半導体材料）を基板１０に蒸着させる（蒸着工程）。
具体的に、積層方向取得工程では、作製する半導体装置１について、量子ドット半導体層３０における複数の量子ドット３１ａの最適な積層方向（傾斜角θ）を予め算出等することにより準備しておく。最適な積層方向は、要求されるデバイス特性（仕様）に応じて、半導体装置１の種類（太陽電池や半導体レーザ等）、あるいは、半導体層における半導体材料の種類や層寸法（膜厚等）等から算出することができる。
そして、蒸着工程では、取得した量子ドット３１ａの積層方向に応じて原料（半導体材料）を基板１０に蒸着させる蒸着方向を制御して、基板１０に対して原料の蒸着を行う。本実施の形態では、ＩｎＡｓによって量子ドット３１ａを形成するので、取得した量子ドット３１ａの積層方向と、量子ドット３１ａを構成するＩｎの蒸着方向とを一致させて、Ｉｎ及びＡｓを基板１０に蒸着させる。つまり、図１０に示すように、取得した量子ドット３１ａの積層方向（量子ドット積層体３１Ａの傾斜角θ）に一致させるように、第１セル１２１によるＩｎフラックス（ビームフラックス）の基板１０への照射方向（照射角θＢ）を制御する。Ｉｎフラックスの照射方向は、Ｉｎを収納する第１セル１２１を可動させることで制御することができる。
Ｉｎフラックスの照射方向を所望に設定した後、ＩｎとＡｓとを蒸着させることによって、複数の量子ドット３１ａを含む量子ドット層３１を形成する。その後、引き続き、量子ドット層３１の上に、ＧａとＡｓとを蒸着させることによって、ＧａＡｓからなる中間層３２を形成する。以降同様にして、ＩｎＡｓからなる量子ドット層３１とＧａＡｓからなる中間層３２とを交互に繰り返して連続的に形成する。これにより、量子ドット３１ａは自己組織化により形成され、自己形成量子ドットであるＩｎＡｓ量子ドットを有する量子ドット半導体層３０を形成することができる。
また、本実施の形態では、予め取得した量子ドット３１ａの積層方向にＩｎビームフラックスの照射方向を一致させるようにして、つまり、形成する予定の量子ドット積層体３１Ａの傾斜角にＩｎのビームフラックスの照射角を一致させるようにして、Ｉｎのビームフラックスの照射方向を制御している。
これは、本願発明者らが、複数の量子ドット３１ａの積層方向がＩｎのビームフラックスの照射方向（Ｉｎの蒸着方向）に依存すること、具体的には、複数の量子ドット３１ａの積層方向とＩｎのビームフラックスの照射方向とが一致することを見出したことに基づくものである。
したがって、量子ドット半導体層３０において、蒸着により実際に形成した複数の量子ドット３１ａの積層方向と、算出して予め取得した量子ドット３１ａの積層方向とは概ね一致することになる。なお、Ａｓ（ヒ素）のビームフラックスの照射方向と量子ドット３１ａの積層方向との間には依存性がない。
このようにして、本実施の形態に係る半導体装置１を製造することができる。
以上、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法及び量子ドットの制御方法によれば、量子ドット半導体層３０における量子ドット３１ａを積層させる方向を予め取得しておき、この積層方向に応じて半導体材料を基板１０に蒸着させる方向（蒸着方向）を制御している。本実施の形態では、Ｉｎの蒸着方向（Ｉｎのビームフラックスの照射方向）を、予め取得した量子ドット３１ａの積層方向に一致させるようにしている。
量子ドット３１ａの積層方向はＩｎのビームフラックスの照射方向と概ね一致することから、上記方法によって形成される量子ドット３１ａの積層方向は、事前に取得した量子ドット３１ａの積層方向と一致することになる。
このように、本実施の形態によれば、予め取得した量子ドット３１ａの最適な積層方向に応じて半導体材料の蒸着方向を制御するので、量子ドット３１ａの積層方向を所望の積層方向とすることができる。つまり、量子ドット半導体層３０における量子ドット３１ａの配列方向の制御を行うことができる。これにより、振動子強度を所望に制御することができるので、人工的に（工業的に）量子ドットの３次元構造を制御することができる。したがって、半導体デバイスに応じた量子ドットの最適な配列制御を行うことができるので、光応答特性に優れた半導体デバイスを容易に実現することができる。
（実施例）
次に、本発明の実施例に係る半導体装置３について、図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ａは、本発明の実施例に係る半導体装置の（−１１０）断面における断面図である。図１１Ｂは、本発明の実施例に係る半導体装置の（１１０）断面における断面図である。なお、本実施例における半導体装置は、図１０に示すＭＢＥ装置１００を用い、固体原料の分子線エピタキシーによって作製した。
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、まず、基板温度を例えば５５０℃としてＧａＡｓ（００１）基板からなる基板１０上に、ＧａＡｓからなるバッファ層２０を結晶成長させた。
次に、バッファ層２０の上に、例えば成長温度（基板温度）を４８０℃として、膜厚２ＭＬのＩｎＡｓからなる量子ドット層３１と膜厚２２ＭＬのＧａＡｓからなる中間層３２とを交互に９層結晶成長させることで量子ドット半導体層（第１の量子ドット半導体層）３０を形成した。なお、ＩｎＡｓの成膜レートは０．０４０（ＭＬ／ｓ）とし、ＧａＡｓの成膜レートは０．８０（ＭＬ／ｓ）とした。また、各中間層３２の結晶成長後には、１０秒の結晶中断を行った。
なお、ＩｎＡｓの量子ドット層３１を形成する際、第１セル１２１によって、（−１１０）断面におけるＩｎビームフラックスの照射角θＢが１０°となるように、また、（１１０）断面におけるＩｎビームフラックスの照射角θＢが３４°となるように、Ｉｎビームフラックスの向きを調整した。
その後、量子ドット半導体層３０の上に、膜厚２００ｎｍのＧａＡｓ層５０を結晶成長させた後に、ＭＢＥ装置１００の基板ホルダ１３０を回転させることで結晶軸の面内方向を１８０°回転させた。これにより、量子ドット半導体層３０と量子ドット半導体層６０とにおいて、基板１０の主面に対する半導体材料のビームフラックスの入射角を実質的に１８０°ずらすことができる。なお、量子ドット半導体層３０及び６０を形成している間、基板１０は回転させていない。
次に、ＧａＡｓ層５０の上に、量子ドット半導体層３０と同じ条件で、膜厚２ＭＬのＩｎＡｓからなる量子ドット層６１と膜厚２２ＭＬのＧａＡｓからなる中間層６２とを交互に９層結晶成長させることで。量子ドット半導体層（第２の量子ドット半導体層）６０を形成した。
なお、本実施例では、ＩｎＡｓの量子ドット層６１を形成する際、第１セル１２１は可動させておらず、量子ドット層６１を形成するときのＩｎビームフラックスの照射角θＢは、量子ドット層３１を形成したときのＩｎビームフラックスの照射角θＢと同じにしている。
最後に、量子ドット半導体層６０の上に、ＧａＡｓからなるキャップ層７０を結晶成長させた。
図１１Ａに示すように、（−１１０）断面において、複数の量子ドット３１ａ及び６１ａの積層方向（量子ドット積層体３１Ａ及び６１Ａ）は、基板１０の主面の垂直方向である［００１］方向に対して、所定の角度で傾斜している。
一方、図１１Ｂに示すように、（１１０）断面において、複数の量子ドット３１ａ及び６１ａの積層方向（量子ドット積層体３１Ａ及び６１Ａ）は、基板１０の主面の垂直方向である［００１］方向と同じである。
次に、上記のようにして実際に作製した半導体装置３について、図１２Ａ及び図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ａは、本実施例に係る半導体装置の（−１１０）断面における断面ＴＥＭ像である。図１２Ｂは、本実施例に係る半導体装置の（１１０）断面における断面ＴＥＭ像である。
図１２Ａに示すように、（−１１０）断面では、量子ドット半導体層３０における量子ドット３１ａの積層方向と、量子ドット半導体層６０における量子ドット６１ａの積層方向とが反対となり、鏡面対称となっている。これは、量子ドット半導体層３０と量子ドット半導体層６０とで、面内の結晶成長方向を１８０°回転させたことによる。
具体的には、図１２Ａに示すように、（−１１０）断面における量子ドット３１ａ及び６１ａの積層方向は、それぞれ、［００１］方向に対して１５°傾いていることが分かる。この積層方向の傾斜角は、１０°としたＩｎフラックスの照射角（入射角）と良い一致性を示していることが分かる。なお、本実施例では、積層方向の傾斜角とＩｎフラックスの照射角とが５°程度ずれているが、ＴＥＭによる観測ずれが比較的に大きいことを考えると、この程度のずれの影響は小さいと考えられる。
一方、図１２Ｂに示すように、（１１０）断面では、（−１１０）断面の場合と異なり、量子ドット３１ａ及び６１ａの積層方向は傾斜しておらず（傾斜角０°）、当該積層方向の傾斜角とＩｎフラックスの照射角（３４°）とは一致しないことが分かる。
なお、この図１２Ａ及び図１２Ｂに示す結果は、［１１０］方向に沿ったＩｎの拡散長が［−１１０］方向に沿ったＩｎの拡散長よりも短いことを示唆している。
このように、本実施例によれば、量子ドット３１ａ及び６１ａの積層方向が、Ｉｎの蒸着方向と概ね一致することが確認できた。つまり、量子ドット積層体３１Ａの傾斜角がＩｎフラックスの照射角と概ね一致することが分かる。
次に、量子ドット積層体を有する他の実施例における半導体装置の光学特性について、図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は、本発明の他の実施例に係る半導体装置のＰＬスペクトルを示す図であり、図１４は、同半導体装置についての無偏光時のＰＬピーク波長におけるＰＬ強度の偏光角度依存性を示す図である。
図１３及び図１４の実施例では、上記の半導体装置３において、量子ドット半導体層３０までを作製したものを用いた。つまり、ＧａＡｓ層５０及び量子ドット半導体層６０は成膜せずに、基板１０上に量子ドット半導体層３０（９層積層構造の量子ドット積層体）のみを有する半導体装置を用いた。また、基板１０を回転させる場合、１層分の成膜中に基板１０を１回転させた。
まず、直線偏光ＰＬ（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）スペクトルについて図１３を用いて説明する。本実施例では、図１３に示すように、９層積層構造の量子ドット積層体を有する半導体装置に対して励起光を照射することで、劈開端面における直線偏光ＰＬを測定した。
図１３の（ａ）及び（ｂ）は、量子ドット積層体の成膜時に基板１０を回転させなかった場合のＰＬスペクトルであり、それぞれ（−１００）端面及び（１１０）端面のＰＬスペクトルを示している。また、図１３の（ｃ）及び（ｄ）は、量子ドット積層体の成膜時に基板１０を回転させた場合のＰＬスペクトルであり、それぞれ（−１００）端面及び（１１０）端面のＰＬスペクトルを示している。なお、図１３の（ａ）及び（ｂ）において、実線、破線及び一点鎖線は、それぞれ［００１］偏光、［-１１０］偏光及び［１１０］偏光の結果を示している。
図１３の（ａ）〜（ｄ）に示すように、偏光ＰＬは、観察方向に依存した異方的な振る舞いを示すことが分かる。また、基板の回転有無にかかわらず、（−１００）及び（１１０）の両端面から観察されるＰＬについては面内偏光成分（Ｅ⊥［００１］）が支配的であることが分かる。なお、（−１１０）面においては異方性が小さくなっている。
単層のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ（００１）量子ドット半導体層は、量子ドット半導体の扁平な形状と２軸性圧縮歪とに起因する偏光異方性を有する。そのため、重い正孔（Ｈｅａｖｙ Ｈｏｌｅ）に由来するＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードの遷移確率が支配的となる。一方、本実施例のような柱状の量子ドット積層体又は中間層（スペーサー）層を有する積層構造の量子ドット半導体層では、量子ドット半導体の積層数の増加に伴ってＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードの遷移確率が増加する。また、電子的な包絡関数が面直方向に重なるので垂直方向の電子的な閉じ込めが弱くなる。そして、相対的に強くなった［−１１０］方向及び［１１０］方向の閉じ込めによってＶＢＭ（Ｖａｌｅｎｃｅ Ｂａｎｄ Ｍｉｘｉｎｇ）が生じる。
また、図１３の（ａ）〜（ｄ）に示すように、本実施例における半導体装置は、１１００ｎｍ付近にピークを有する波長（赤外光）を吸収することが可能であることも分かる。したがって、本実施例における半導体装置を用いた太陽電池では、シリコン半導体からなる太陽電池では吸収することが難しい太陽光の波長までも吸収することが可能となるので、エネルギー変換効率の高い太陽電池を実現できる。
また、本実施例における半導体装置は偏光方向に依存性を有するので、最適な光の入射が必要な光デバイス（赤外センサ等）を実現することができる。
次に、ＰＬ直線偏光角度依存性について図１４を用いて説明する。図１４の（ａ）及び（ｂ）は、量子ドット積層体の成膜時に基板１０を回転させなかった場合のＰＬ強度を示しており、また、図１４の（ｃ）及び（ｄ）は、量子ドット積層体の成膜時に基板１０を回転させた場合のＰＬ強度を示している。また、図１４において、白抜きの丸（○）で示す曲線、黒塗りの丸（●）で示す曲線、白抜きの四角（◇）で示す曲線及び黒塗りの四角（◆）で示す曲線は、それぞれ、［−１１０］方向、［１−１０］方向、［１１０］方向及び［−１−１０］方向から観察された測定結果を示している。
また、積層方向が傾くと正孔スピンの量子化軸が回転する。そこで、本測定では、斜めに積層された量子ドット半導体層における量子化方向を評価するために詳細な偏光特性の測定を行った。具体的には、赤外偏光子の偏光角度を１０°ずつ変化させて端面ＰＬ強度の極座標プロファイルを得た。
図１４（ａ）に示すように、［−１１０］方向と［１−１０］方向とに沿って観察されたＰＬ強度は、偏光角度がそれぞれ＋３０°、−２８°シフトした場合に最大となった。つまり、量子化軸の傾きの角度（偏光角度）が、図１２Ａに示した（−１１０）断面ＴＥＭ像で見られた量子ドットの積層方向の角度（１５°）よりも高角度になっている。
このように、量子ドットの積層方向が傾斜している半導体装置では、量子ドットの積層方向の傾斜角度と偏光角度とが異なることが分かった。つまり、Ｉｎフラックスの照射角（Ｉｎフラックスの基板入射角）と偏光角度とが異なることが分かった。しかも、偏光角度が量子ドットの積層方向の傾斜角度（Ｉｎフラックスの照射角）よりも増加することが判明した。本実施例によれば、偏光角度が量子ドットの積層方向の傾斜角度の２倍程度になることが分かった。偏光角度が大きくなると、光吸収や光放出などの光応答特性が向上する。したがって、偏光角度が量子ドットの積層方向の傾斜角度（Ｉｎフラックスの照射角）よりも大きくなることから、量子ドットの積層方向の傾斜角度を制御することで光応答特性に優れた光デバイスを容易に実現できる。
また、図１４（ｂ）に示すように、［１１０］方向と［−１−１０］方向とに沿って観察されたＰＬ強度は、偏光角度がそれぞれ［００１］方向から−３．２°、２．０°シフトした場合に最大となった。これは、図１２Ｂに示した（１００）断面ＴＥＭ像で見られた量子ドットの積層方向の角度（ほぼ［００１］方向）とよい一致性を示していることが分かる。
また、図１４の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、基板１０を回転させて量子ドット半導体層を成膜すると、基板１０を回転させずに量子ドット半導体層を成膜した場合と比べて、偏光角度が減少した。特に、（−１１０）劈開面において偏光角度が劇的に減少していることが分かる。この結果は、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓの量子ドット半導体層の積層方向の傾斜角度がＩｎフラックスの照射角に依存するという本発明の知見を裏付けるものである。
なお、基板１０を回転させて傾斜のない量子ドット半導体層を積層させることによって、偏光無依存の光デバイス（光増幅器等）を実現することも可能である。
（変形例）
以上、本発明に係る半導体装置及びその製造方法、並びに量子ドットの制御方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記の実施の形態では、ＭＢＥを用いて量子ドットの積層方向を制御したが、指向性を持たせて半導体材料を基板に真空蒸着させる方法であれば、ＭＢＥに限らない。例えば、電子ビーム蒸着やイオンビームデポジション等のＭＢＥ以外の蒸着法を用いて、量子ドットの積層方向を制御することもできる。
また、上記の実施の形態では、中間層３２としてＧａＡｓ系材料を用いたが、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いても構わない。つまり、ＡｌＧａＡｓ系材料を中間層３２としてＩｎＡｓの量子ドット層３１を積層することで、量子ドット半導体層３０を形成しても構わない。
また、上記の実施の形態では、量子ドット３１ａの半導体材料として、ＩｎＡｓを用いたが、原子の大きさが異なる化合物の組み合わせであれば、ＩｎＡｓに限らない。例えば、量子ドット３１ａの半導体材料として、ＳｉＧｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ等の化合物半導体を用いたり、酸化物半導体等を用いたりすることもできる。
また、上記の実施の形態において、量子ドット３１ａは自己組織化によって形成した自己形成量子ドットを用いたが、これに限らない。例えば、パターニングによってＳｉＯ２膜に複数の微小開口を形成し、この微小開口内に半導体を結晶成長させて量子ドット３１ａを形成させることもできる。このようにパターニング技術を利用することによって、量子ドット積層体３１Ａ（複数の量子ドット３１ａ）の傾斜方向及び傾斜角を制御することもできる。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、又は、実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
本発明は、量子ドットを用いた半導体装置、特に、太陽電池、光増幅器、半導体レーザ、光中継器、光受信器、光検出器（赤外線センサ等）又は光電変換素子等の光半導体デバイス等、その他種々の電子デバイスにおいて広く利用することができる。
１、３ 半導体装置
２ 太陽電池
１０ 基板
２０ バッファ層
３０、６０ 量子ドット半導体層
３１、６１ 量子ドット層
３１ａ、６１ａ 量子ドット
３１Ａ、６１Ａ 量子ドット積層体
３２、６２ 中間層
４１ ベース層
４２ エミッタ層
４３ コンタクト層
４４ 反射防止膜
４５ 第１電極
４６ 第２電極
５０ ＧａＡｓ層
７０ キャップ層
１００ ＭＢＥ装置
１１０ チャンバ
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８ セル
１３０ 基板ホルダ

Claims (17)

  1. 基板の主面上に形成され、各々が量子ドットを有する複数の量子ドット層を備える半導体装置であって、
    前記複数の量子ドット層の各々の前記量子ドットは、積層されており、
    前記量子ドットの積層方向は、前記基板の主面の垂直方向に対して傾斜している
    半導体装置。
  2. 前記量子ドット層は、平面状の半導体膜である
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記量子ドットは、自己組織化により形成される
    請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 積層された複数の前記量子ドットからなる量子ドット積層体において、
    前記積層方向における前記量子ドット積層体の高さは、前記積層方向に垂直な方向における前記量子ドット積層体の長さよりも大きい
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 積層された複数の前記量子ドットからなる量子ドット積層体において、最下層の前記量子ドットの下面の輪郭形状は、長方形又は楕円であり、
    前記量子ドット積層体の前記積層方向の高さは、前記長方形又は楕円の長手方向の長さよりも大きく、
    前記量子ドット積層体は、前記長方形又は楕円の短手方向に傾斜している
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. さらに、前記複数の量子ドット層の間に形成された中間層を備える
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなる
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記基板は、前記主面が（００１）面であるＧａＡｓ基板である
    請求項７に記載の半導体装置。
  9. （−１１０）断面において、前記積層方向は、［００１］方向に対して傾斜し、
    前記積層方向は、前記基板に対してＩｎを蒸着する方向である
    請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記量子ドット層を活性層とする
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 当該半導体装置は、太陽電池である
    請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 指向性を持たせて半導体材料を基板に蒸着させることにより複数の量子ドットを基板上に積層する半導体装置の製造方法であって、
    前記複数の量子ドットを積層する積層方向を取得する積層方向取得工程と、
    取得した前記積層方向に応じて前記半導体材料の蒸着方向を決定し、決定した前記蒸着方向にて前記半導体材料を前記基板に蒸着させる蒸着工程とを含む
    半導体装置の製造方法。
  13. 前記蒸着工程では、前記蒸着方向と前記積層方向とを一致させて、前記半導体材料を前記基板に蒸着させる
    請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記量子ドットの前記積層方向は、前記基板の主面の垂直方向に対して傾斜している
    請求項１２又は１３に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記量子ドットは、自己組織化により形成される
    請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記半導体材料を前記基板に蒸着する方法は、分子線エピタキシー法であり、
    前記蒸着工程では、前記半導体材料のビームフラックスの方向を前記積層方向として、前記ビームフラックスを前記基板に照射する
    請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、
    前記半導体材料の少なくとも一つは、Ｉｎである
    請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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